移動式輸油系統(tǒng)多功能控制電路的研制

摘要：移動式輸油系統(tǒng)是一種大流量的移動式加油設備。采用了流量穩(wěn)定、性能可靠、結構簡單緊湊、使用和保養(yǎng)方便的KCB型防爆齒輪泵和橢圓齒輪流量計等高性能主要部件。這些主要部件可確保加油站控制和計量的準確安全可靠。系統(tǒng)能方便、快速在A與B之間輸油并做相應的記錄、打印。顯示輸油的瞬時流量、總量等，操作方便實用。其中，基于TC4538的F／V變換是核心部分，決定著整個系統(tǒng)的控制性能。
關鍵詞：AT89C51；流量傳感器；油泵；AD0809；頻率-電壓轉換電路

    隨著科技的進步和發(fā)展，超聲波、激光、電磁、核技術及微計算機等新技術引入流量計量領域，使得無接觸無活動部件間接技術大大發(fā)展，流量傳感器趨向電子化和數(shù)字化，為流量計量開拓新的領域。新型流量計要求非接觸式流量數(shù)字模型簡明；量程比寬、線性化、數(shù)字化；可線性高，價格低廉，維修方便。隨著單片機的日趨成熟，移動式輸油系統(tǒng)多功能控制電路的研究上了一個新的水平，利用移動式輸油系統(tǒng)可以方便地到達所需加油的地方為其加油，高效便捷，而小批量的加油則不必把整個機器弄到加油站加油了。利用移動式加油系統(tǒng)可以方便在兩方之間輸油，并做相應的記錄、打印，還可以顯示油的單價、瞬時流量、瞬時總量、總價，操作控制靈活，方便實用。

1 硬件電路的設計
1．1 傳感器電路的設計
    橢圓齒輪流量計是容積式流量計的一種，它對被測流體的粘度變化不敏感，特別適合測量高粘度的流體，甚至糊狀物的流量。橢圓齒輪流量計的工作原理如圖1所示。

    橢圓齒輪流量計的測量部分是由兩個相互嚙合的齒輪A和B、軸及殼體組成。橢圓齒輪及殼體之間形成測量室。當流體流過齒輪流量計時，由于要克服阻力將會引起阻力損失，從而使進口側壓力P1大于出口側壓力P2，產生作用力矩使橢圓齒輪連續(xù)轉動。
    圖l僅僅表示橢圓齒輪轉動了1／4的情況，而其所排出的被測介質量為半月形容積的四倍。故通過橢圓齒輪流量計的體積流量Q為
    Q=4nV0          (1)
    式中n--橢圓齒輪的旋轉速度，V0--半月形測量室容積
    由式(1)可知，在橢圓齒輪流量計的半月形容積V0已定的條件下，只要測出橢圓齒輪的轉速n，即可知道被測介質的流量。橢圓齒輪流量計的流量信號(即轉速n)，有就地顯示和遠傳顯示兩種，配以一定的傳動機構及積算機構，就可記錄或指示被測介質的總量。
1．2 頻率-電壓轉換電路的設計
    電壓-頻率轉換器把頻率變化信號線性地轉換成電壓變化信號。廣泛地應用于調頻、調相信號的解調等。

    圖2是由TC4538構成的頻率／電壓轉換電路。它對輸入脈沖信號進行微分，把微分電流變換為電壓，再進行平滑獲得輸出電壓。TC4538是單穩(wěn)態(tài)電路，把輸入脈沖變換為具有一定寬度的脈沖。此電路的輸入／輸出之間的關系為U0=-fi×5×R5(C4+C5)。式中，基準電壓+UREF為5V。通常按c4=C5設定參數(shù)。響應速度由R5和R6確定，若頻率變低，則波紋電壓增大，因此，需要在輸出后接低通濾波器。即使波紋較大，但要加快響應速度，還得減小C6。微分電容C4和C5由相對于最高輸入頻率的輸出電壓決定，要選用溫度系數(shù)小而具有溫度補償?shù)奶沾善娙?。例如，輸?～100Hz時其輸出電壓0～5V，根據(jù)輸出／輸入之間關系，C4=C5=5x1MΩ／(5Vx100Hzx2)=5000pF。
1．2．1 TC4538介紹
    TC4538是可觸發(fā)／復位的多諧振蕩器，觸發(fā)器的操作可由2個輸入開頭或結尾來實現(xiàn)。因為輸出單穩(wěn)態(tài)脈沖寬度是由外部電阻和外部電容的時間常數(shù)決定的，這使輸出脈沖寬度的范圍更廣泛成為可能。測量動態(tài)特性的波形如圖3所示。twout=10ms±5％(Rx=100kΩ，Cx=0．1 μF，VDD=10V)。
1．2．2 TC4069電路
    TC4069UB包含六個轉換電路。內部電路是由一個單一階段逆變器組成，這適合應用于CR振蕩器電路，晶體振蕩器電路和線性放大器電路也適用轉換器的情況。由于一階段門電路結構，反應時間應經降低。引腳分布如上圖4左邊電路所示，右邊電路為兩個MOS管組成的非門電路。

1．2．3 TC4066電路
    TC4066B包含四個獨立的雙向開關電路。當控制輸入信號CONT被設置成“H”，開關輸入與輸出間的阻抗變低，當控制輸入信號CONT被設置成“L”，開關輸入與輸出間的阻抗變高。這可以應用于模擬信號和數(shù)字信號間的轉換。4066電路引腳分布圖如下圖5左邊電路所示，右邊電路為4066邏輯電路圖。

1．3 單片機處理電路的設計
    AT89C51單片機的體積小、抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高，片內含4Kbyte的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。P2．4腳用于油泵的啟?？刂?，至于報警電路，則采用晶體管驅動的報警器。壓電式蜂鳴器約10mA的驅動電流，可以用一個晶體管驅動。本設計采用獨立式按鍵接口設計，各按鍵接口獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。
1．4 擴展電路的設計
    74LS373是常用的地址鎖存器芯片，它實質是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要74LS373芯片。74LS373與AT89C51連接如圖6所示。

    8255是Intel公司生產的可編程輸入輸出接口芯片，具有3個8位的并行口I／O口，有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。
1．5 顯示電路的設計
    本設計采用動態(tài)顯示方式。在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選碼并聯(lián)在一起，由位的段選碼并聯(lián)在一起，由一個8位I／O口控制。而共陰極點或共陽極點由一個I／O口線控制。程序控制每個時刻只一位LED顯示，循環(huán)控制選擇每位LED輪流顯示不同字符。電路如圖8所示。
1．6 打印電路的設計
    TpuP-40A是一種由單片機控制的微型智能點陣式打印機，每行可打印40個字符，具有標準的Centronic并行接口，各信號線通過20芯扁平電纜引出，打印機接口電路如圖7所示。

2 總體設計
    移動式加油系統(tǒng)控制電路的硬件設計總體電路圖如圖8所示。它是以AT89C51單片機為核心，外擴8255和BIC8718接顯示器，同時利用74L S138片選四塊顯示器。通過鍵盤輸入單價，加油泵開始加油，利用橢圓齒輪傳感器輸出頻率信號，再通過頻率／電壓轉換電路將頻率信號轉換為電壓信號輸入莫屬轉換器AD0809，經模數(shù)轉換后送入AT89C51單片機，處理之后送入顯示，然后接TpuP-40A打印機打印。

3 結束語
    本系統(tǒng)由傳感器和AT89C51單片機等構成的輸油控制系統(tǒng)，具有較大的通用性，電動機可以換四檔，油的單價也可設置，控制電路不變，比較靈活。本設計可采用一些先進的計算機技術及單片機控制的原理、及自動化儀表等技術綜合設計出本系統(tǒng)的硬件電路。系統(tǒng)能方便、快速在A與B之間輸油并做相應的記錄、打印。顯示輸油的瞬時流量、總量等，操作方便實用?；赥C4538的F／V變換是核心部分，決定著整個系統(tǒng)的控制性能。同時，系統(tǒng)具有操作控制靈活、安全性有保障，對于故障的檢測與控制及時可靠等特點。該控制系統(tǒng)只適用于一些小型的加油系統(tǒng)，如移動式加油車，小型加油站等。