基于MSP430F149的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)_圖文

1、2009年1月第1期電子測試EL ECTRON IC TESTJ an. 2009No. 1基于MSP430F149的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)漢澤西1, 徐岳1, 鄭勇2, 甘志強(qiáng)1(1西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院西安710065;2溫州瑞基測控設(shè)備有限公司溫州325029摘要:電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的速度式電磁流量計(jì)。本文對國內(nèi)外電磁流量計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了簡單介紹。在闡述電磁流量計(jì)測量原理的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F149單片機(jī)的LDB 型電磁流量計(jì), 電路以MSP430F149單片機(jī)為核心, 從而簡化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)了液體流量的測量和累積。文中給出了設(shè)計(jì)的總體框圖

2、, 部分硬件電路和控制軟件流程圖。本文設(shè)計(jì)的LDB 生產(chǎn), 經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明, 該設(shè)計(jì)具有高精度, 低功耗和可靠性強(qiáng)等特點(diǎn), 關(guān)鍵詞:MSP430F149; 電磁流量計(jì); 超低功耗中圖分類號:TP216+. 2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADesign of MSP430F1491, Xu Yue 1, Zheng Y ong 2, Gan Zhiqiang 1School of Electronic Engineering ,Xi an Shiyou University ,Xi an 710065,China ;2Rich Measure &Control Equipment CO. ,L TD ,

3、Wenzhou 325029,China Abstract :Elect romagnetic flowmeter which is based on Faradays induction law ,is a velocity 2type flowmeter. In t his paper ,electromagnetic flowmeter at home and abroad for t he develop 2ment of t he stat us and t rends is int roduced in brief. Based on a brief int roductio n

4、of t he elect ro 2magnetic flowmeter measurement principle ,t his article uses MSP430F149MCU to design LDB elect romagnetic flowmeter ,MSP430F149MCU circuit to t he core ,t hus simplifying t he circuit design of hardware perip herals to achieve t he measurement of liquid flow and accumulation. The d

5、iagram of t he overall design ,some hardware and software cont rol flow chart are given. In t his paper ,t he design of t he LDB 2type elect romagnetic flowmeter has been p ut into production ,t he practical applications show t hat t he design of high 2p recision ,low 2power and reliability ,and ot

6、h 2er characteristics of t he design to meet t he basic requirement s. K eyw ords :MSP430F149;electromagnetic flowmeter ;Ult ra 2low power0引言電磁流量計(jì)(elect romagnetic flowmeter ,EM F 是20世紀(jì)中葉隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, 用來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表1。20世紀(jì)80年代以來, 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 使電磁流量計(jì)制造技術(shù)更加成熟和完善, 其應(yīng)

7、用領(lǐng)域更加擴(kuò)大。當(dāng)代的電磁2009. 1Test Tools &Solutions流量計(jì)采用單片機(jī)技術(shù), 用數(shù)字信號處理等措施使電磁流量計(jì)的測量精度和性能不斷提高, 并可充分利用計(jì)算機(jī)具有信息存貯, 分時(shí)處理, 運(yùn)算和控制能力的優(yōu)勢。因此, 比較容易實(shí)現(xiàn)了雙向測量, 空管檢測, 多量程自動(dòng)切換, 人機(jī)對話, 與上位機(jī)通信, 自診斷等附加功能。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測量, 如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì); 各種漿液流量測量, 形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域2。1電磁流量計(jì)測量原理電磁流量計(jì)的測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。即:導(dǎo)電液體在磁場中作切割磁力

8、線運(yùn)動(dòng)時(shí), 導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢, 其感應(yīng)電動(dòng)勢E 的計(jì)算公式為:E =KB V D 式中:K 。測量流量流體流過垂直于流動(dòng)方向的磁場, 導(dǎo)電性液體的流動(dòng)會(huì)感應(yīng)出一個(gè)與平均流速(即體積流量 成正比的電壓, 此電壓通過兩個(gè)與液體直接接觸的電極檢出, 傳至放大器, 然后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的輸出信號。測量原理如圖1所示。 圖1測量原理示意圖這種測量方式具有以下特點(diǎn):(1 測量管內(nèi)無阻流體, 因此無壓力損失。(2 由于信號在整個(gè)充滿磁場的空間中形成, 它是管道截面上的平均值, 因此所需直管段相對較短, 前端長度為DN ×5(DN 為流量計(jì)通徑 。(3 只有管道襯里和電極與被測液體接觸, 因此, 只要

9、合理選擇電極和襯里材料, 即可達(dá)到耐腐蝕、耐磨損的要求。(4 測量所得信號是一個(gè)與平均流速成線性關(guān)系的電動(dòng)勢, 它與液體的壓力、溫度、密度、粘度、電導(dǎo)率(不小于最低電導(dǎo)率 等物理參數(shù)無關(guān), 所以測量精度高, 工作可靠。22. 本設(shè)計(jì)中, 考慮到單片機(jī)的價(jià)格、硬件資源、開發(fā)工具和功耗問題, 選擇了美國德州儀器公司的MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)。美國德州儀器公司(TI 公司的MSP430系列是一個(gè)16位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī), 在1996年問世, 它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段, 其中包括一系列器件, 它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組

10、成, 由五種低電壓模式組成的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為可用電池工作, 并可以有很長時(shí)間的應(yīng)用3。它們具有16位RISC 結(jié)構(gòu)的CPU ,16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器能使微控制器達(dá)到最高的代碼效率, 數(shù)字控制振蕩器使器件在少于6us 的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式被喚醒到活動(dòng)模式。MSP430F149單片機(jī)帶有兩個(gè)內(nèi)置的16位定時(shí)器, 一個(gè)快速的12位A/D 轉(zhuǎn)換器4。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中采用MSP430F149作為主控制MCU , 利用TIP107等電路產(chǎn)生一個(gè)交變的勵(lì)磁電流, 加在傳感器的勵(lì)磁線包上, 產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場, 當(dāng)有流體流過時(shí), 管道內(nèi)的流體切割磁力線產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢, 經(jīng)過信號處理電路處理后, 數(shù)字信號送至單片

11、機(jī)進(jìn)行處理, 運(yùn)算, 再通過流量標(biāo)定系統(tǒng)計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量送至液晶顯示屏顯示。并通測試工具與解決方案2009. 1過D/A 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為420mA 電流量信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳輸出。其原理框圖如圖2所示。圖2電磁流量計(jì)原理圖2. 2信號處理電路, 本設(shè)計(jì)中主要由前置放大電路和濾波電路組成。2. 2. 1前置放大電路 前置放大具有很高的輸入阻抗和共模抑制比, 它的作用是將傳感器兩電極間的電勢差進(jìn)行放大, 而對電極與地面的同相干擾進(jìn)行抑制。本文采用運(yùn)算放大器作前置放大, 放大倍數(shù)為10倍。選擇運(yùn)算放大器時(shí), 選擇了低功耗高精度運(yùn)算放大器OP975。OP97是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OP07系列6的最新型號, 具有低

12、功耗、低噪聲、低偏置電流、低失調(diào)的特點(diǎn)。其電路如圖3所示。圖3前置放大電路圖2. 2. 2低通濾波電路電壓信號經(jīng)前置放大后, 由差動(dòng)信號變換為單端信號, 其輸出幅度較小, 依然不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 必須經(jīng)過再次放大, 由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾, 而輸入信號較小, 因此加入一個(gè)二階低通濾波電路來抑制雜散信號。低通濾波電路選擇壓控電壓源二階低通濾波電路, 在電路中既引入了正反饋又引入了負(fù)反饋。其電路如圖4所示。圖3電磁流量計(jì)在相當(dāng)長的時(shí)間里只能被動(dòng)的接受傳感器傳來的流量信號, 不能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和做出相應(yīng)的判斷。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 單片機(jī)越來越多地應(yīng)用到電磁流量計(jì)中

13、, 逐漸實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的單片機(jī)化, 單片機(jī)應(yīng)用到電磁流量計(jì)中, 軟件設(shè)計(jì)部分就成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)主程序的流程圖7如圖5所示。圖5電磁流量計(jì)主程序流程圖(下轉(zhuǎn)第75頁測試工具與解決方案2009. 1總線數(shù)據(jù)僅為單方向傳輸時(shí), 還可以并接多個(gè)相同的SPI 設(shè)備, 達(dá)到同時(shí)向不同地域多個(gè)器件傳送數(shù)據(jù)的目的。該電路簡單可靠, 在地理空間位置上, 極大地拓展了SPI 器件使用的范圍, 已在多個(gè)項(xiàng)目中得到使用, 并取得良好的效果。參考文獻(xiàn)1孫東, 韓紹坤, 邢懷飛. 自制RS232/RS485轉(zhuǎn)換器應(yīng)用J.電子測量技術(shù),2005(3 :11213. 2馮娟, 黃宏光, 金晶. 基于RS485協(xié)議的

14、解碼器及轉(zhuǎn)換器J.電子測量技術(shù),2006(3 :22226.3成曉慶, 晏波, 黃自祥. RS422、RS 2485接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題J. 電子工程, 2005(1 :32235.4李德慶, 宋斌. RS422/RS485總線模型分析與應(yīng)用J.電子元器件應(yīng)用,2008(1 :41243.5郭靜華, 歐陽斌林. SPI 現(xiàn)J.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 214.6黃軍飛. 改單端不平衡為雙端平衡傳輸轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)制作. 西部廣播電視,2000(6 :123.7MAXIM. http :/www. maxim 2ic. com. cn/pdf serv/en/ds/MAX3093E 2MAX309

15、4E. pdf EB/OL .8MAXIM. http :/www. maxim 2ic. com. cn/pdf serv/en/ds/MAX30402MAX3045. pdf EB/OL .作者簡介梁德堅(jiān)(19642 , 男, 實(shí)驗(yàn)師, 華中科技大學(xué)控制工程研究生, 研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用, 智能控制。E 2mail :ldjltyx. com劉玉瓊(女, 實(shí)驗(yàn)師, 桂林電子, 研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制126. com(上接第67頁4結(jié)論本文設(shè)計(jì)的基于MSP430F149單片機(jī)的LDB 型電磁流量計(jì)實(shí)物如圖6所示, 該流量計(jì)是用來測量各種導(dǎo)電液體或液固兩相介質(zhì)的體積流量, 包括變送器

16、和智能轉(zhuǎn)換積算儀兩部分。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明, 該儀表具有測量精度高、顯示讀數(shù)直觀、功耗低、無可動(dòng)件、可靠性強(qiáng)、壽命長、防爆、防酸、防堿等優(yōu)點(diǎn), 基本滿足設(shè)計(jì)要求。適合水、酸、堿、鹽、泥漿等導(dǎo)電流體測量, 可廣泛適用于鋼鐵、 石油、化工、水廠、醫(yī)藥、釀造等行業(yè)的流體測量及控制8。參考文獻(xiàn)1蔡武昌. 電磁流量計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:6210.2蔡武昌, 馬中元. 電磁流量計(jì)M .北京:中國石化出版社,2004:5216.3胡大可. MSP430系列FL ASH 型超低功耗電量16位單片機(jī)M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001:45273.4魏小龍. MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002:56262.5Low Power , High Precision Operational AmplifiersOP97Data sheet M .2003:325. 6Ultraslow Off setVoltage OperationalAmplifiersOP07Data sheet M .2002:225.7