流量采集電路的設(shè)計

黃晗 徐冰輝 江澤裔 孫超 朱璽 李雅麗

摘要： 本文分析了國內(nèi)現(xiàn)階段，使用IC卡、遠傳燃氣表、集中抄表、無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）遠傳抄表等管道燃氣計費管理系統(tǒng)，在不同階段發(fā)揮了一定積極作用，但是它們都基于機械式傳動燃氣計量表，脫離不了機械構(gòu)件受安裝精度和環(huán)境溫度等的影響?；诨ヂ?lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)等技術(shù)，智能燃氣無線傳輸管理系統(tǒng)成為了人們研究的熱點問題。本文設(shè)計一種基于流量壓力傳感器、 脫離機械構(gòu)件的燃氣流量采集電路，它是智能燃氣無線傳輸管理系統(tǒng)中重要的組成部分，可提高燃氣計費系統(tǒng)運行效率和處理精確度。

關(guān)鍵詞：單片機 采集電路 串行通信

中圖分類號：TB937 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1.引言

隨著科技經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市居民生活現(xiàn)代化水平和管道燃氣普及度的提高，燃氣使用抄表、計費和收費工作量也與日俱增。現(xiàn)有的人工抄表；用戶購買磁卡、IC卡收費；通過遠程通信系統(tǒng)（如公用電話網(wǎng)、電力線載波、數(shù)據(jù)網(wǎng)等）自動獲取遠程儀表數(shù)據(jù)的方式，以及采用無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）[1]等方式 ，已經(jīng)跟不上現(xiàn)在發(fā)展的需要。IC卡燃氣表，是在現(xiàn)成的機械式燃氣表的計量機構(gòu)上，通過光電或霍爾元件等傳感器，將天然氣的流量轉(zhuǎn)為電信號輸入單片機進行計量，利于燃氣企業(yè)的資金回收，減少人工查表收費中的弊端等問題[2]，但是用戶要先買后用，而且受一次購氣數(shù)量、IC卡營業(yè)站的工作時間和地點等的限制，給用戶購氣帶來諸多不便。自上世紀九十年代末開始，燃氣公司不同程度地對遠傳燃氣表和集中抄表系統(tǒng)進行了積極嘗試，采用有源脈沖式遠傳燃氣表+通訊采集器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是系統(tǒng)存在的計量準確性低、系統(tǒng)可靠性差、維護工作量大等問題，直接影響了燃氣表的推廣應(yīng)用。2005年后，推出全新的無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）[3]等，但是它們都基于機械式傳動燃氣計量表，脫離不了機械構(gòu)件受安裝精度和環(huán)境溫度等的影響。隨著互聯(lián)網(wǎng)、zigbee無線通信技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展，基于單片機等智能化系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)控制管理中廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計一種基于單片機、氣體流量傳感器，實現(xiàn)燃氣流量采集電路。

2.系統(tǒng)電路構(gòu)成

燃氣采集傳輸系統(tǒng)，由氣體流量傳感器、信號調(diào)理電路、采樣保持器電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電源電路、時鐘電路、單片機顯示電路、串行通信電路等組成，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

3.采集電路的設(shè)計

本文選用SDP1000熱傳導(dǎo)式差壓傳感器，量程為-5～125Pa（0.5inch H2O ，-20～500 Pa（2 inch H2O），工作電壓5V，輸出電壓為0.25～4V，精度和分辨率可達 0.05 Pa，受溫度等因素影響小，運行安全可靠。

信號調(diào)理電路選用RC低通濾波電路，以達到信號提取的精度要求。在流量采集調(diào)理電路中利用6個放大器及電阻構(gòu)成了求差式放大電路，選擇合適的電阻值可將SDP1000輸出的模擬電壓0.25-4V，轉(zhuǎn)換為ADC0809所需0～5V的輸入電壓。

采樣保持器電路：由于輸入模擬信號是連續(xù)變化的，而A/D轉(zhuǎn)換器要完成一次模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換需要一定的時間，為使在A/D轉(zhuǎn)換期間，保持采樣輸入信號的大小不變而設(shè)計。電路由電容CH和兩級輸入緩沖器A1、A2和控制開關(guān)S1組成，A1為高增益放大器。該電路工作先后經(jīng)歷兩種工作模式：采樣和保持，采樣保持器可以通過模擬控制信號來選擇工作模式[4]。

A/D轉(zhuǎn)換電路：由括采樣、量化、編碼三部分組成，將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，為數(shù)碼顯示和串行通信鑒定基礎(chǔ)。

時鐘電路和復(fù)位電路：AT89C51時鐘電路主要由12Hz晶振、30pF電容組成。單片機系統(tǒng)工作需要外部提供時鐘晶振才能啟動工作，此外為了使系統(tǒng)工作穩(wěn)定往往要加上一定的濾波電容，避免由于噪聲干擾而死機。

ADC0809與單片機AT89C51連接電路：本系統(tǒng)將單片機AT89C51與ADC0809直接連接，通過P2口傳遞數(shù)字信號，P1口發(fā)送控制信號，從而實現(xiàn)單片機AT89C51與ADC0809的連接，具體連接方式如圖2所示。

圖2 單片機AT89C51與ADC809連接

單片機串行通信電路：由于計算機的串行接口屬于RS-232C標準，接口信號的電平不能和單片機的串行接口直接相連。利用芯片MAX232可以作為電平轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)單片機與計算機的通信。

LED顯示電路：通過程序控制，將單片機處理后的數(shù)據(jù)，顯示在LED數(shù)碼管上。本燃氣流量采集傳輸系統(tǒng)，選用了4位軟件譯碼動態(tài)LED顯示方式。

4. 電路制作及實驗檢測

用軟件Protel，畫出燃氣流量采集傳輸系統(tǒng)的電路原理圖，然后需要對原理圖各個元器件進行封裝，部分元器件需要自己設(shè)計其封裝圖比如SDP1000、74LS02、AT89C51等，最后生成PCB圖即可生成PCB版圖，在PCB版圖中，需要對元器件調(diào)整排列布局，使得各元器件之間的連線盡可能的方便簡單。由于元件庫有些元件和需要的不一致，在生成PCB圖時會產(chǎn)生錯誤，所以在生成版圖后要檢查線路的連接是否和原電路圖相對應(yīng)，核對無誤，把圖打印在相片紙上。本燃氣流量采集傳輸系統(tǒng)的PCB版圖如圖3所示。在生成PCB圖后，利用Photoshop軟件將圖片進行鏡像處理并打印在透明的相片紙上，最后在覆銅板上制成了印刷電路板。氣體流量傳感器輸出的模擬電壓采用直流模擬電壓代替進行實驗檢測。當(dāng)整個系統(tǒng)實物通電后，給調(diào)理電路加上+5V、+12V電壓后調(diào)節(jié)輸入的模擬電壓，當(dāng)緩慢改變氣體流量即增大輸入電壓時，測量結(jié)果與計算仿真基本一致。

本文設(shè)計的基于壓力傳感器的燃氣流量采集電路，可以擺脫傳統(tǒng)的燃氣表的機械傳動構(gòu)件，克服了機械構(gòu)件受外力、安裝精度和環(huán)境溫度等的影響，而且能夠擺脫復(fù)雜的機械傳動系統(tǒng)，可提高燃氣計費系統(tǒng)運行效率和處理精確度。為進一步借助互聯(lián)網(wǎng)、zigbee無線通信等技術(shù)，構(gòu)建新型的、智能化的、高效率的燃氣計量、收費和綜合管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 任彩峰：IC 卡在燃氣計量系統(tǒng)的應(yīng)用.科技資訊.2008，No.23

[2] 劉福玉 李文玉：光電直讀式遠傳燃氣表及集中抄表系統(tǒng).科技信息.2012.25

[3] 徐曉丹.基于WEB服務(wù)IC卡燃氣售氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).電腦開發(fā)與應(yīng)用.2010.25（3）

[4] 于秀麗，歐陽斌林，宋錫強.智能IC卡預(yù)付費燃氣表的電控系統(tǒng)設(shè)計[N].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報.2004