摘要:文中介紹新型金屬管浮子流量計的設計。為降低功耗,采用以MSP430單片機為核心的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。詳細介紹信號檢測、溫壓補償、液晶顯示、人機界面、累計存儲模塊，并列出軟件低功耗設計要點和程序主流程�，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來實現(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，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功耗和實現(xiàn)較高的精度為目標，推出一種電池型金屬管浮子流量計。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)金屬管浮子流量計存在的機械磨損和機械遲滯的缺點。轉(zhuǎn)換器部分則選用16位MSP430F43X單片機作為系統(tǒng)核心進行流量計算與控制，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)還設計了現(xiàn)場顯示、累計流量存儲、鍵盤管理的人機交互界面，實現(xiàn)儀表的智能化。本文所設計的電池型金屬管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，現(xiàn)場使用效果良好。
2硬件設計
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1.5級，功耗較低，實時性好，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，故可與單片機的USART口直接相連，使用十分方便。
溫壓檢測由于實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，接一級運放放大后便可直接作為單片機的A/D口輸入。壓力傳感器采用154N型擴散硅壓力傳感器，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)零位校準和溫度補償。
單片機及人機接口此部分是實現(xiàn)金屬管浮子流量計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，是超低功耗、功能強大、高集成度的16位單片機。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160段。
如圖1所示，系統(tǒng)采用電池直接供電的方式。單片機申行通訊口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:前導碼，流量高字節(jié)，流量低字節(jié)，和校驗。為傳輸可靠，波特率設為2400bps。溫度、壓力傳感器輸出的檢測信號作為單片機的兩路A/D轉(zhuǎn)換器輸入(P6.0/A0，P6.1/A1)對流量值進行修正。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)場實際需要，系統(tǒng)還設計了友好的人機界面。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)來達到與儀表進行“交流”的目的，如:鍵入被測介質(zhì)工況下的密度、溫度、壓力，想要設置的流量顯示精度、單位等條件，流量計便會自動按照所置入的條件更改當前的設置或做相應的處理。
累計存儲為了保存累計流量，單片機的P3口外擴了一個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軟件設計
低功耗設計為降低系統(tǒng)功耗，僅靠硬件的設計還不夠，必須有相應的軟件配合。①對模塊的工作進行控制，即當不進行溫壓檢測、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使單片機進入LPM3低功耗模式。②系統(tǒng)基礎時鐘模塊選擇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，先進行初始化完成各控制寄存器初始配置和保存的累計流量數(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。
本文設計的金屬管浮子流量計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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