摘要:文中介紹新型金屬管浮子流量計(jì)的設(shè)計(jì)。為降低功耗,采用以MSP430單片機(jī)為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。詳細(xì)介紹信號檢測、溫壓補(bǔ)償、液晶顯示、人機(jī)界面、累計(jì)存儲模塊,并列出軟件低功耗設(shè)計(jì)要點(diǎn)和程序主流程,F(xiàn)場使用效果良好。
1引言
流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一個重要參數(shù),在低雷諾數(shù)流體的測量中廣泛采用浮子流量計(jì)來實(shí)現(xiàn),其具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壓損小且穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn),一直廣泛用于氣體、液體的流量測量和自動控制系統(tǒng)中。金屬管浮子流量計(jì)則多用于測量高溫、高壓及腐蝕性介質(zhì)。
本文以最大限度地降低整機(jī)功耗和實(shí)現(xiàn)較高的精度為目標(biāo),推出一種電池型金屬管浮子流量計(jì)。根據(jù)體積流量與浮子高度的非線性關(guān)系”,采用新型電容角位移傳感器2]測量浮子高度,克服傳統(tǒng)金屬管浮子流量計(jì)存在的機(jī)械磨損和機(jī)械遲滯的缺點(diǎn)。轉(zhuǎn)換器部分則選用16位MSP430F43X單片機(jī)作為系統(tǒng)核心進(jìn)行流量計(jì)算與控制,不但保證了測量精度,而且利用其超低功耗的特性極大地延長電池的使用壽命。同時,為滿足用戶的使用需要,系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了現(xiàn)場顯示、累計(jì)流量存儲、鍵盤管理的人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)儀表的智能化。本文所設(shè)計(jì)的電池型金屬管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,現(xiàn)場使用效果良好。
2硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。浮子信號檢測采用新型電容角位移傳感器,精度可達(dá)1.5級,功耗較低,實(shí)時性好,可靠性高,并可將流量檢測結(jié)果(字格式)轉(zhuǎn)換為高低兩個字節(jié)串行輸出,故可與單片機(jī)的USART口直接相連,使用十分方便。
溫壓檢測由于實(shí)際使用中被測流體密度和操作狀態(tài)的改變,必須對檢測到的流量進(jìn)行修正。溫度傳感器選用TMP36溫度傳感器,量程范圍較寬(40℃~125℃,輸出為電壓信號,接一級運(yùn)放放大后便可直接作為單片機(jī)的A/D口輸入。壓力傳感器采用154N型擴(kuò)散硅壓力傳感器,測量精度為1%o,具有較好的線性度和低功耗特性,能夠?qū)崿F(xiàn)零位校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。
單片機(jī)及人機(jī)接口此部分是實(shí)現(xiàn)金屬管浮子流量計(jì)低功耗和智能處理的關(guān)鍵。相比于MCS和PIC等系列,MSP430系列單片機(jī),是超低功耗、功能強(qiáng)大、高集成度的16位單片機(jī)。本系統(tǒng)選用的是MSP430F435,工作電壓范圍1.8V~3.6V;5種節(jié)電模式,每1MHz功耗電流0.1μA~400μA,同時能夠在實(shí)現(xiàn)液晶顯示的情況下只耗電0.8μA;片內(nèi)16KB的Flash存儲器和512KB的RAM;12位A/D轉(zhuǎn)換器;6組8位I/0口包括通;用I/0口、UART口以及特殊信號I/0口;驅(qū)動液晶能力可達(dá)160段。
如圖1所示,系統(tǒng)采用電池直接供電的方式。單片機(jī)申行通訊口USARTO與電容角位移傳感器采用三針(P2.5/URXD0發(fā)送,P2.4/UTXD0接收,P2.3下降沿控制)直接相連的異步模式傳輸數(shù)據(jù),其傳輸格式為:前導(dǎo)碼,流量高字節(jié),流量低字節(jié),和校驗(yàn)。為傳輸可靠,波特率設(shè)為2400bps。溫度、壓力傳感器輸出的檢測信號作為單片機(jī)的兩路A/D轉(zhuǎn)換器輸入(P6.0/A0,P6.1/A1)對流量值進(jìn)行修正。顯示部分則利用MSP430F435內(nèi)部集成的160段液晶驅(qū)動器驅(qū)動一個152段的液晶顯示,C0M0~C0M3作為液晶公共端,S0~S37與液晶引腳直接相連。同時,根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際需要,系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)界面。P1.5~P1.7口接用戶界面可視的3鍵鍵盤,用戶通過對它置入不同的參數(shù)來達(dá)到與儀表進(jìn)行“交流”的目的,如:鍵入被測介質(zhì)工況下的密度、溫度、壓力,想要設(shè)置的流量顯示精度、單位等條件,流量計(jì)便會自動按照所置入的條件更改當(dāng)前的設(shè)置或做相應(yīng)的處理。
累計(jì)存儲為了保存累計(jì)流量,單片機(jī)的P3口外擴(kuò)了一個EEPROM93LC66(P3.4使能EEPROM,P3.5EEPROM時鐘,P3.6數(shù)據(jù)寫.入,P3.7數(shù)據(jù)讀出)。93LC66可存儲512字節(jié)的數(shù)據(jù),讀寫操作時使用的是字格式,寫入次數(shù)典型值為100萬次,有工作和休眠兩種方式,交替使.用以降低功耗。
3軟件設(shè)計(jì)
低功耗設(shè)計(jì)為降低系統(tǒng)功耗,僅靠硬件的設(shè)計(jì)還不夠,必須有相應(yīng)的軟件配合。①對模塊的工作進(jìn)行控制,即當(dāng)不進(jìn)行溫壓檢測、無角位移傳感器信號輸入和按鍵中斷產(chǎn)生時,關(guān)閉CPU和MCLK使單片機(jī)進(jìn)入LPM3低功耗模式。②系統(tǒng)基礎(chǔ)時鐘模塊選擇32768Hz低頻時鐘源。③由于程序能快速啟動,充分利用中斷方式喚醒系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài),如:與角位移傳感器通信時采用中斷接收方式,按鍵采用P1口的外部中斷功能。
主程序流程.上電后,先進(jìn)行初始化完成各控制寄存器初始配置和保存的累計(jì)流量數(shù)據(jù)的讀取及轉(zhuǎn)化,然后啟動1s定時中斷,之后進(jìn)入低功耗模式3,直至有中斷為止。系統(tǒng)主流程圖如圖2所示。
本文設(shè)計(jì)的金屬管浮子流量計(jì)具有較低的功耗和較高的穩(wěn)定性,滿度誤差控制在1.5%以內(nèi),并已開始在工業(yè)現(xiàn)場使用,獲得了很好的效果。
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