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詳細(xì)介紹
在物資量計量領(lǐng)域中，流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強(qiáng)物料管理、能源管理，進(jìn)行物資交接、財務(wù)結(jié)算，經(jīng)濟(jì)核算，效益分析與評價及至決策的重要依據(jù)；也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護(hù)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。氣體渦輪流量計是一種速度式儀表，它具有壓力損失小、度高、始動流量低、抗振與抗脈動流性能好等特點。 目前國內(nèi)所生產(chǎn)的渦輪流量計產(chǎn)品大多只有簡單的計數(shù)顯示器，客戶無法直接從管路中氣體流動狀況了解流量計實際運行情況。
本文介紹了一種帶溫度壓力補(bǔ)償?shù)臍怏w渦輪流量計的設(shè)計，通過溫壓補(bǔ)償，把工況的流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀況的流量， 同時本裝置采用了低功耗的單片機(jī)以及液晶顯示等， 大大延長了電池的使用壽命。
1．1、系統(tǒng)組成：
氣體渦輪流量計由霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、MSP430F149 單片機(jī)、 液晶顯示電路、存儲電路和軟件組成。 系統(tǒng)框架圖如圖 1 所示，其中單片機(jī)為氣體渦輪流量計的核心，本系統(tǒng)采用 TI 的 MSP430F149 單片機(jī)，其***突出的優(yōu)點是超低功耗，能有效延長供電電池的使用壽命［1］。 氣體渦輪流量計的渦輪旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器產(chǎn)生一個電脈沖信號，經(jīng)過信號處理電路輸入單片機(jī)，溫度和壓力傳感器采集的信號經(jīng)信號處理電路同樣輸入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行運算處理 。 所得的流速和流量數(shù)據(jù)采用2 總線存儲到 2 存儲器中并顯示在液晶顯I C E PROM 示器上 。
| 圖 1 | 系統(tǒng)框架圖 |
系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化模塊 ， 信號檢測模塊 ， 數(shù)據(jù)處理模塊 ， 液晶顯示模塊 ， 數(shù)據(jù)存儲模塊以及定時中斷服務(wù)模塊等 。
1．2、系統(tǒng)工作原理：
該設(shè)計能實時將氣體流速準(zhǔn)確地顯示出來 同， 時計算并顯示累計流量 。 氣體流過渦輪流量計推動渦輪旋轉(zhuǎn) 渦輪每旋轉(zhuǎn)一次 霍爾傳感器輸出一個，電脈沖 電脈沖信號經(jīng)處理電路輸入單片機(jī)，由單片機(jī)計算出流速 而此時的流速為工況 非標(biāo)準(zhǔn)狀， （ 況 ） 下的流速 由于氣體密度受氣體溫度和壓力影響 ， 不同的溫度和壓力環(huán)境下所測氣體體積會有差別 ， 所以必須轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)狀況 （20 ，0．1013MPa 或者 0 ，0．1013MPa） 下的氣體流速 ， 此過程是由單片機(jī)參考溫度和壓力傳感器所測的溫度和壓力值通過計算所實現(xiàn)的，同時每秒鐘進(jìn)行一次流量積累計算從而得出累計流量［2］。 將單片機(jī)計算得出的標(biāo)況下的流速和流量存儲到串口數(shù)據(jù)存儲器，并將流速實時顯示在串口液晶顯示模塊上。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計：
2．1、單片機(jī)的選擇：
單片機(jī)為本系統(tǒng)的核心，因此選擇合適的單片機(jī)至關(guān)重要， 考慮到流量計系統(tǒng)低能耗方面的要求， 本系統(tǒng)采用 TI 公司的 MSP430F149 單片機(jī)，它是一款專門為低功耗而設(shè)計的高性能 16 位單片機(jī)， 系統(tǒng)中有一種活動模式 AM 和 5 種低功耗模式LPM0～LPM4， 根據(jù)系統(tǒng)運行時使用的功能模塊不同，采用不同的工作模式，它支持多種中斷源，用中斷請求將 CPU 喚醒只需要 6μs。 通過對單片機(jī)編程可有效降低系統(tǒng)的功耗。 MSP430F149 單片機(jī)結(jié)合了 TI 的高性能模擬技術(shù) ， 含有豐富的片內(nèi)外設(shè) 包， 括 ： 看門狗 （WDT）， 定時器 A（Timer－A）， 定時器 B（Timer－B）， 模擬比較器 A， 硬件乘法器 ，12 位 ADC，串口 0，1（USART0，1）， 直接數(shù)字存取 （DMA）， 基本定時器（Basic Timer）等。 如此豐富的片內(nèi)外設(shè)為系
統(tǒng)的單片解決方案提供了極大方便。
2．2 溫度、壓力傳感器的選擇
溫度和壓力傳感器選擇的原則是：在保證精度的前提下，***大限度降低功耗。 本系統(tǒng)采用壓力傳感器芯片 MS5535B，它是一個集成度高，功能強(qiáng)大的集成芯片，由一個硅壓阻傳感器和一個集成傳感器接口電路組成，測壓范圍為（0～14）bar，供電電壓2．2V～3．6V， 工作溫度 （－40～125）℃ ， 具有低供電電壓、 低功耗的特點。 溫度傳感器選用 TI 公司的TMP102 低功耗數(shù)字傳感芯片， 在－25 ～＋85 的量程內(nèi)精度為 0．5 ，要求輸入電壓為 1．4V～3．6V，測量信號由雙線串行接口輸出，它有很低的工作電流，工作狀態(tài)供電電流為 10μA，休眠模式下電流為 1μA，符合本設(shè)計低功耗的要求。
2．3、存儲電路和液晶顯示電路：
本設(shè)計中將所計算出的流速、流量等數(shù)據(jù)存儲在存儲器中， 采用 I2C 總線的 E2PROM 存儲器24C16，24C16 是串行的 E2PROM 存儲器， 存儲容量達(dá)到 16K，SCL 為時鐘線，SDA 為數(shù)據(jù)線， 原理圖如圖 2 所示， 其中 SCL2 接單片機(jī) P4．6，SDA2 接單片機(jī) P4．5［3－4］。
圖 2 24C16 E2PROM 存儲器原理圖
為了達(dá)到低功耗的要求， 本設(shè)計選用 HT1620存儲器映射的多功能 LCD 驅(qū)動器，其操作電壓為 2．4V～3．3V，3V 時操作電流小于 3μA， 低操作電流有效地降低了液晶模塊的功耗， 其顯示段數(shù)為 128 （32×4）， 內(nèi)部集成有 LCD 控制器 ，LCD 驅(qū)動器和RAM。 單片機(jī)和 HT1620 的連線如圖 3 所示， 其中P2．3 連接 HT1620 的片選端，P2．0 連接數(shù)據(jù)線，P2．1和 P2．2 分別連接讀寫控制線。
圖 3 單片機(jī)與液晶顯示模塊連線圖
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計：
3．1、數(shù)據(jù)處理過程：
此系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要由主程序和中斷處理程序組成。 其中主程序和中斷處理程序分別由多個子程序構(gòu)成。 主程序主要包括： 系統(tǒng)初始化程序， LED 顯示子程序等。 中斷處理程序主要包括：流量檢測子程序，溫度壓力檢測子程序，按鍵輸入子程序，流量補(bǔ)償算法子程序等。 流量計初次上電時系統(tǒng)初始化，顯示歷史流量數(shù)據(jù)、當(dāng)前的時間、壓力、溫度和電池電量。 在無操作的情況下延時一段時間后 LCD 自動關(guān)閉顯示，進(jìn)入低功耗模式 3（LPM3）狀態(tài)。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷事件時，CPU 從低功耗的模式中被喚醒，并判斷是何種中斷事件，進(jìn)而進(jìn)入中斷處理程序。
3．2、程序軟件框圖：
系統(tǒng)上電開機(jī)后首入初始化模塊，然后進(jìn)入低功耗模式 3（LPM3）狀態(tài)并判斷有無中斷，若無中斷，系統(tǒng)自動返回；如有中斷，單片機(jī)運行中斷處理程序，進(jìn)行相應(yīng)處理，中斷操作進(jìn)行完之后再一次進(jìn)入低功耗模式 3，進(jìn)而等待下一次終端操作。 程序流程圖如圖 4 所示。
圖 4 系統(tǒng)程序流程圖
4、實驗和數(shù)據(jù)分析：
經(jīng)過試驗，本流量計的精度能保持在流量為 0．2Qmax（含 0．2Qmax）～Qmax（Qmax 為***大流量 ）時精度為±1．0％R（R 為流量），Qmin～0．2Qmax（Qmin 為***小流量）時精度為±1．5％R，重復(fù)性小于等于基本誤差的 1/3，各項指標(biāo)基本滿足技術(shù)任務(wù)書的要求。
溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計的工作原理：
傳感器內(nèi)的渦輪在流體作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使信號檢測器的磁場產(chǎn)生變化，因此在信號檢測器的線圈中感應(yīng)出交變電壓，在經(jīng)過放大器放大、濾波、整形輸出方波信號。此信號電壓的頻率與葉輪的轉(zhuǎn)速成正比，即與流體的流量（流速）成正比。
溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計的應(yīng)用：
溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計的應(yīng)用是80年代興起的一種測量技術(shù)，其優(yōu)點在于量程范圍寬、維護(hù)簡單、介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等。目前，它在蒸汽和其它氣體測量中逐步取代其它類型的流量計，得到廣泛應(yīng)用。hart協(xié)議是美于80年代提出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備通訊的協(xié)議，它具有兼容4~20ma模擬信號與數(shù)字通信的性質(zhì)。溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計是在現(xiàn)有渦輪流量計的基礎(chǔ)上，加入溫度和壓力參數(shù)的測量，并將hart通訊協(xié)議引入流量計中，設(shè)計出集溫度、壓力、流量測量于一體的帶有hart協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計。經(jīng)研究表明，這種渦輪流量計不僅具有溫壓補(bǔ)償功能，而且實現(xiàn)了與上位機(jī)的遠(yuǎn)程操作，具有廣闊的發(fā)展前景。
溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計特點：
優(yōu)質(zhì)合金渦輪，具有更高的穩(wěn)流和耐腐蝕作用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)專用軸承，使用壽命長計量室與通氣室隔絕，保證了儀表的行流安全性溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計可檢測被測氣體的溫度、壓力和流量，能進(jìn)量自動跟蹤補(bǔ)償，并顯示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（pb=101.325kpa,tb=293.15k）的氣體體積累積量；可實時查詢溫度壓力數(shù)值流量范圍寬（qmax/qmin≥20:1)，重復(fù)性好，精度高（可達(dá)1.0級），壓力損失小，始動流量低，可達(dá)0.6m3/h智能化儀表系數(shù)多點非線性修正。
內(nèi)置式壓力、溫度傳感器，安全性能高、結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計具有防爆及防護(hù)功能，防爆標(biāo)志為exiaⅱct6gb， 防護(hù)等級為ip65系統(tǒng)低功耗工作，一節(jié)3.0v10ah鋰電池可連續(xù)使用3年以上儀表系數(shù)、累計流量值掉電十年不丟。
溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計不僅具有普通儀表的量程、零點、單位轉(zhuǎn)換等功能外，而且符合hart協(xié)議的要求，可與上二位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作， 由上位機(jī)遠(yuǎn)程讀取瞬時流量、累積流量等參數(shù)，或?qū)α砍?、零點、單位等進(jìn)行設(shè)置，便于實時監(jiān)控。同時，由于引入了溫度、壓力信號的補(bǔ)償。溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計的測量精度大為提高。因此，這種帶有hart協(xié)議的溫壓補(bǔ)償型氣體渦輪流量計在國內(nèi)必將具有良好的發(fā)展前景。
5、結(jié)語：
本文介紹了基于 MSP430 單片機(jī)的氣體渦輪流量計的設(shè)計方法，由于該方案從硬件、軟件兩方面進(jìn)行低功耗的設(shè)計，因而系統(tǒng)功耗顯著降低，有效延長了供電電池的使用壽命。
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