1 引言

 

      流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，在低雷諾數(shù)流體的測(cè)量中廣泛采用浮子流量計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。金屬管浮子流量計(jì)則多用于測(cè)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)較高的精度和可靠性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)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[1]，采用新型電容角位移傳感器[2]測(cè)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(cè)量精度，而且利用其超低功耗的特性極大地延長(zhǎng)電池的使用壽命。同時(shí)，為滿足用戶的使用需要，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)顯示、累計(jì)流量存儲(chǔ)、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)的電池型金屬管浮予流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，現(xiàn)場(chǎng)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(hào)檢測(cè)采用文獻(xiàn)口中的新型電容角位移傳感器，精度可達(dá)1.5級(jí)，功耗較低，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，并可將流量檢測(cè)結(jié)果（字格式）轉(zhuǎn)換為高低兩個(gè)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(cè)

 

      由于實(shí)際使用中被測(cè)流體密度和操作狀態(tài)的改變，必須對(duì)檢測(cè)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(hào)，接一級(jí)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(cè)量精度為1‰，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(shí)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(chǔ)器和512KB的RAM；12位A/D轉(zhuǎn)換器；6組8位I/O口，包括通用I/O口、UART口以及特殊信號(hào)I/O口；驅(qū)動(dòng)液晶能力可達(dá)160段[3]。

 

      如圖1所示，系統(tǒng)采用電池直接供電的方式。單片機(jī)串行通訊口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(cè)信號(hào)作為單片機(jī)的兩路A/D轉(zhuǎn)換器輸入（P6.0/A0，P6.1/A1）對(duì)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(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)152段的液晶顯示，COM0~COM3作為液晶公共端，S0~S37與液晶引腳直接相連。同時(shí)，根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)對(duì)它置入不同的參數(shù)來(lái)達(dá)到與儀表進(jìn)行“交流”的目的，如：鍵入被測(cè)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(huì)自動(dòng)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(chǔ)

 

      為了保存累計(jì)流量，單片機(jī)的P3口外擴(kuò)了一個(gè)EEPROM93LC66（P3.4- 使能EEPROM，P3.5- EEPROM時(shí)鐘，P3.6- 數(shù)據(jù)寫入，P3.7- 數(shù)據(jù)讀出）。93LC66可存儲(chǔ)512字節(jié)的數(shù)據(jù)，讀寫操作時(shí)使用的是字格式，寫入次數(shù)典型值為100萬(wàn)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(duì)模塊的工作進(jìn)行控制，即當(dāng)不進(jìn)行溫壓檢測(cè)、無(wú)角位移傳感器信號(hào)輸入和按鍵中斷產(chǎn)生時(shí)，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(shí)鐘模塊選擇32768Hz低頻時(shí)鐘源。

      ③ 由于程序能快速啟動(dòng)，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(shí)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(dòng)1S定時(shí)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(kāi)始在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，獲得了很好的效果。