低功耗電磁流量計的設計與實現(xiàn)

杜清府，任文建，張 超

(山東大學(威海)機電與信息工程學院，山東威海 264209)

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低功耗電磁流量計的設計與實現(xiàn)

杜清府，任文建，張 超

(山東大學(威海)機電與信息工程學院，山東威海 264209)

傳統(tǒng)電磁流量計大多采用交流220 V或直流24 V供電，勵磁電流高達250 mA左右，耗能高，成本高。文中設計了一種基于MSP430F4794單片機的低功耗電磁流量計，采用3．6 V鋰電池供電，勵磁方式采用三值梯形波勵磁，勵磁電流僅為30 mA。圍繞低功耗詳細敘述了DC-DC升降壓電路、三值梯形波勵磁電路、信號處理電路、MSP430F4794單片機控制及外圍電路。經(jīng)實驗測試，該電磁流量計能夠滿足用戶需求。

電磁流量計;MSP430F4794;低功耗;三值梯形波勵磁

0 引言

電磁流量計是一種基于法拉第電磁感應定律測量導電液體體積流量的儀表。由于其測量不受介質(zhì)性能的影響、無壓力損失和抗腐蝕性等特點，得到了越來越廣泛的應用[1]。傳統(tǒng)電磁流量計功率大、耗能高，無法滿足低功耗的要求，且大多采用低頻兩值矩形波勵磁，由于矩形波存在電平突變，磁場變化率dB/dt過高，引入微分干擾和同相干擾，同時兩值勵磁容易引起零點不穩(wěn)導致電磁流量計無法測量小流量導電液體，測量范圍受到限制。

本文在對傳統(tǒng)電磁流量計大量研究的基礎上，設計了一種鋰電池供電的低功耗電磁流量計，供電電壓為3．6 V，勵磁電流僅有30 mA，功耗大大降低，相對于傳統(tǒng)勵磁方式，采用三值梯形波勵磁，減小了微分干擾和同相干擾，同時提高了零點穩(wěn)定性和測量精度。

1 原理

電磁流量計的傳感器電極兩端輸出信號由式(1)表示[2]：

(1)

圖1 三值梯形波勵磁

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由DC-DC升降壓電路、勵磁電路、流量信號調(diào)理電路以及MSP430F4794單片機等部分構成。鋰電池為整個電路提供電源，選用兩節(jié)一次性鋰電池并聯(lián)使用，型號ER34615H，標稱電壓3．6 V，標稱容量為19 AH，儲存壽命超過10年；鋰電池輸出電壓經(jīng)DC-DC升降壓電路轉(zhuǎn)換成3．3 V和±5 V供勵磁電路、信號處理電路、單片機、液晶等使用；勵磁電路輸出恒定電流給電磁流量傳感器的勵磁線圈，線圈感生出恒定磁場，流體流過測量管道切割磁力線，傳感器的一對電極感生出電壓；電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路濾波放大后，由單片機A/D采集；超低功耗的MSP430F4794單片機為系統(tǒng)電路的控制核心，控制勵磁電路輸出三值梯形波，完成流量信號的運算以及液晶的顯示和按鍵輸入的反饋等。

圖2 系統(tǒng)框圖

2．1 DC-DC升降壓電路

DC-DC升降壓電路分為兩種DC-DC電路，分別產(chǎn)生3．3 V和±5 V，如圖3所示。TPS65130芯片產(chǎn)生5 V，該芯片在低負載時有Power-Save Mode，由于±5 V主要使用在放大器上，所以電路中使能此種模式，轉(zhuǎn)換效率達90%以上，同時該芯片可通過單片機的P1．0和P1．1來使能轉(zhuǎn)換電路，當關閉轉(zhuǎn)換電路時，該芯片會與負載斷開，進一步減少功耗。TPS62736芯片產(chǎn)生3．3 V，該芯片是超低功耗的降壓轉(zhuǎn)換器，針對50 mA的輸出電流進行了優(yōu)化，靜態(tài)電流只有380 nA，轉(zhuǎn)換效率在90%以上，與TPS65130一樣可以通過單片機的P1．3來切換芯片的兩種狀態(tài)Buck Mode和Standby Mode，Buck Mode為正常轉(zhuǎn)換狀態(tài)，Standby Mode則關閉轉(zhuǎn)換器以減少功耗，同時該芯片可以檢測輸入電壓的高低，當?shù)陀谠O定值時，可以通過P1．2向單片機發(fā)送信號，從而當電池沒有電的時候提醒用戶更換。

圖3 DC-DC升降壓電路

2．2 梯形波勵磁電路

梯形波勵磁電路如圖4所示。電壓3．3 V為DC-DC芯片降壓后得到，傳統(tǒng)電磁流量計大多采用24 V勵磁，此電路只需要3．3 V是由于采用了DMC2004芯片，該芯片內(nèi)部含有1個NMOS管和1個PMOS管，開啟電壓小于1 V，當Vgs大于1．2 V時，NMOS導通電阻小于0．035 Ω，PMOS的導通電阻小于0．065 Ω，耗能少，符合低功耗的要求。

圖4 梯形波勵磁電路

恒流源電路采用低功耗放大器TLC2252，電流大小為Uz/R3，該電路取R3=39 Ω，恒流源約為30 mA．LM385、R1和C1是梯形波形成的關鍵，LM385為低功耗的參考電壓芯片，C1充電到參考電壓1．235 V，形成梯形的一邊，放電時形成另一邊。

P2．0、P2．1、P2．2的邏輯曲線如圖5所示。

圖5 邏輯曲線

t1時段，P2．1高電平，P2．2低電平，T2、T3導通，T1、T4截止，勵磁線圈L1上的電流由B到A(假設從B到A為正)， T2、T3導通的同時，P2．0由低電平變?yōu)楦唠娖?，電容C1開始充電，Uz由0近似線性增加，上升速率由R1,C1參數(shù)決定，當電壓增加到1．235 V時，LM385開始導通，穩(wěn)定在1．235 V，這個過程勵磁線圈電流也由0上升到30 mA，并穩(wěn)定在30 mA；t2時段，P2．1、P2．2電平維持不變，P2．0由高電平變成低電平，C1放電，Uz線性降低，電流也從30 mA降到0；t3時段，P2．1、P2．2都為高電平，T1、T2都截止，勵磁線圈L1上的電流為0；T4時段，P2．1低電平、P2．2高電平，T1、T4導通，T2、T3截止，勵磁線圈L1上的電流由A到B， T1、T4導通的同時，P2．0由低電平變?yōu)楦唠娖?，電容C1充電，電流從0下降到-30 mA，并穩(wěn)定在-30 mA；t5時段，P2．1、P2．2電平維持不變，P2．0由高電平變成低電平，C1放電，Uz線性降低，電流也從-30 mA上升到0；t6時段，P2．1、P2．2都變?yōu)楦唠娖?，T1、T2截止，勵磁線圈L1上的電流又變?yōu)?。經(jīng)過t1到t6一個周期，形成了1—0—-1—0的三值梯形波。

2．3 流量信號調(diào)理電路

電磁流量傳感器電極兩端輸出的感應電壓信號相當微弱，屬于微伏級信號，測量難度大，且感應信號中包含了各種各樣的干擾成分，如式(1)中的共模干擾、串模干擾等。本文設計了圖6所示的流量信號調(diào)理電路，把流量信號從干擾中檢測出來，電路包括儀用放大電路、低通濾波電路、二次放大電路以及電位提升電路等[3]。

圖6 信號調(diào)理電路

信號在進入處理電路前使用對稱的電容進行簡單的預濾波，去除夾雜在信號中的直流分量。傳感器流量信號內(nèi)阻可達MΩ級別，所以在選用放大器時應選擇輸入電阻高的放大器，同時為消除共模干擾，電路中使用低功耗的INA128儀用放大器來進行放大，INA128只需要改變電阻Rg的值就可獲得不同的放大倍數(shù)，但在這里，信號中仍然含有干擾信號，所以放大器的放大倍數(shù)不宜取得太高，防止信號放大失真，為此取Rg為5 kΩ的精密電阻，設計信號放大倍數(shù)為11倍，放大后的信號中仍含有多種頻率成分的噪聲，在這種情況下就要采用濾波措施，增加系統(tǒng)的信噪比。濾波電路采用單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器，在梯形波形勵磁電路中勵磁頻率為6．25 Hz，所以有用信號的頻率也應該為6．25 Hz，在此設計的低通濾波器的截止頻率為33．9 Hz。二次放大電路采用簡單的同向放大電路，放大倍數(shù)100倍。信號經(jīng)兩次放大后，仍不滿足A/D采樣的要求，所以采用加法電路把電壓提升，在電路中，放大后的信號與VREF(由LM385得到)相加，使流量信號在0．6 V上下波動。

2．4 單片機及外圍電路

單片機采用超低功耗的MSP430F4794，該單片機有一種活動模式和五種低功耗模式，在活動模式最大電流僅有560 μA，在低功耗模式最小電流可達0．1 μA．在勵磁時，每隔10 s單片機進入活動模式，且只持續(xù)160 ms，其它時間則進入低功耗模式。芯片內(nèi)部自帶16位的A/D，測量精度高。內(nèi)部配備了最大可驅(qū)動160個段的LCD驅(qū)動模塊，與低功耗的段式液晶相連，實現(xiàn)流量的顯示。電路中設置了4個按鍵，可以在流量和累計流量之間切換，可以實現(xiàn)參數(shù)的設置等。

3 軟件設計

在軟件設計上，采用模塊化設計思想，主要包括主程序、初始化子程序、中斷子程序、按鍵子程序、液晶顯示子程序等。

圍繞低功耗，程序流程圖如圖7所示。程序中每隔10 s進行一次勵磁，單片機A/D采樣，計算顯示后單片機休眠，進入低功耗模式。由于傳感器是感性線圈，即使采用三值梯形波勵磁，在勵磁電流變化時仍然會產(chǎn)生波動，圖5中的電壓曲線即為此在程序中A/D采樣時忽略這部分波動，只采樣中間的部分，多次采樣取平均值同時采用動態(tài)零點補償?shù)姆椒ㄇ蟮米罱K的勵磁電壓U=(u1-u2)-(u12-u11)，這種方法可以消除動態(tài)的零點漂移，提高了測量精度。

圖7 軟件設計流程圖

4 實驗結果

實驗中，使用的實驗裝置可以調(diào)節(jié)流速，一段時間內(nèi)流過的液體質(zhì)量可以稱重，通過計算來標定流速和累積流量，實驗中測量管的直徑為50 mm，得到以下幾組數(shù)據(jù)，通過Matlab軟件生成曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，在流量較大時測量誤差控制在0．5%以內(nèi)，在流量較小時誤差也控制在3%以內(nèi)，該方案在保證測量精度的基礎上實現(xiàn)了儀表的低功耗。

圖8 相對誤差絕對值曲線圖

[1] 漢澤西，徐岳，鄭勇，等．基于MSP430F149的電磁流量計設計．電子測試，2009(1): 65-67．

[2] 靳笑宇，蘇兆棠，莫德舉．便攜式低功耗電磁流量計測量電路的設計．儀器儀表用戶，2005，12(1):23-25．

[3] 唐慧強，佘艷，唐明軍．基于MSC1211的電磁流量計的硬件設計．儀表技術與傳感器，2008(12): 50-51．

Design and Implementation of Electromagnetic Flowmeter with Low Consumption

DU Qing-fu,REN Wen-jian，ZHANG Chao

(School of Mechanical，Electrical and Information Engineering，Shandong University(Weihai),Weihai 264209，China)

Most of traditional electromagnetic flowmeters adopt AC 220 V or DC 24 V power supply．Their exciting current can be as much as 250 mA,and their energy consumption and cost are both high．Based on MSP430F4794 MCU,a kind of low power electromagnetic flowmeter was designed using 3．6 V lithium batteries．Its excitation mode used three-valued trapezoidal wave way,and the exciting current was only 30mA．Around low power,the DC-DC buck-boost circuit,three-valued trapezoidal wave excitation circuit,signal processing circuit,single chip microcomputer-MSP430F4794 and peripheral circuit were described．Experimental results show that it can satisfy customers’ needs．

electromagnetic flowmeter;MSP430F4794;low power;three-valued trapezoidal wave excitation

2014-02-18 收修改稿日期：2014-10-11

TP216．1

A

1002-1841(2015)03-0025-03

杜清府(1964—)，副教授，碩士研究生，主要從事智能檢測與儀表方面的研究工作。E-mail：dqf@sdu．edu．cn 任文建(1990—)，碩士研究生，主要從事嵌入式儀表的研究。E-mail：rwjweihai@163．com