基于單片機(jī)的智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)

遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，遼寧丹東 118009

一、引言

智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是速度式流量計(jì)中的一種，它預(yù)先對(duì)流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行導(dǎo)流和加速，特別適合對(duì)管道煤氣、石油液化汽等流速低、粘度大、密度小的介質(zhì)測量，因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、煤炭等行業(yè)各種氣體的計(jì)量。

但是該類型的流量計(jì)對(duì)噪聲或振動(dòng)等干擾信號(hào)較為敏感,儀表的可靠性和穩(wěn)定性需要大幅提高,因此提出使用新型流量計(jì),采用最新設(shè)計(jì)的變送信號(hào)放大采集電路，具有抗干擾能力強(qiáng)、計(jì)數(shù)脈沖輸出干凈的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，并且在情況異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警。該系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為核心，融合了無線傳輸技術(shù)，具有集成度高、低功耗及高精度等特點(diǎn)。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，這種流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗基礎(chǔ)上的高精度測量，具有很好的市場前景[1][2]。

二、智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)硬件原理

1、智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)組成結(jié)構(gòu)圖及工作原理

智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)由傳感器和流量積算儀組成。流量計(jì)實(shí)物及結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在管道部分傳感器部分主要由殼體 (文丘利管)、旋渦發(fā)生體、頻率感測件(壓電晶體)、導(dǎo)流體組成，流量積算儀部分由微處理器MSP430F449（在顯示儀內(nèi)部）、壓力傳感器、面板、溫度傳感器等部件組成[2]。

（1）智能流量傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

傳感器部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括旋渦發(fā)生器、檢測元件、導(dǎo)流體和殼體。旋渦發(fā)生器由特定螺旋形葉片組成，它固定在殼體收縮段前端，強(qiáng)迫流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦流。檢測元件安裝在靠近擴(kuò)張管的喉部，用熱敏、壓電、應(yīng)變、電容或光纖等檢測元件可測出旋渦進(jìn)動(dòng)的頻率信號(hào)。導(dǎo)流體固定在流量計(jì)表體出口，其作用是消除旋渦流，以減小下游流態(tài)對(duì)儀表測量的影響。殼體設(shè)計(jì)成一定形狀的流道，使旋渦形成，固定和保護(hù)安裝在內(nèi)部的零部件，并通過法蘭與管道相連接[3]。

當(dāng)被測氣體沿管道中軸到達(dá)儀表上游入口時(shí)，其固定于端部的扇型葉片首先迫使氣體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后再由旋渦發(fā)生體形成旋渦流。由于氣體本身具有的動(dòng)能，旋渦流繼續(xù)在文丘利管中向前旋進(jìn)，在到達(dá)文氏管的收縮段時(shí)由于節(jié)流作用使得旋渦流動(dòng)能增加、流速加大，當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)散段后，又因回流的作用流體就被迫進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的旋渦頻率再經(jīng)頻率感測元件(壓電晶體)檢測、轉(zhuǎn)換及前置放大器的放大、濾波和整形等一系列過程之后，旋渦頻率就被轉(zhuǎn)變成了與被測介質(zhì)流速大小成正比的脈沖信號(hào)，然后再與溫度、壓力等檢測信號(hào)一起被送往微處理器進(jìn)行積算處理，最后在LCD 上顯示出測量結(jié)果(標(biāo)準(zhǔn)狀況下的瞬時(shí)流量、累計(jì)流量及溫度、壓力數(shù)據(jù))[4][5]。

（2）智能流量積算儀電路原理圖

智能流量積算儀是以MSP430F449為核心，一種可以集流量、溫度、壓力檢測功能于一體的顯示儀表，原理框圖如圖3所示。單片機(jī)接收來自二級(jí)放大器的流量脈沖信號(hào)和經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器得到的壓力、溫度信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算最終得到溫度、壓力、瞬時(shí)流量和累積流量值，并存貯在EEPROM中，同時(shí)，在LCD上顯示上述數(shù)據(jù)。流量顯示既可顯示標(biāo)況流量，也可顯示工況流量，這由內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)決定。當(dāng)內(nèi)部供電電池電壓低于2.5V時(shí)，在LCD上會(huì)出現(xiàn)閃爍的電池符號(hào)，以提醒及時(shí)更換電池。

儀表上部有多個(gè)功能健，鍵、鍵和<+>鍵可對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，鍵可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。積算儀與用戶設(shè)備可通過以下三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：脈沖放大輸出、4～20mA輸出和RS485通訊[5]。

2、MSP430F449單片機(jī)

本系統(tǒng)采用的微處理芯片為德州儀器公司生產(chǎn)的16位MSP430F449，它是一種低工作電壓1.8～3.6V、超低功耗，活動(dòng)模式280μA@1MHz，2.2V；待機(jī)模式1.1μA；掉電模式（RAM 數(shù)據(jù)保持）0.1μA。有5種節(jié)電模式。從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)間不超過6μs。MSP430F449 的封裝形式為100 引腳的PLASTIC100-PIN QFP，有豐富的片內(nèi)資源，8路、12位A/D 轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持、自動(dòng)掃描特性；帶有3 個(gè)或7 個(gè)捕獲/比較器的16 位定時(shí)器：定時(shí)器A 和定時(shí)器B；2個(gè)串行通訊模塊USART0/1，可軟件選擇UART/SPI 模式；片內(nèi)比較器配合其他器件可構(gòu)成單斜邊A/D 轉(zhuǎn)換器；可編程電壓監(jiān)測器（SVS）；可在線串行編程，不需要外部編程電壓；驅(qū)動(dòng)液晶能力可達(dá)160 段；可編程的保險(xiǎn)熔絲可保護(hù)設(shè)計(jì)者代碼；FLASH 存儲(chǔ)器多達(dá)60KB，RAM多達(dá)2KB[6]。

3、電源模塊

本系統(tǒng)采用的電源模塊為采用7136電壓穩(wěn)壓模塊，電路圖如圖4，其中UI為MSP430F449單片機(jī)。

4、流量信號(hào)處理模塊

為消除干擾，提高抗電磁能力，壓電晶體的信號(hào)經(jīng)過多次放大和過濾，得到穩(wěn)定可靠的流量信號(hào)，電路圖如圖5。流量信號(hào)經(jīng)過處理變成RS232串行信號(hào)，進(jìn)行單片機(jī)MSP430F44串行口的P4.0/UTXD1，P4.1/URXD1。經(jīng)過電路的一級(jí)放大濾過電路去干擾，放大形成正弦波形信號(hào)，再通過二級(jí)放大整形電路，形成沒有干擾信號(hào)的方波信號(hào)。

5、液晶顯示模塊

顯示部分采用44引腳的液晶模塊BYDO18，可以顯示電壓、溫度、壓力、瞬時(shí)流量、累積流量，通過三個(gè)按鍵可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

6、溫度、壓力模塊

溫度模塊采用美國霍尼韋爾國際（Honeywell International）公司生產(chǎn)的溫度傳感器HEL777-A-U-1，溫度范圍為 -55°C～150°C，溫度系數(shù)為 0.00375Ω/°C，塑料封裝，具有較高的靈敏度和信噪比，是理想的空氣溫度傳感元件。

壓力模塊采用麥克傳感器股份有限公司生產(chǎn)的防腐TH型壓阻式壓力敏感元件，型號(hào)為MPM280，測量范圍為0～100kPa…7MPa，適用于有較強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的壓力檢測。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成I2C總線的信號(hào)送入單片機(jī)接口。

7、通信模塊

流量積算儀與計(jì)算機(jī)可通過以下三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：脈沖放大輸出、4～20mA輸出和RS485通訊，這里只給了RS485通信接口電路，如圖6。

8、無線通信模塊

使用深圳市華奧通通信技術(shù)有限公司 HAC-TS433G 系列微功率無線數(shù)傳模塊，可以將數(shù)據(jù)通過無線方面?zhèn)鬏數(shù)接?jì)算機(jī)的RS232或RS485接口，微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率15mW；無需申請(qǐng)頻點(diǎn)，工作頻率范圍 430～452MHz。 高抗干擾能力和低誤碼率，傳輸距離遠(yuǎn)，在開闊視距情況下，天線放置高度位置>2m，可靠傳輸距離可達(dá)1800m (BER=10-3/1200bps)。

三、軟件設(shè)計(jì)原理

軟件采用C語言編寫，MSP430系列單片機(jī)使用IAR Workbench系統(tǒng)，它的編譯器提供C語言的標(biāo)準(zhǔn)特性，還具有許多為MSP430單片機(jī)專門設(shè)計(jì)的開發(fā)工具。是一款集編輯、編譯、調(diào)試、下載于一體的集成開發(fā)環(huán)境。

系統(tǒng)的應(yīng)用程序主要是由主程序和中斷處理程序組成，其中主程序又由多個(gè)子程序所組成。主程序包括：系統(tǒng)初始化子程序、電池測試子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、循環(huán)顯示子程序等；中斷處理子程序包括：流量檢測子程序、溫度壓力檢測子程序、流量補(bǔ)償算法子程序、按鍵輸入子程序、存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)子程序、通訊子程序等[7]。

主程序完成儀表的整個(gè)管理和控制工作,流程圖如圖所示如圖7。

流量計(jì)初次上電時(shí)系統(tǒng)初始化，顯示當(dāng)前時(shí)間，歷史流量數(shù)據(jù)，壓力、溫度和電池電量。用戶可以選擇數(shù)據(jù)清零或保持不變。如果電池電量過低，系統(tǒng)報(bào)警，顯示“電量不足”符號(hào)，提示用戶更換電池。

在無操作的情況下延時(shí)一段時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉顯示，進(jìn)入低功耗模式3(LMP3)。當(dāng)發(fā)生中斷事件，從低功耗模式中被喚醒，并判斷是何種中斷事件，進(jìn)而進(jìn)入中斷處理程序。中斷程序流程圖如圖8所示。

若是時(shí)鐘信號(hào)喚醒，則通過漩渦轉(zhuǎn)速、溫度、壓力值計(jì)算出標(biāo)況下的氣體流量，通過軟件補(bǔ)償計(jì)算，消除壓損。并將流量值和當(dāng)前時(shí)間存入中24C16中，然后流量計(jì)重新進(jìn)入低功耗模式。

若是有按鍵按下，則通過中斷喚醒后單片機(jī)調(diào)用按鍵子程序，根據(jù)按下的功能鍵顯示當(dāng)前的瞬時(shí)流量、累積流量、溫度、壓力、運(yùn)行時(shí)間等信息。若按下多次按下確定鍵或在一段時(shí)間內(nèi)無按鍵按下則又進(jìn)入低功耗模式。

若是用戶通過按鍵選擇通訊，系統(tǒng)將調(diào)用相應(yīng)的通訊子程序自動(dòng)將當(dāng)前或是歷史流量信息發(fā)送給上位機(jī)。

若是流量傳感器報(bào)警，流量計(jì)報(bào)警并關(guān)閉電動(dòng)閥，存儲(chǔ)報(bào)警標(biāo)志，延時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)入低功耗模式[8]。

四、試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

流量計(jì)在軟硬件調(diào)試完成后應(yīng)進(jìn)行實(shí)際測量的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中通過修改程序把壓力值固定在1.0MPa,溫度輸入值則固定在25℃,然后進(jìn)行實(shí)際測量。測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

一般精度高的流量計(jì)基本誤差為(±0.5%～±1%），本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)經(jīng)過軟件補(bǔ)償計(jì)算后，符合1.0級(jí)精度，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的相等水平。

整功耗經(jīng)過現(xiàn)場測試，休眠時(shí)小于20μA，工作時(shí)小于20mA，三塊5號(hào)電池，可以使用三年以上。

五、結(jié)束語

本論文結(jié)合流量計(jì)的發(fā)展和流量積算儀表的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)出實(shí)用的智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)系統(tǒng)。在系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，采用了TI公司的MSP430F449單片機(jī)，通過微處理技術(shù)，將流量、溫度、壓力檢測、通信功能等于一體，使用新型多級(jí)信號(hào)處理放大電路和獨(dú)特的濾波電路，有效地剔除了各種干擾信號(hào)。在軟件方面進(jìn)行溫度、壓力、壓縮因子自動(dòng)補(bǔ)償，消除壓損。整機(jī)功耗極低，能憑內(nèi)電池長期供電運(yùn)行，與同類產(chǎn)品相比較，外型輕巧，操作方便，具有很高的實(shí)用性和可靠性。

表1 流量測試數(shù)據(jù)