智能渦輪流量計(jì)的研究與應(yīng)用

word文檔可自由復(fù)制編輯摘要流量測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、生物技術(shù)、軍事工程和科學(xué)研究等領(lǐng)域占據(jù)重要位置，因此，流量測(cè)量?jī)x表的研究和開發(fā)應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的意義。智能渦輪流量計(jì)是流量測(cè)量?jī)x表中不可缺少的一員，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善。基于單片機(jī)的智能渦輪流量計(jì)流量計(jì)，選用以軸向型智能渦輪流量計(jì)作為測(cè)量系統(tǒng)。按照模塊化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)硬件部分分為不同的功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。在硬件方面采用了低消耗的MSP430F14單片機(jī)為核心，軟件設(shè)計(jì)方面采用了C語(yǔ)音編程，軟件編程中考慮到了低消耗，可靠性的要求。在外圍器件選型和軟件編制過(guò)程中進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，極大地降低了儀表的功耗，使流量計(jì)具有較高的可靠性。通訊方面可以選擇R485和HART總線方式，方便了儀表與上位機(jī)的連接。LCD顯示和鍵盤方便了用戶的操作。本文的智能渦輪流量計(jì)系統(tǒng)具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、重量輕、工作可靠、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)，本系統(tǒng)初步達(dá)到了流量計(jì)量的目的，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理，功能完善，硬件和軟件設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求。關(guān)鍵詞：渦輪流量計(jì)；單片機(jī)；MSP430；HART總線AbstractFlowmeasurementoccupyanimportantpositioninindustrialproduction,energymeasures,environmentalprotection,transportation,biotechnology,engineering,militaryscienceandotherfields.Therefore,therearefar-reachingsignificanceresearchanddevelopmentapplicationsinflowmeasurementinstrument.IntelligentTurbineFlowmeterisanindispensableinstrument,whicharecontinuouslydevelopedandimprovedwiththedevelopmentofmoderncomputertechnology.Basedonsinglechipmicrocomputerintelligentturbineflowmeter,choosetoaxialturbineflowtypeintelligenceasmeasuringsystem.Systemhardwareweredesignedthroughdividedintodifferentfunctionalmodules.InthehardwareofthelowconsumptionMSP430F14microcontrollerasthecore,softwaredesignusingCspeechprogramming,softwareprogrammingconsideredlowconsumption,reliabilityrequirements.Inthecourseofdesign,reducethepowerconsumptionoftheinstrumentgreatly,andmaketheflowmeterhaveahighreliability.ItbouthhasR485andtheHARTbus,soconnecttoPCveryconveniently.Usercanoperatetheturbineflowmetereasily,throughLCDdisplayandkeyboard.Thispaperintelligentturbineflowmetersystemhaslowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,highprecision,lightweight,reliableworking,cheapprice,etc.Keywords：Turbineflowmeter;Singlechipmicrocomputer;MSP430;HARTbus目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract II第一章引言 11.1題目背景和意義 11.2題目的研究現(xiàn)狀概述 21.3課題研究的主要內(nèi)容 3第二章渦輪流量計(jì)的原理與組成結(jié)構(gòu) 52.1渦輪流量計(jì)的基本原理 52.2渦輪流量計(jì)的組成結(jié)構(gòu) 62.3渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)分類 82.4渦輪流量計(jì)特點(diǎn) 82.5渦輪流量計(jì)的線性特性 92.5.1渦輪流量計(jì)特性 92.5.2渦輪流量計(jì)特性 10第三章智能渦輪流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì) 113.1系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì) 113.1.1硬件電路設(shè)計(jì)原則 113.1.2硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 113.1.3單片機(jī)的選取 123.2電源電路 163.3流量測(cè)量電路 173.3.1霍爾開關(guān)工作原理 173.3.2流量測(cè)量原理及電路 183.3.3開關(guān)量輸入電路 183.3.4放大整形電路 193.4實(shí)時(shí)時(shí)鐘 193.5顯示部分 203.6按鍵設(shè)計(jì) 223.7RS-485通訊部分 223.8HART通訊部分 233.9儲(chǔ)存單元 25第四章結(jié)論 26參考文獻(xiàn) 27謝辭 28word文檔可自由復(fù)制編輯第一章引言1.1題目背景和意義在物資量計(jì)量領(lǐng)域中，流體流量的檢測(cè)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(cái)務(wù)結(jié)算，經(jīng)濟(jì)核算，效益分析與評(píng)價(jià)及至決策的重要依據(jù)；也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，使其保護(hù)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運(yùn)行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計(jì)量就是眼睛，計(jì)量就是金錢，計(jì)量就是效益。現(xiàn)代企業(yè)對(duì)流量計(jì)量的要求越來(lái)越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性和自動(dòng)化水平的程度等方面，計(jì)量的準(zhǔn)確可靠性愈來(lái)愈受到社會(huì)各界的關(guān)注。氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表。它具有壓力損失小、精確度高、始動(dòng)流量低，抗振與抗脈動(dòng)流性能好等特點(diǎn)。廣泛使用于石油、化工、電力工業(yè)鍋爐等燃?xì)庥?jì)量和燃?xì)庹{(diào)壓站、輸配氣管網(wǎng)天然氣、城市天然氣計(jì)量等領(lǐng)域并可廣泛用于貿(mào)易計(jì)量。目前，國(guó)內(nèi)在氣體流量計(jì)特別是氣體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)、制造與鑒定技術(shù)及設(shè)備裝備水平方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美國(guó)家。而且國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的渦輪流量計(jì)產(chǎn)品大多只有簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)顯示器，客戶無(wú)法直接從管路中氣體流動(dòng)狀況了解流量計(jì)實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)性能與質(zhì)量也不能與國(guó)外氣體流量計(jì)相比。隨著中國(guó)與國(guó)際市場(chǎng)接軌的步伐加快，低精度流量計(jì)的使用會(huì)受到越來(lái)越大的限制，而高精度流量計(jì)將需求旺盛。人們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)在很大程度上取決于檢測(cè)和儀表。無(wú)論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域中，還是在日常生活中都與檢測(cè)有著密切的關(guān)系。具體地說(shuō)，為了及時(shí)了解一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或?qū)嶒?yàn)進(jìn)展，就必須經(jīng)常測(cè)試能夠表征它們特性、狀態(tài)的各物理參數(shù)量，如電壓、電流、溫度、壓力、流量、液位、成分等。對(duì)這些參數(shù)的大小、變化方向等進(jìn)行監(jiān)督和控制，就能使產(chǎn)生過(guò)程或?qū)嶒?yàn)的工況處于最佳狀態(tài)，做到安全、經(jīng)濟(jì)，最終到達(dá)預(yù)期的結(jié)果。檢測(cè)技術(shù)則是指人們?yōu)榱硕ㄐ粤私饣蚨空莆兆匀滑F(xiàn)象或狀態(tài)所從事的一系列技術(shù)措施。流量是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中的重要的測(cè)量參數(shù)之一，與溫度、壓力、物位同為熱工量。流量測(cè)量的意義在于既可以指導(dǎo)生產(chǎn)，同時(shí)又是規(guī)范工藝操作的需要和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù)。由于流量這個(gè)參數(shù)受流體的工作條件影響，對(duì)其檢測(cè)有相當(dāng)?shù)碾y度。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)中各種不同的場(chǎng)合和各種不同的測(cè)量目的，各種流量計(jì)量?jī)x表就應(yīng)運(yùn)而生【10】。公共汽車運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)成本相當(dāng)大部分來(lái)源于每日消耗在公共汽車上的汽車燃油。燃油是消耗量大、成本高的原材料。節(jié)約燃油對(duì)降低生產(chǎn)的成本效果很可觀。汽車燃油的消耗已引起了相關(guān)管理部門的高度重視，但因汽車燃油沒(méi)有準(zhǔn)確的計(jì)量裝置而無(wú)法落實(shí)管理。因此采取安裝燃油計(jì)量裝置的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)公共汽車的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于對(duì)汽車的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考核和杜絕燃油的浪費(fèi)現(xiàn)象。節(jié)約燃料不僅有直接的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)減少汽車尾氣污染、保護(hù)環(huán)境也起到積極的作用。減少燃油的浪費(fèi)可少想空氣中排放二氧化碳、氧化氮、二氧化硫等有害氣體降低空氣中的這些氣體濃度可防止酸雨，減輕對(duì)人們的呼吸系統(tǒng)的傷害和影響植物的生長(zhǎng)。當(dāng)前，酸雨正在加速對(duì)人類文明文化遺產(chǎn)古建筑的破壞，破壞程度觸目驚心，所以減少污染與降低生產(chǎn)成本同樣重要。安裝流量計(jì)的目的就是建立節(jié)約的理念，監(jiān)督和提示使用燃油時(shí)注意保護(hù)環(huán)境，提高運(yùn)輸效率，降低生產(chǎn)成本，也利于對(duì)汽車上的關(guān)鍵設(shè)備--發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行間接監(jiān)測(cè)，合理利用設(shè)備，延長(zhǎng)汽車大維修，減少和避免設(shè)備故障解決時(shí)因經(jīng)驗(yàn)不足難以判斷準(zhǔn)確的缺欠，減少維修量，節(jié)約維修費(fèi)。1.2題目的研究現(xiàn)狀概述流量測(cè)量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測(cè)量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測(cè)量尼羅河的流量。我國(guó)著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測(cè)水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利（Torricelli）奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測(cè)量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測(cè)量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過(guò)程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對(duì)流量測(cè)量的需求急劇增長(zhǎng)，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動(dòng)儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國(guó)發(fā)展近代流量測(cè)量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量?jī)x表均從國(guó)外進(jìn)口，直到20世紀(jì)30年代中期才出現(xiàn)光華精密機(jī)械廠所制造的家用水表，50年代有了新成儀表廠所開發(fā)的文丘黑管流量計(jì)，60年代開始渦輪、電磁流量計(jì)的生產(chǎn)。至今我國(guó)已形成一個(gè)相當(dāng)規(guī)模從事流量測(cè)量技術(shù)與儀器研究開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)，從事流量?jī)x表研究和生產(chǎn)的單位超過(guò)230家。我國(guó)90年代初流量?jī)x表產(chǎn)量估計(jì)超過(guò)250萬(wàn)臺(tái)。1938年，第一只渦輪流量計(jì)在美國(guó)問(wèn)世，發(fā)展到今天，已經(jīng)成為流量測(cè)量?jī)x表門類中的一個(gè)重要產(chǎn)品系列。渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器與之配套的顯示流量的顯示儀表兩部分構(gòu)成。它具有測(cè)量精度高、重復(fù)性好、體積小、重量輕、維修方便、加工零部件及數(shù)字脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn)，由它組成的流量測(cè)量系統(tǒng)可達(dá)國(guó)際商業(yè)貿(mào)易允許的計(jì)量誤差要求。這種系統(tǒng)的成功應(yīng)用在國(guó)際上已有幾十年以上的歷史了，在國(guó)外液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運(yùn)及集輸站，大型原油輸管線首末站都大量采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）早已制訂了“API2534：用渦輪流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴”的標(biāo)準(zhǔn)，并在世界得到公認(rèn)。流量測(cè)量的手段是用流量計(jì)，流量計(jì)是現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量中重要的儀表之一，為了適應(yīng)各種用途，各種類型的流量計(jì)相繼問(wèn)世，投入使用的類型有上百種。根據(jù)其測(cè)量方法和結(jié)構(gòu)原理大致分為差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等等。流量顯示儀表的發(fā)展經(jīng)過(guò)了機(jī)械運(yùn)算記錄圖表式，模擬運(yùn)算機(jī)械計(jì)數(shù)式，簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算數(shù)顯示和微處理器運(yùn)算及多功能數(shù)字顯示四個(gè)過(guò)程。自從單片機(jī)出現(xiàn)后，各種各樣的智能流量顯示儀不斷出現(xiàn)，取代了原有的傳統(tǒng)的機(jī)械式或者純模擬、數(shù)字電路構(gòu)成的流量顯示儀。智能流量顯示儀以單片機(jī)具有使用方便、工作可靠、可進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。從上世紀(jì)80年代以來(lái)，各種智能流量顯示儀就不斷出現(xiàn)，功能也不斷擴(kuò)展、完善。智能流量顯示儀正朝著低功耗、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能方向發(fā)展。具體來(lái)說(shuō)，智能流量顯示儀可以實(shí)現(xiàn)流量及其它信號(hào)的采集、流量計(jì)算累加及補(bǔ)償計(jì)算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及打印等功能，根據(jù)用戶的不同需要，開發(fā)人員可以設(shè)計(jì)出具有不同功能的智能流量顯示儀來(lái)。1.3課題研究的主要內(nèi)容本文研究的是一種新型渦輪流量計(jì)。它的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了功能強(qiáng)大的CPU，使得外圍芯片減少，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)可動(dòng)部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，另外，系統(tǒng)的功耗低、速度快，這些都是本設(shè)計(jì)的考慮要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。對(duì)當(dāng)今的各種流量計(jì)的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對(duì)比，設(shè)計(jì)一個(gè)智能型渦輪流量計(jì)方案；研究并劃分智能渦輪流量為總量，瞬時(shí)及分段流量的顯示功能。一個(gè)智能流量積算系統(tǒng)就是要充分利用單片機(jī)體積小、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)并配合一些外圍器件，通過(guò)編制合理的軟件程序完成流量高精度的積算的較先進(jìn)的一種計(jì)量系統(tǒng)。它可以充分利用系統(tǒng)的軟、硬件資源，方便完成高精度的補(bǔ)償運(yùn)算，并根據(jù)配接的流量傳感器類型通過(guò)良好的人機(jī)界面完成參數(shù)設(shè)置，調(diào)用不同的數(shù)學(xué)模型完成相應(yīng)的積算。智能渦輪流量計(jì)是一種精密流量測(cè)量?jī)x表，與相應(yīng)的流量積算儀表配套可用于測(cè)量液體的流量和總量。它具有精密度高，重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，耐高壓，測(cè)量范圍寬，體積小，重量輕，壓力損失小，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。它的壓力損失小，葉輪具有防腐功能。

第二章渦輪流量計(jì)的原理與組成結(jié)構(gòu)2.1渦輪流量計(jì)的基本原理渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，其由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。當(dāng)流量計(jì)工作時(shí)，被測(cè)流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入流量顯示儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)即可求出瞬時(shí)流量和累積流量。Q=f/k(2.1)式中：Q—流經(jīng)傳感器的流量（m3/s）f—電脈沖頻率（Hz）k—儀表系數(shù)（1/m3）渦輪傳感器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動(dòng)并沖擊渦輪葉片時(shí)，便有管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動(dòng)的電勢(shì)信號(hào)，此脈動(dòng)信號(hào)的頻率與被測(cè)流體的流量成正比，k是渦輪傳感器的重要特性參數(shù)，其代表每立方米流量有幾個(gè)脈沖，或者每升流量有幾個(gè)脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長(zhǎng)期使用的磨損情況而變化。盡管渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)尺寸相同，但實(shí)際加工出來(lái)的渦輪幾何參數(shù)卻不會(huì)完全一樣，因而每臺(tái)渦輪傳感器的儀表常數(shù)k也不完全一樣，其通常是制造廠在常溫下用潔凈的水標(biāo)定出來(lái)的。渦輪傳感器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。作用在渦輪上的力矩可分為以下幾個(gè)：流體通過(guò)渦輪式對(duì)葉片產(chǎn)生的切向推動(dòng)力矩M1；液體沿渦輪表面流動(dòng)是產(chǎn)生的粘帶摩擦力矩M2；軸承的摩擦力矩M3；磁電轉(zhuǎn)換器對(duì)渦輪產(chǎn)生的電磁反作用阻力矩M4.由此建立渦輪的運(yùn)動(dòng)微分方程：J=M1-(M2+M3+M4)(2.2)式中：J為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度；為時(shí)間；為角加速度。當(dāng)流量恒定時(shí)，渦輪達(dá)到勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，，則M1=(M2+M3+M4)。經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得：通過(guò)特定的推導(dǎo)公式，可以得到渦輪流量與渦輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)速并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。為了簡(jiǎn)化應(yīng)用，通常省略比較小的高次分量，得出一個(gè)線性表達(dá)式，即Q=f／K，現(xiàn)有的檢定規(guī)程也采用平均K系數(shù)來(lái)作為渦輪流量計(jì)品質(zhì)判定。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結(jié)構(gòu)及流體工作條件。至今渦輪流量計(jì)儀表特性仍舊不是很清楚，它與流體物性及流動(dòng)特性有復(fù)雜的關(guān)系。但是理論流量方程有巨大的意義，它可以指導(dǎo)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)使用條件時(shí)儀表系數(shù)變化規(guī)律的預(yù)測(cè)和估算。2.2渦輪流量計(jì)的組成結(jié)構(gòu)渦輪流量計(jì)通過(guò)數(shù)顯儀表(流量積算儀)，將渦輪流量計(jì)輸出的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)流量和累積流量，并顯示出來(lái)。根據(jù)數(shù)顯儀表(數(shù)采系統(tǒng))接收的輸入信號(hào)種類和功能不同，可以完成放大整形、單位換算、頻率與電流／電壓轉(zhuǎn)換、積算、累積，如圖2.1所示。圖2.1渦輪流量計(jì)框圖渦輪流量傳感器主要由殼體1、導(dǎo)向體2、葉輪3、軸和軸承5、信號(hào)檢出器及壓緊圈6組成，同時(shí)還應(yīng)配有與之相配合的前連接管7和后連接管8。具體各個(gè)部件的配合如圖2.2所示。（1）殼體。殼體是傳感器的主體部分，其起到承受被測(cè)液體的壓力、固定安裝檢測(cè)部件、連接管道的作用，殼體采用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬質(zhì)合金制造。對(duì)于大口徑傳感器，亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)，殼體外壁裝信號(hào)檢出器。1-殼體2-導(dǎo)向體3-葉輪4-信號(hào)檢出器放置處5-軸和軸承6-壓緊圈7-前連接管8-后連接管圖2.2渦輪流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)(2)導(dǎo)向體。在傳感器進(jìn)出口裝有導(dǎo)向體，其對(duì)流體起導(dǎo)向整流以及支承葉輪的作用，通常選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。(3)渦輪。亦稱葉輪，是傳感器的檢測(cè)部件，其由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來(lái)增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率，葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)，葉輪的動(dòng)平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。(4)軸與軸承。其支承葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。其決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是重要問(wèn)題。(5)信號(hào)檢出器。常用變磁阻式，由永久磁鐵、導(dǎo)磁棒(鐵芯)、線圈等組成。永久磁鐵對(duì)葉片有吸引力，產(chǎn)生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時(shí)，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項(xiàng)，為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格，小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。輸入信號(hào)有效值在10mV以上的可直接配用流量計(jì)算機(jī)，配上放大器則輸出伏級(jí)頻率信號(hào)。(6)壓緊圈。為了固定導(dǎo)向體，應(yīng)配有合適的壓緊圈。(7)前后連接管。為了能更加準(zhǔn)確地測(cè)量液體的流量，殼體前后應(yīng)該連接長(zhǎng)度相當(dāng)于管徑1O倍以上的前連接管和相當(dāng)于管徑5倍以上的后連接管。2.3渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)分類（1）軸向型葉輪軸中心與普通軸線重合，是TUF的主要產(chǎn)品，有多種規(guī)格。（2）切向型葉輪軸與管道軸線垂直，流體流向葉片平面的沖角約90度，適用于小口徑微流量測(cè)量，在大口徑流量測(cè)量時(shí)也用到了插入式的切向型渦輪流量計(jì)。（3）井下專用型適用于石油開采井下作業(yè)使用，測(cè)量介質(zhì)有泥漿及油氣流等，傳感器體積受限制，需耐高溫、高溫及流體沖擊等。（4）自校正雙渦輪型可用于天然氣體流量測(cè)量，傳感器由主、輔雙葉輪組成，可由兩葉輪的轉(zhuǎn)速差自動(dòng)校正流量特性的變化。（5）廣粘度型在波特型浮動(dòng)轉(zhuǎn)子壓力平衡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)大上椎體與下椎體的直徑，增加粘度補(bǔ)償翼及承壓葉片等結(jié)構(gòu)措施，使傳感器適用于高粘度液體。（6）插入型插入型流量傳感器由測(cè)量頭、插入桿、插入機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)換器及儀表表體等部分組成【2】。2.4渦輪流量計(jì)特點(diǎn)渦輪流量計(jì)多年來(lái)用于工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，并一直得到廣泛的應(yīng)用，其具有如下主要特點(diǎn)：（1）測(cè)量精度高。渦輪流量計(jì)的測(cè)量精度是指示值得0.05%-0.2%之間，在線性范圍內(nèi)，即使流量發(fā)生變化，累計(jì)流量準(zhǔn)確也不會(huì)發(fā)生變化。（2）壓力損失較小。在最大流量下其壓力損失為0.01-0.1MPa(3)流量測(cè)量范圍寬。最大和最小流量比通常為6:1到10:1，適用于流量大幅度變化的場(chǎng)合。（4）重復(fù)性好。短期重復(fù)性可達(dá)0.05%-0.2%。由于良好的重復(fù)性，經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)即可得到很高的精度。（5）耐高壓、耐腐蝕。由于具有較簡(jiǎn)單的外形且采用磁電感應(yīng)結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)耐高壓設(shè)計(jì)，故可適用于高壓管路液體的測(cè)量，采用抗腐蝕材料制造，使得流量計(jì)耐腐蝕性能良好。（6）可獲得很高的頻率信號(hào)（3-4KHz），信號(hào)分辨能力強(qiáng)。通過(guò)傳輸線路不會(huì)降低其精度，容易進(jìn)行累積顯示，易于送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，無(wú)零點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)。（7）機(jī)構(gòu)緊湊輕巧，安裝維護(hù)方便，流通能力大。（8）專業(yè)性傳感器類型多?？筛鶕?jù)用戶特殊需要設(shè)計(jì)各種專用型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型及混沙專用型等。2.5渦輪流量計(jì)的線性特性2.5.1渦輪流量計(jì)特性理想的線性特性曲線是平行于，軸的直線。但由于液體水力特性的影響和葉輪上所受的阻力矩作用的結(jié)果，實(shí)際的特性曲線具有高峰特性，高峰出現(xiàn)在傳感器上限量程的(20—3O)％FS。產(chǎn)生高峰特性的原因是，當(dāng)流量減少到某一數(shù)值時(shí)，作用于渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩和粘滯力矩都相應(yīng)減少，但因粘滯力矩減少顯著，所以渦輪的轉(zhuǎn)速反而會(huì)提高，特性曲線出現(xiàn)高峰。隨著流量的進(jìn)一步減少，作用在渦輪上的所有阻力矩的影響相對(duì)突出，渦輪轉(zhuǎn)速降得快，特性曲線明顯下降。只有流量增大到超過(guò)某一值時(shí)，作用在渦輪上的旋轉(zhuǎn)力矩增大，在與阻力矩達(dá)到平衡時(shí)，特性曲線才趨于平直，如圖2.3所示。圖2.3渦輪流量計(jì)特性曲線圖流量計(jì)檢定規(guī)程運(yùn)用的主要計(jì)算公式：儀表K系數(shù)的計(jì)算公式：每個(gè)檢定點(diǎn)的儀表平均系數(shù)：儀表系數(shù)：流量計(jì)的線性度：如為新制造的流量計(jì)線性度：2.5.2渦輪流量計(jì)特性頻率一流量特性是表示輸出信號(hào)頻率(f)與體積流量()之間的關(guān)系。其特性曲線如圖2.4。理想的曲線應(yīng)是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條直線。但從線性特性分析可知，在實(shí)際的流量測(cè)量過(guò)程中，儀表系數(shù)K隨流量大小的變化而有所變化，故其輸出脈沖數(shù)與流量大小的變化偏離理想的曲線，如圖4所示。通過(guò)圖中特性線所示的流量計(jì)實(shí)際工作直線，流量和頻率之間實(shí)際是一條帶截距的工作直線(理想的工作直線是過(guò)原點(diǎn))。通過(guò)圖2.4可看到，只要特性線是一條直線或者是一條可以量化的特性線，均可利用特性線得到準(zhǔn)確的流量值。圖2.4渦輪流量計(jì)特性曲線圖第三章智能渦輪流量計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)3.1.1硬件電路設(shè)計(jì)原則本文在硬件設(shè)計(jì)時(shí)的步驟及遵循的原則：首先要選擇最主要的芯片或元器件，在流量顯示儀中就是對(duì)信號(hào)處理和運(yùn)算的核心——單片機(jī)芯片的選擇。它決定著硬件整體方案的設(shè)計(jì)和其它芯片及元器件的選擇。分別設(shè)計(jì)各個(gè)外圍硬件模塊，選擇典型電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化。設(shè)計(jì)外圍硬件模塊時(shí)，注意單片機(jī)資源的分配和應(yīng)用，如單片機(jī)的管腳分配、單片機(jī)內(nèi)部集成模塊的應(yīng)用等。充分和合理利用單片機(jī)資源不但可以減少外圍電路設(shè)計(jì)的工作量，而且可以提高整機(jī)的可靠性。設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，要結(jié)合軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案發(fā)生相互影響時(shí)，考慮的原則是：功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件的結(jié)構(gòu)。這樣可以減少硬件的復(fù)雜性，所付出的代價(jià)是占用較長(zhǎng)CPU運(yùn)行時(shí)間。在所實(shí)現(xiàn)功能相同的情況下，都選擇低消耗芯片、元器件及設(shè)備?？煽啃约翱垢蓴_設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)所必須考慮的，它包括芯片、元器件選擇、濾波、印刷電路板布線。3.1.2硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本課題設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)由流量傳感器、微處理器、LCD顯示、HART模塊、按鍵等組成。該系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為核心，配合外圍器件，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場(chǎng)顯示，通訊，按鍵設(shè)置等功能。原理圖如圖3.1所示。圖3.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.3單片機(jī)的選取在低消耗電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要考慮的是單片機(jī)型號(hào)的選擇。選擇單片機(jī)除了要考慮的功能和開發(fā)環(huán)境外，在低消耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，特別要關(guān)注的是單片機(jī)本身的功耗和它所能提供的節(jié)能措施?？紤]到流量計(jì)系統(tǒng)低消耗方面的要求，我們采用了TI公司的MSP430單片機(jī)芯片，它是專門為低功耗而設(shè)計(jì)的新型16位單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)推出時(shí)間不是很長(zhǎng)，但由于其卓越的性能，在短短幾年的時(shí)間發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛，MSP430系列單片機(jī)針對(duì)各種不同的應(yīng)用，包括一系列不同型號(hào)的器件，主要特點(diǎn)有[1、2]：1.超低功耗MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用1.8-3.6低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下僅耗電0.1，活動(dòng)模式耗電250/MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)指令數(shù)），10輸入輸出口的漏電電流最大僅為50nA。MSP430系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各種模塊所需要的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的功能模塊不同，即采用不同的功能模塊，芯片的功耗有明顯的差異。在系統(tǒng)中共有一個(gè)活動(dòng)模塊AM和5種低功耗模塊LPM0-LPM4.另外，MSP430系列單片機(jī)采用矢量中斷，支持十多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒只要6，通過(guò)合理編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對(duì)外部事件做出快速響應(yīng)。2.強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的MCO51單片機(jī)要12個(gè)周期才可以執(zhí)行一條指令），使MSP430在8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可以達(dá)到8MPIS(注意：8MPIS的指令速度，在運(yùn)算性能上16位處理器比8微處理器高遠(yuǎn)不止兩倍)同時(shí)，MSP430系列單片機(jī)的某些型號(hào)，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加功能、DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的一些算法（如FFT、DTMF等）。這種結(jié)構(gòu)在其它系列單片機(jī)尚未使用。3.高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機(jī)結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外段。視型號(hào)不同可能組和有以下工能模塊：看門狗（WDT）、模擬比較器A，定時(shí)器A（Timer_A），定時(shí)器B（Timer_B），串口0.1（USART0.1）,硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)器，10位/12位/14位ADC，12位DAC，12C總線，直接數(shù)字存?。―MA），端口1-6（P1-P6），基本定時(shí)器(BasicTimer）等。其中，看門狗可以在程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)出（10-11位）高精度的A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器具有捕獲/比較功能；大量的捕獲/比較寄存器，可以用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；多功能串口可時(shí)序異步、同步和I2C串行通信，可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的10端口，最多達(dá)6*8條IO口線，IO輸出時(shí)，不管是灌電流還是拉電流，每個(gè)端口的輸出晶體管都能夠限制輸出電流，保證系統(tǒng)安全；P0，P1，P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速度，最高可達(dá)200kb/s，性能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字波形合成等性能；硬件I2C串行接口可以擴(kuò)展I2C4.系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振和穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂苼?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，在目前各系列單片機(jī)中是絕無(wú)僅有的。5.方便高效的開發(fā)環(huán)境目前，MSP430系列單片機(jī)有0TP型、Flash型和ROM型的器件，國(guó)內(nèi)大量使用的是Flash型的。這些器件的開發(fā)手段不同，對(duì)于0TP型和ROM型的器件是使用專門仿真器，開發(fā)成功后再燒寫和掩膜芯片。對(duì)于Flash型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可點(diǎn)擦寫的Flash存儲(chǔ)器，因此采用先通過(guò)JTAG接口下載程序到Flash內(nèi)，再由JTAG接口控制程序運(yùn)行、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)，以及存儲(chǔ)器內(nèi)容等信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試，整個(gè)開發(fā)都可以在同一個(gè)軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式只需要一臺(tái)PC和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要專門仿真器和編程器。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言【5】。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技術(shù)，利用它可以在保密熔絲燒斷以后，只要幾根硬件連接，通過(guò)軟件口令字（密碼），就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序，這為系統(tǒng)固件的升級(jí)提供又一方便手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可達(dá)32個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度【6】。3.1.4MSP430F149的結(jié)構(gòu)介紹MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗性能的單片機(jī)品種。它適合應(yīng)用在各種要求極低功耗的場(chǎng)合，具有一定的技術(shù)特點(diǎn)。在這個(gè)系列中有多個(gè)型號(hào)，它們由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。它們都具有開發(fā)設(shè)備簡(jiǎn)便、可現(xiàn)場(chǎng)編程等特點(diǎn)。MSP430系列采用存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，即用一個(gè)公共的空間對(duì)全部功能模塊尋址，同時(shí)用精簡(jiǎn)指令組對(duì)全部功能模塊進(jìn)行操作【9.10】。圖3.2是MSP430F14x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.2MSP430F149的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖MSP430F149單片機(jī)引腳如下圖3.3所示。圖3.3MSP430F149的引腳圖3.2電源電路作為一個(gè)系統(tǒng)的原動(dòng)力，電源常常被認(rèn)為是整個(gè)系統(tǒng)的心臟。電源配置時(shí)應(yīng)充分考慮到干擾的隔離與抑制。因此，應(yīng)根據(jù)電路配置狀況很好地解決電源供給問(wèn)題[24]。DC-DC變換器是信號(hào)拾取通道中的理想化固體電源，它們可以為信號(hào)拾取通道的各種模擬電路提供隔離電源，并可以將電路浮置起來(lái)而與其它地線無(wú)關(guān)。DC-DC變換器的輸入回路與輸出回路是隔離的，這樣通過(guò)選用DC-DC變換器就切斷了系統(tǒng)主電源與信號(hào)拾取通道電源間的干擾渠道，有效地實(shí)現(xiàn)了電源隔離。對(duì)于用電池供電的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題是隨著電池的使用，其儲(chǔ)存的能量逐漸消耗，將產(chǎn)生電壓不穩(wěn)的問(wèn)題，不但會(huì)引起系統(tǒng)工作不正常，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致元器件的損壞。在電池供電系統(tǒng)中選擇開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器可以獲得較高的效率和較低的熱耗，從而可有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)通過(guò)在輸出級(jí)添加適當(dāng)?shù)臑V波電路，還能夠?qū)⑤敵鲭妷杭y波降至較小的范圍。DC/DC轉(zhuǎn)換器為轉(zhuǎn)變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需求可采用三類控制。PWM控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長(zhǎng)時(shí)間使用，尤其小負(fù)載時(shí)具有耗電小的優(yōu)點(diǎn)。PWM/PFM轉(zhuǎn)換型小負(fù)載時(shí)實(shí)行PFM控制，且在重負(fù)載時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到PWM控制。DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要功能是提供穩(wěn)定，即能夠?qū)⒉环€(wěn)定的輸入電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的輸出電壓，輸出電壓不隨輸入電壓或輸出電流的變化而變化。通常，選擇電源芯片的目的是從不穩(wěn)定的電源獲得穩(wěn)定的輸出電壓，有些情況下則是將一個(gè)穩(wěn)定的電源電壓轉(zhuǎn)換成另一個(gè)不同電壓的輸出，這種情況下，電源調(diào)節(jié)器只是用于改變電壓的電平，不需穩(wěn)壓。電源電路的作用主要是給測(cè)量系統(tǒng)供電，本測(cè)量系統(tǒng)主要是靠3.6V的鋰電池供電，為了最大限度降低功耗，單片機(jī)及所有的外圍芯片在選型時(shí)的工作電壓都是3.3Ｖ，所以系統(tǒng)電源必須滿足兩點(diǎn)要求：1.在電池電壓高于3.3V的時(shí)候必須起到將高電壓降至3.3V的作用。2.使用一段時(shí)間后由于電池電量的下降，電壓也隨之下降，勢(shì)必低于3.3V。這時(shí)電源必須起到把低電壓升壓到3.3V的作用。為了達(dá)到以上性能要求，在設(shè)計(jì)電源時(shí)選擇了austriamicrosystems公司的AS1325穩(wěn)壓片。AS1325是集成了同步整流器的高效升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，其效率為96%。在輸出電壓為3.3V的條件下，該器件可提供1.5至5V的供電電壓。當(dāng)輸入電壓低于2V，；輸出電壓為3.3V時(shí)，輸出電流可達(dá)185mA。完全可以滿足系統(tǒng)的供電需求。另外本系統(tǒng)采用理光R3111H301C3.0V電壓檢測(cè)芯片，當(dāng)電壓低于3.0V時(shí)，P1.0輸出低電平，P1.0下降沿中斷有效，進(jìn)入中斷處理，顯示“換電池”同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。電源電路的連接如圖3.4所示。圖3.4電源電路原理圖3.3流量測(cè)量電路3.3.1霍爾開關(guān)工作原理當(dāng)一個(gè)通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì)U，其表達(dá)式：U=K×I×B/d（3.1）其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。霍爾開關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用操作要求。3.3.2流量測(cè)量原理及電路按圖3.5所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來(lái)可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾?，磁體每經(jīng)過(guò)霍爾電路一次，便輸出一個(gè)電壓脈沖。圖3.5旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置由此，可對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物實(shí)施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測(cè)。在轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)葉輪和磁體，用流體（氣體，液體）去推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，便可構(gòu)成流速、流量傳感器【8】。渦輪流量計(jì)流量測(cè)量顯示如圖3.6所示。圖3.6渦輪脈沖采集框圖3.3.3開關(guān)量輸入電路1、開關(guān)量的隔離（1）隔離的作用隔離的主要作用是：使低壓電路與大功率的電源隔離；外部現(xiàn)場(chǎng)器件與傳輸線同數(shù)字電路隔離，以免計(jì)算機(jī)受損；限制地回路與地線的錯(cuò)接而帶來(lái)的干擾；多個(gè)輸入電路之間的隔離。（2）開關(guān)量的隔離方法光電隔離、繼電器隔離、繼電器和光電耦合器雙重隔離。2、開關(guān)量的輸入電路裝在裝置面板上的觸點(diǎn)。這類觸點(diǎn)包括裝置調(diào)試時(shí)用或運(yùn)行個(gè)定期檢查裝置用的鍵盤觸點(diǎn)，以及切換裝置上作方式出的轉(zhuǎn)換開關(guān)等。從裝置外部經(jīng)過(guò)端子排引入裝置的觸點(diǎn)。需要由運(yùn)行人員不打開裝置外蓋而在運(yùn)行中切換的各種壓板、連接片、轉(zhuǎn)換開關(guān)以及其他裝置和操作繼電器等。本文通過(guò)TLP521-4光電耦合器構(gòu)成開關(guān)量的輸入電路圖，如圖3.7所示。圖3.7開關(guān)量的輸入電路3.3.4放大整形電路放大整形電路圖如圖3.8所示圖3.8放大整形電路3.4實(shí)時(shí)時(shí)鐘在智能儀表中需要隨時(shí)查看當(dāng)前時(shí)間或歷史記錄，這就需要系統(tǒng)有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘有兩個(gè)方案：一是使用CPU自身資源方便地構(gòu)造時(shí)鐘單元。二是使用外圍時(shí)鐘芯片。本系統(tǒng)選擇的是后者，主要原因有兩點(diǎn)【11】。由于儀表是電池供電對(duì)功耗的要求非?？量?，而整個(gè)系統(tǒng)中CPU式耗電大戶，如果使用CPU自身運(yùn)算時(shí)鐘必消耗大量的CPU資源。這樣就會(huì)使CPU進(jìn)入休眠模式的時(shí)間縮短，功耗上升，大大降低了電池的使用壽命。在氣體流速平緩時(shí)CPU不需要重復(fù)的測(cè)量，只需定時(shí)測(cè)量一次即可，其它時(shí)間處于休眠狀態(tài)。時(shí)鐘芯片可以再規(guī)定時(shí)間內(nèi)周期性的產(chǎn)生中斷喚醒CPU，而在不需要讀取時(shí)間的時(shí)候，時(shí)鐘芯片本身工作不需要CPU的參與，延長(zhǎng)了電池使用壽命。本系統(tǒng)選擇的是PHILIPS公司的PCF8563，這是一款含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報(bào)警功能定時(shí)器功能時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能。內(nèi)部時(shí)鐘電路，內(nèi)部振蕩電路，內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路以及兩線制I2C主線通訊方式不但使外圍電路及其簡(jiǎn)潔而且也增加了芯片的可靠性同時(shí)每次讀寫數(shù)據(jù)后內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。PCF8563與單片機(jī)的電路連接如圖3.9所示。圖3.9時(shí)鐘模塊電路圖其中電容C3的取值范圍為1-20pF，備用電池可選用3V紐扣電池。當(dāng)系統(tǒng)意外斷電時(shí)，備用電池給PCF8563，使其繼續(xù)工作。上電后單片機(jī)讀出的時(shí)間久不會(huì)因?yàn)閿嚯姸l(fā)生錯(cuò)誤。3.5顯示部分顯示模塊是人機(jī)接口的一個(gè)重要組成部分，友好的顯示界面能夠方便操控者的讀數(shù)和進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。本測(cè)量系統(tǒng)的顯示需要完成顯示測(cè)得的瞬時(shí)流量與累計(jì)流量，系統(tǒng)時(shí)間，并提供用戶簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置界面。選用的顯示模塊為低消耗OCMJ4X8C-3液晶顯示模塊，其主要顯示參數(shù)如下：電源：VDD2.7-+5.5V；低功耗模式：30μA；顯示內(nèi)容：128列×64列；顯示角度：6點(diǎn)鐘直視；LCD類型：STN；與MCU接口：8位并行/3位串行；配置有LED背光顯示功能；帶有自動(dòng)啟動(dòng)復(fù)位按鈕；一般來(lái)說(shuō)采用并行連接方式具有速度快，CPU消耗低的特點(diǎn)，但是連線較串行復(fù)雜?？紤]到本設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)中MSP430單片機(jī)的外圍模塊比較多，占用了較多的接口，而MSP430F149的接口有限，所以顯示屏與單片機(jī)的連接方法選用為串行接口的連接方法。如圖3.10所示。在設(shè)計(jì)中用單片機(jī)的三個(gè)普通I/O口與液晶模塊連接即可。CS為片選端，平時(shí)在LCD不用時(shí)可以置低，以降低功耗。SCLK為串行時(shí)序的輸入端，SID為數(shù)據(jù)輸入端，通過(guò)這兩個(gè)端口的配合，單片機(jī)就可以把要顯示的數(shù)據(jù)寫入LCD了。圖3.10LCD與單片機(jī)的連接3.6按鍵設(shè)計(jì)按鍵電路考慮到設(shè)計(jì)的儀表主要用來(lái)測(cè)量流量，所以鍵盤并不需要很多按鍵。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵的鍵盤，即↑、↓、Cancel、Enter，最多可完成8種任務(wù)。其中，各個(gè)鍵的功能為：↑和↓鍵的功能相似，在菜單狀態(tài)時(shí)可以上下移動(dòng)光標(biāo)，選擇需要進(jìn)入的功能。在進(jìn)入某個(gè)功能后↑和↓起的作用是調(diào)整參數(shù)大大小，按一次↑鍵參數(shù)加一，而按一次↓鍵則參數(shù)減一。Enter鍵為選擇功能鍵。按下Enter鍵，系統(tǒng)將進(jìn)入某個(gè)選定的功能狀態(tài)。此時(shí)↑和↓鍵可以選擇需要修改的參數(shù)，按一次Enter鍵，進(jìn)入修改參數(shù)狀態(tài)，狀態(tài)改完后按Cancel鍵則可推出。Cancel鍵Enter鍵功能相反，由于MSP430F147單片機(jī)的P1口具有中斷功能，所以采用P1.1、P1.2、P1.3、P1.4四個(gè)端口作為按鍵的輸入接口。按鍵與單片機(jī)之間連接的原理圖如下圖3.7所示。3.7RS-485通訊部分在自動(dòng)化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS-422標(biāo)志的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡水發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求：（1）接收器的輸入電阻RIN≥12KΩ（2）驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓（3）輸入端的電容≤50pF（4）在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1.5V（5）接收器的輸入靈敏度200mV（即V+-V-≧0.2V，表示信號(hào)“0”；V++V-≦-0.2V，表示信號(hào)“1”）因此RS-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)（32個(gè)）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用MAX3485作為RS-485接口芯片，該芯片的主要技術(shù)參數(shù)為：工作電源為3~3.6V,工作電流1mA，數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps。當(dāng)驅(qū)動(dòng)60Ω負(fù)載時(shí)（RS-485網(wǎng)絡(luò)終端匹配電阻120Ω的并聯(lián)值）峰值電流可達(dá)50mA。本系統(tǒng)采用的MSP430F149單片機(jī)包含了兩個(gè)USART模塊，可以很方便的和MAX3485連接。再RS-485通訊過(guò)程中MAX3485芯片把信號(hào)轉(zhuǎn)變成RS-485標(biāo)準(zhǔn)需要的電平發(fā)送到計(jì)算機(jī)或終端，從計(jì)算機(jī)或終端接收數(shù)據(jù)然后發(fā)送給USART。原理圖如圖3.11所示圖3.11RS-485原理圖圖中，MAX3485的R0腳與單片機(jī)的P3.4/UTXD0相連，作為通信電路的數(shù)據(jù)接收。DI腳與P3.5/URXD0相連，作為通信電路的數(shù)據(jù)輸出。RE與DE接入P3.7和P3.6作為MAX3485的使能端。3.8HART通訊部分流量計(jì)除了具有RS485通信功能以外，還嵌入了HART總線接口技術(shù)，進(jìn)一步提高了通信的距離，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜、精確的控制【18.19】。如圖3.12所示，HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT和D/A轉(zhuǎn)換器AD421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。其中AD421通過(guò)串行接口接收現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部MCU傳送的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測(cè)量結(jié)果【15.16】。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號(hào)，對(duì)其帶通濾波和放大之后進(jìn)行載波接測(cè)，如果檢測(cè)到FSK頻移鍵控信號(hào)，則將1200Hz的信號(hào)解調(diào)為“1”，2200Hz信號(hào)解調(diào)為“0”，并通過(guò)串口通信傳輸給MSP430，MSP430接收命令幀并作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。之后，MSP430產(chǎn)生要發(fā)回的應(yīng)答幀，應(yīng)答幀的數(shù)字信號(hào)由A5191HRT調(diào)制成相應(yīng)的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號(hào)，并經(jīng)過(guò)發(fā)送信號(hào)整型電路進(jìn)行波形整形后，經(jīng)AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。圖3.12HART通信模塊結(jié)構(gòu)圖本設(shè)計(jì)中當(dāng)A5191HRT接收時(shí)，從4～20mA環(huán)路上接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號(hào)并解調(diào)為數(shù)字信號(hào)，傳送給MSP430；發(fā)送時(shí)，從MSP430接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)制和波形整形后耦合到AD421內(nèi)部，通過(guò)AD421疊加到環(huán)路上。A5191HRT和MSP430通過(guò)后者的通用串行通信接口連接。電路圖如圖3.13所示。圖3.13HART通信模塊電路圖AD421是ADI公司推出的單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器，主要由電壓調(diào)整器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流放大器組成。電壓調(diào)整器由運(yùn)放、帶隙基準(zhǔn)和外接ＦＥＴ調(diào)整管組成，能夠從環(huán)路中獲取電流，為AD421和其他器件提供3.0V、3.3V、或5.0V可選擇的供電電壓【7】。數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用∑－ΔDAC結(jié)構(gòu)，將1