word文檔可自由復制編輯摘要流量測量在工業(yè)生產、能源計量、環(huán)境保護、交通運輸、生物技術、軍事工程和科學研究等領域占據(jù)重要位置，因此，流量測量儀表的研究和開發(fā)應用有著深遠的意義。智能渦輪流量計是流量測量儀表中不可缺少的一員，隨著現(xiàn)代計算機技術的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善?；趩纹瑱C的智能渦輪流量計流量計，選用以軸向型智能渦輪流量計作為測量系統(tǒng)。按照模塊化設計方法，將系統(tǒng)硬件部分分為不同的功能模塊分別進行設計。在硬件方面采用了低消耗的MSP430F14單片機為核心，軟件設計方面采用了C語音編程，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程中進行低功耗設計，極大地降低了儀表的功耗，使流量計具有較高的可靠性。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系統(tǒng)具有功耗低、抗干擾能力強、精度高、重量輕、工作可靠、價格便宜等優(yōu)點。通過試驗，本系統(tǒng)初步達到了流量計量的目的，系統(tǒng)的結構合理，功能完善，硬件和軟件設計達到了預期要求。關鍵詞：渦輪流量計；單片機；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課題研究的主要內容 3第二章渦輪流量計的原理與組成結構 52.1渦輪流量計的基本原理 52.2渦輪流量計的組成結構 62.3渦輪流量傳感器結構分類 82.4渦輪流量計特點 82.5渦輪流量計的線性特性 92.5.1渦輪流量計特性 92.5.2渦輪流量計特性 10第三章智能渦輪流量計的硬件電路設計 113.1系統(tǒng)硬件的總體設計 113.1.1硬件電路設計原則 113.1.2硬件系統(tǒng)結構 113.1.3單片機的選取 123.2電源電路 163.3流量測量電路 173.3.1霍爾開關工作原理 173.3.2流量測量原理及電路 183.3.3開關量輸入電路 183.3.4放大整形電路 193.4實時時鐘 193.5顯示部分 203.6按鍵設計 223.7RS-485通訊部分 223.8HART通訊部分 233.9儲存單元 25第四章結論 26參考文獻 27謝辭 28word文檔可自由復制編輯第一章引言1.1題目背景和意義在物資量計量領域中，流體流量的檢測與控制是各行各業(yè)加強物料管理、能源管理，進行物資交接、財務結算，經濟核算，效益分析與評價及至決策的重要依據(jù)；也是企業(yè)監(jiān)控生產過程，使其保護優(yōu)質、高效、安全、平穩(wěn)運行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計量就是眼睛，計量就是金錢，計量就是效益。現(xiàn)代企業(yè)對流量計量的要求越來越高，主要反映在滿足準確性、可靠性、及時性和自動化水平的程度等方面，計量的準確可靠性愈來愈受到社會各界的關注。氣體渦輪流量計是一種速度式儀表。它具有壓力損失小、精確度高、始動流量低，抗振與抗脈動流性能好等特點。廣泛使用于石油、化工、電力工業(yè)鍋爐等燃氣計量和燃氣調壓站、輸配氣管網天然氣、城市天然氣計量等領域并可廣泛用于貿易計量。目前，國內在氣體流量計特別是氣體渦輪流量計的設計、制造與鑒定技術及設備裝備水平方面遠遠落后于歐美國家。而且國內所生產的渦輪流量計產品大多只有簡單的計數(shù)顯示器，客戶無法直接從管路中氣體流動狀況了解流量計實際運行情況，同時性能與質量也不能與國外氣體流量計相比。隨著中國與國際市場接軌的步伐加快，低精度流量計的使用會受到越來越大的限制，而高精度流量計將需求旺盛。人們對自然界的認識在很大程度上取決于檢測和儀表。無論是在工農業(yè)生產、科學研究、國防建設領域中，還是在日常生活中都與檢測有著密切的關系。具體地說，為了及時了解一個生產過程或實驗進展，就必須經常測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。對這些參數(shù)的大小、變化方向等進行監(jiān)督和控制，就能使產生過程或實驗的工況處于最佳狀態(tài)，做到安全、經濟，最終到達預期的結果。檢測技術則是指人們?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措施。流量是工農業(yè)生產過程控制中的重要的測量參數(shù)之一，與溫度、壓力、物位同為熱工量。流量測量的意義在于既可以指導生產，同時又是規(guī)范工藝操作的需要和進行經濟核算的依據(jù)。由于流量這個參數(shù)受流體的工作條件影響，對其檢測有相當?shù)碾y度。為了滿足現(xiàn)代工業(yè)中各種不同的場合和各種不同的測量目的，各種流量計量儀表就應運而生【10】。公共汽車運營的生產成本相當大部分來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)約燃油對降低生產的成本效果很可觀。汽車燃油的消耗已引起了相關管理部門的高度重視，但因汽車燃油沒有準確的計量裝置而無法落實管理。因此采取安裝燃油計量裝置的方案來實現(xiàn)對公共汽車的實時監(jiān)測，便于對汽車的經濟指標考核和杜絕燃油的浪費現(xiàn)象。節(jié)約燃料不僅有直接的經濟效益，對減少汽車尾氣污染、保護環(huán)境也起到積極的作用。減少燃油的浪費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，減輕對人們的呼吸系統(tǒng)的傷害和影響植物的生長。當前，酸雨正在加速對人類文明文化遺產古建筑的破壞，破壞程度觸目驚心，所以減少污染與降低生產成本同樣重要。安裝流量計的目的就是建立節(jié)約的理念，監(jiān)督和提示使用燃油時注意保護環(huán)境，提高運輸效率，降低生產成本，也利于對汽車上的關鍵設備--發(fā)動機的運行狀態(tài)進行間接監(jiān)測，合理利用設備，延長汽車大維修，減少和避免設備故障解決時因經驗不足難以判斷準確的缺欠，減少維修量，節(jié)約維修費。1.2題目的研究現(xiàn)狀概述流量測量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀托里拆利（Torricelli）奠定差壓式流量計的理論基礎，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀流量測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、渦輪及靶式流量計等。20世紀由于過程工業(yè)、能量計量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術和計算機技術的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。我國發(fā)展近代流量測量技術的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口，直到20世紀30年代中期才出現(xiàn)光華精密機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，60年代開始渦輪、電磁流量計的生產。至今我國已形成一個相當規(guī)模從事流量測量技術與儀器研究開發(fā)和生產的產業(yè)，從事流量儀表研究和生產的單位超過230家。我國90年代初流量儀表產量估計超過250萬臺。1938年，第一只渦輪流量計在美國問世，發(fā)展到今天，已經成為流量測量儀表門類中的一個重要產品系列。渦輪流量計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成。它具有測量精度高、重復性好、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，由它組成的流量測量系統(tǒng)可達國際商業(yè)貿易允許的計量誤差要求。這種系統(tǒng)的成功應用在國際上已有幾十年以上的歷史了，在國外液化石油氣、成品油和輕質原油等的轉運及集輸站，大型原油輸管線首末站都大量采用渦輪流量計進行貿易結算。美國石油學會（API）早已制訂了“API2534：用渦輪流量計計量液態(tài)烴”的標準，并在世界得到公認。流量測量的手段是用流量計，流量計是現(xiàn)代工業(yè)測量中重要的儀表之一，為了適應各種用途，各種類型的流量計相繼問世，投入使用的類型有上百種。根據(jù)其測量方法和結構原理大致分為差壓式流量計、浮子流量計、電磁流量計、渦街流量計、科里奧利質量流量計、超聲流量計、渦輪流量計等等。流量顯示儀表的發(fā)展經過了機械運算記錄圖表式，模擬運算機械計數(shù)式，簡單邏輯運算數(shù)顯示和微處理器運算及多功能數(shù)字顯示四個過程。自從單片機出現(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)的機械式或者純模擬、數(shù)字電路構成的流量顯示儀。智能流量顯示儀以單片機具有使用方便、工作可靠、可進行補償計算等優(yōu)點。從上世紀80年代以來，各種智能流量顯示儀就不斷出現(xiàn)，功能也不斷擴展、完善。智能流量顯示儀正朝著低功耗、智能化、網絡化、多功能方向發(fā)展。具體來說，智能流量顯示儀可以實現(xiàn)流量及其它信號的采集、流量計算累加及補償計算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)遠程傳輸及打印等功能，根據(jù)用戶的不同需要，開發(fā)人員可以設計出具有不同功能的智能流量顯示儀來。1.3課題研究的主要內容本文研究的是一種新型渦輪流量計。它的優(yōu)點在于，采用了功能強大的CPU，使得外圍芯片減少，整個系統(tǒng)結構簡單，無可動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，另外，系統(tǒng)的功耗低、速度快，這些都是本設計的考慮要點及實現(xiàn)目標。對當今的各種流量計的原理及其優(yōu)缺點進行分析對比，設計一個智能型渦輪流量計方案；研究并劃分智能渦輪流量為總量，瞬時及分段流量的顯示功能。一個智能流量積算系統(tǒng)就是要充分利用單片機體積小、功能強大、價格便宜、可靠性高等優(yōu)點并配合一些外圍器件，通過編制合理的軟件程序完成流量高精度的積算的較先進的一種計量系統(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償運算，并根據(jù)配接的流量傳感器類型通過良好的人機界面完成參數(shù)設置，調用不同的數(shù)學模型完成相應的積算。智能渦輪流量計是一種精密流量測量儀表，與相應的流量積算儀表配套可用于測量液體的流量和總量。它具有精密度高，重復性好，結構簡單，運動部件少，耐高壓，測量范圍寬，體積小，重量輕，壓力損失小，維修方便等優(yōu)點。它的壓力損失小，葉輪具有防腐功能。

第二章渦輪流量計的原理與組成結構2.1渦輪流量計的基本原理渦輪流量計是一種速度式流量計，其由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。當流量計工作時，被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉，渦輪的轉速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉速也大，再經磁電轉換裝置把渦輪的轉速轉換為相應頻率的電脈沖，經前置放大器放大后，送入流量顯示儀表進行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。Q=f/k(2.1)式中：Q—流經傳感器的流量（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流體沿著管道的軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時，便有管道內流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉。在渦輪旋轉的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應原理，在線圈內將感應出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比，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脈沖，或者每升流量有幾個脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長期使用的磨損情況而變化。盡管渦輪流量計的設計尺寸相同，但實際加工出來的渦輪幾何參數(shù)卻不會完全一樣，因而每臺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定出來的。渦輪傳感器輸出的脈沖信號，經前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量。作用在渦輪上的力矩可分為以下幾個：流體通過渦輪式對葉片產生的切向推動力矩M1；液體沿渦輪表面流動是產生的粘帶摩擦力矩M2；軸承的摩擦力矩M3；磁電轉換器對渦輪產生的電磁反作用阻力矩M4.由此建立渦輪的運動微分方程：J=M1-(M2+M3+M4)(2.2)式中：J為渦輪的轉動慣量；渦輪的旋轉角速度；為時間；為角加速度。當流量恒定時，渦輪達到勻速轉動，，則M1=(M2+M3+M4)。經理論分析與實驗驗證可得：通過特定的推導公式，可以得到渦輪流量與渦輪流量計的轉速并不是簡單的線性關系。為了簡化應用，通常省略比較小的高次分量，得出一個線性表達式，即Q=f／K，現(xiàn)有的檢定規(guī)程也采用平均K系數(shù)來作為渦輪流量計品質判定。國內外學者提出許多理論流量方程，它們適用于各種傳感器結構及流體工作條件。至今渦輪流量計儀表特性仍舊不是很清楚，它與流體物性及流動特性有復雜的關系。但是理論流量方程有巨大的意義，它可以指導傳感器結構設計及現(xiàn)場使用條件時儀表系數(shù)變化規(guī)律的預測和估算。2.2渦輪流量計的組成結構渦輪流量計通過數(shù)顯儀表(流量積算儀)，將渦輪流量計輸出的脈沖數(shù)轉換成瞬時流量和累積流量，并顯示出來。根據(jù)數(shù)顯儀表(數(shù)采系統(tǒng))接收的輸入信號種類和功能不同，可以完成放大整形、單位換算、頻率與電流／電壓轉換、積算、累積，如圖2.1所示。圖2.1渦輪流量計框圖渦輪流量傳感器主要由殼體1、導向體2、葉輪3、軸和軸承5、信號檢出器及壓緊圈6組成，同時還應配有與之相配合的前連接管7和后連接管8。具體各個部件的配合如圖2.2所示。（1）殼體。殼體是傳感器的主體部分，其起到承受被測液體的壓力、固定安裝檢測部件、連接管道的作用，殼體采用不導磁不銹鋼或硬質合金制造。對于大口徑傳感器，亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結構，殼體外壁裝信號檢出器。1-殼體2-導向體3-葉輪4-信號檢出器放置處5-軸和軸承6-壓緊圈7-前連接管8-后連接管圖2.2渦輪流量計傳感器結構(2)導向體。在傳感器進出口裝有導向體，其對流體起導向整流以及支承葉輪的作用，通常選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制作。(3)渦輪。亦稱葉輪，是傳感器的檢測部件，其由高導磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環(huán)來增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉的頻率，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傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質、流量范圍、使用要求等設計，葉輪的動平衡很重要，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，需有足夠的剛度、強度和硬度、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，因此它的結構與材料的選用以及維護是重要問題。(5)信號檢出器。常用變磁阻式，由永久磁鐵、導磁棒(鐵芯)、線圈等組成。永久磁鐵對葉片有吸引力，產生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項，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。輸入信號有效值在10mV以上的可直接配用流量計算機，配上放大器則輸出伏級頻率信號。(6)壓緊圈。為了固定導向體，應配有合適的壓緊圈。(7)前后連接管。為了能更加準確地測量液體的流量，殼體前后應該連接長度相當于管徑1O倍以上的前連接管和相當于管徑5倍以上的后連接管。2.3渦輪流量傳感器結構分類（1）軸向型葉輪軸中心與普通軸線重合，是TUF的主要產品，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量，在大口徑流量測量時也用到了插入式的切向型渦輪流量計。（3）井下專用型適用于石油開采井下作業(yè)使用，測量介質有泥漿及油氣流等，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量，傳感器由主、輔雙葉輪組成，可由兩葉輪的轉速差自動校正流量特性的變化。（5）廣粘度型在波特型浮動轉子壓力平衡結構基礎上擴大上椎體與下椎體的直徑，增加粘度補償翼及承壓葉片等結構措施，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量頭、插入桿、插入機構、轉換器及儀表表體等部分組成【2】。2.4渦輪流量計特點渦輪流量計多年來用于工業(yè)和實驗室測量，并一直得到廣泛的應用，其具有如下主要特點：（1）測量精度高。渦輪流量計的測量精度是指示值得0.05%-0.2%之間，在線性范圍內，即使流量發(fā)生變化，累計流量準確也不會發(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合。（4）重復性好。短期重復性可達0.05%-0.2%。由于良好的重復性，經常校準或在線校準即可得到很高的精度。（5）耐高壓、耐腐蝕。由于具有較簡單的外形且采用磁電感應結構，容易實現(xiàn)耐高壓設計，故可適用于高壓管路液體的測量，采用抗腐蝕材料制造，使得流量計耐腐蝕性能良好。（6）可獲得很高的頻率信號（3-4KHz），信號分辨能力強。通過傳輸線路不會降低其精度，容易進行累積顯示，易于送入計算機進行數(shù)據(jù)處理，無零點漂移，抗干擾能力強。（7）機構緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大。（8）專業(yè)性傳感器類型多?？筛鶕?jù)用戶特殊需要設計各種專用型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型及混沙專用型等。2.5渦輪流量計的線性特性2.5.1渦輪流量計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果，實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。產生高峰特性的原因是，當流量減少到某一數(shù)值時，作用于渦輪上的旋轉力矩和粘滯力矩都相應減少，但因粘滯力矩減少顯著，所以渦輪的轉速反而會提高，特性曲線出現(xiàn)高峰。隨著流量的進一步減少，作用在渦輪上的所有阻力矩的影響相對突出，渦輪轉速降得快，特性曲線明顯下降。只有流量增大到超過某一值時，作用在渦輪上的旋轉力矩增大，在與阻力矩達到平衡時，特性曲線才趨于平直，如圖2.3所示。圖2.3渦輪流量計特性曲線圖流量計檢定規(guī)程運用的主要計算公式：儀表K系數(shù)的計算公式：每個檢定點的儀表平均系數(shù)：儀表系數(shù)：流量計的線性度：如為新制造的流量計線性度：2.5.2渦輪流量計特性頻率一流量特性是表示輸出信號頻率(f)與體積流量()之間的關系。其特性曲線如圖2.4。理想的曲線應是通過坐標原點的一條直線。但從線性特性分析可知，在實際的流量測量過程中，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。通過圖中特性線所示的流量計實際工作直線，流量和頻率之間實際是一條帶截距的工作直線(理想的工作直線是過原點)。通過圖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確的流量值。圖2.4渦輪流量計特性曲線圖第三章智能渦輪流量計的硬件電路設計3.1系統(tǒng)硬件的總體設計3.1.1硬件電路設計原則本文在硬件設計時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信號處理和運算的核心——單片機芯片的選擇。它決定著硬件整體方案的設計和其它芯片及元器件的選擇。分別設計各個外圍硬件模塊，選擇典型電路，實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化。設計外圍硬件模塊時，注意單片機資源的分配和應用，如單片機的管腳分配、單片機內部集成模塊的應用等。充分和合理利用單片機資源不但可以減少外圍電路設計的工作量，而且可以提高整機的可靠性。設計硬件結構時，要結合軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案發(fā)生相互影響時，考慮的原則是：功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件的結構。這樣可以減少硬件的復雜性，所付出的代價是占用較長CPU運行時間。在所實現(xiàn)功能相同的情況下，都選擇低消耗芯片、元器件及設備?？煽啃约翱垢蓴_設計是硬件系統(tǒng)設計所必須考慮的，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)結構本課題設計的渦輪流量計由流量傳感器、微處理器、LCD顯示、HART模塊、按鍵等組成。該系統(tǒng)以MSP430F149單片機為核心，配合外圍器件，實現(xiàn)了信號采集，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場顯示，通訊，按鍵設置等功能。原理圖如圖3.1所示。圖3.1硬件系統(tǒng)結構圖3.1.3單片機的選取在低消耗電子系統(tǒng)設計中，首先要考慮的是單片機型號的選擇。選擇單片機除了要考慮的功能和開發(fā)環(huán)境外，在低消耗系統(tǒng)設計中，特別要關注的是單片機本身的功耗和它所能提供的節(jié)能措施?？紤]到流量計系統(tǒng)低消耗方面的要求，我們采用了TI公司的MSP430單片機芯片，它是專門為低功耗而設計的新型16位單片機。MSP430系列單片機推出時間不是很長，但由于其卓越的性能，在短短幾年的時間發(fā)展極為迅速，應用也日趨廣泛，MSP430系列單片機針對各種不同的應用，包括一系列不同型號的器件，主要特點有[1、2]：1.超低功耗MSP430系列單片機的電源電壓采用1.8-3.6低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下僅耗電0.1，活動模式耗電250/MIPS（MIPS：每秒百萬指令數(shù)），10輸入輸出口的漏電電流最大僅為50nA。MSP430系列單片機有獨特的時鐘系統(tǒng)設計，包括兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)時鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有時鐘系統(tǒng)產生CPU和各種模塊所需要的時鐘，并且這些時鐘可以在指令的控制下打開或關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時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)中共有一個活動模塊AM和5種低功耗模塊LPM0-LPM4.另外，MSP430系列單片機采用矢量中斷，支持十多個中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請求將CPU喚醒只要6，通過合理編程，既可以降低系統(tǒng)功耗，又可以對外部事件做出快速響應。2.強大的處理能力MSP430系列單片機是16位單片機，采用了目前流行的、頗受學術界好評的精簡指令集結構，一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的MCO51單片機要12個周期才可以執(zhí)行一條指令），使MSP430在8MHz晶振工作時，指令速度可以達到8MPIS(注意：8MPIS的指令速度，在運算性能上16位處理器比8微處理器高遠不止兩倍)同時，MSP430系列單片機的某些型號，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等一系列先進的體系結構，大大增強了它的數(shù)據(jù)處理和運算能力，可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的一些算法（如FFT、DTMF等）。這種結構在其它系列單片機尚未使用。3.高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機結合TI的高性能模擬技術，各成員都集成了較豐富的片內外段。視型號不同可能組和有以下工能模塊：看門狗（WDT）、模擬比較器A，定時器A（Timer_A），定時器B（Timer_B），串口0.1（USART0.1）,硬件乘法器，液晶驅動器，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），基本定時器(BasicTimer）等。其中，看門狗可以在程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可以設計出（10-11位）高精度的A/D轉換器；16位定時器具有捕獲/比較功能；大量的捕獲/比較寄存器，可以用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、PWM等；多功能串口可時序異步、同步和I2C串行通信，可方便的實現(xiàn)多機通信等應用；具有較多的10端口，最多達6*8條IO口線，IO輸出時，不管是灌電流還是拉電流，每個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轉換器有較高的轉換速度，最高可達200kb/s，性能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應用，可實現(xiàn)直接數(shù)字波形合成等性能；硬件I2C串行接口可以擴展I2C4.系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復位后，首先由DCO_CLK啟動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)定時間。然后軟件可設置適當?shù)募拇嫫鞯目刂苼泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時鐘MCLK時發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結構和運行機制，在目前各系列單片機中是絕無僅有的。5.方便高效的開發(fā)環(huán)境目前，MSP430系列單片機有0TP型、Flash型和ROM型的器件，國內大量使用的是Flash型的。這些器件的開發(fā)手段不同，對于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。對于Flash型則有十分方便的開發(fā)調試環(huán)境，因為器件內有JTAG調試接口，還有可點擦寫的Flash存儲器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到Flash內，再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內CPU狀態(tài)，以及存儲器內容等信息供設計者調試，整個開發(fā)都可以在同一個軟件集成環(huán)境中進行。這種方式只需要一臺PC和一個JTAG調試器，而不需要專門仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和C語言【5】。另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技術，利用它可以在保密熔絲燒斷以后，只要幾根硬件連接，通過軟件口令字（密碼），就可更改并運行內部的程序，這為系統(tǒng)固件的升級提供又一方便手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令字可達32個字節(jié)長度【6】。3.1.4MSP430F149的結構介紹MSP430系列單片機是一個特別強調超低功耗性能的單片機品種。它適合應用在各種要求極低功耗的場合，具有一定的技術特點。在這個系列中有多個型號，它們由一些基本功能模塊按不同的應用目標組合而成。它們都具有開發(fā)設備簡便、可現(xiàn)場編程等特點。MSP430系列采用存儲器-存儲器結構，即用一個公共的空間對全部功能模塊尋址，同時用精簡指令組對全部功能模塊進行操作【9.10】。圖3.2是MSP430F14x系統(tǒng)結構圖圖3.2MSP430F149的系統(tǒng)結構框圖MSP430F149單片機引腳如下圖3.3所示。圖3.3MSP430F149的引腳圖3.2電源電路作為一個系統(tǒng)的原動力，電源常常被認為是整個系統(tǒng)的心臟。電源配置時應充分考慮到干擾的隔離與抑制。因此，應根據(jù)電路配置狀況很好地解決電源供給問題[24]。DC-DC變換器是信號拾取通道中的理想化固體電源，它們可以為信號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而與其它地線無關。DC-DC變換器的輸入回路與輸出回路是隔離的，這樣通過選用DC-DC變換器就切斷了系統(tǒng)主電源與信號拾取通道電源間的干擾渠道，有效地實現(xiàn)了電源隔離。對于用電池供電的系統(tǒng)來說，最大的問題是隨著電池的使用，其儲存的能量逐漸消耗，將產生電壓不穩(wěn)的問題，不但會引起系統(tǒng)工作不正常，嚴重時甚至可能導致元器件的損壞。在電池供電系統(tǒng)中選擇開關型DC-DC轉換器可以獲得較高的效率和較低的熱耗，從而可有效延長電池的使用壽命，同時通過在輸出級添加適當?shù)臑V波電路，還能夠將輸出電壓紋波降至較小的范圍。DC/DC轉換器為轉變輸入電壓后有效輸出固定電壓的電壓轉換器。DC/DC轉換器分為三類：升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。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控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉換到PWM控制。DC/DC轉換器的主要功能是提供穩(wěn)定，即能夠將不穩(wěn)定的輸入電壓轉換成穩(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穩(wěn)定的電源電壓轉換成另一個不同電壓的輸出，這種情況下，電源調節(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量系統(tǒng)供電，本測量系統(tǒng)主要是靠3.6V的鋰電池供電，為了最大限度降低功耗，單片機及所有的外圍芯片在選型時的工作電壓都是3.3Ｖ，所以系統(tǒng)電源必須滿足兩點要求：1.在電池電壓高于3.3V的時候必須起到將高電壓降至3.3V的作用。2.使用一段時間后由于電池電量的下降，電壓也隨之下降，勢必低于3.3V。這時電源必須起到把低電壓升壓到3.3V的作用。為了達到以上性能要求，在設計電源時選擇了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。當輸入電壓低于2V，；輸出電壓為3.3V時，輸出電流可達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電壓檢測芯片，當電壓低于3.0V時，P1.0輸出低電平，P1.0下降沿中斷有效，進入中斷處理，顯示“換電池”同時蜂鳴器發(fā)出報警聲。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流量測量電路3.3.1霍爾開關工作原理當一個通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢U，其表達式：U=K×I×B/d（3.1）其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過的電流，B為外加磁場的磁感應強度，d是薄片的厚度?；魻栭_關就屬于這種有源磁電轉換器件，它是在霍爾效應原理的基礎上，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轉換成實際應用中的電信號，同時又具備工業(yè)場合實際應用操作要求。3.3.2流量測量原理及電路按圖3.5所示的各種方法設置磁體，將它們和霍爾開關電路組合起來可以構成各種旋轉傳感器?；魻栯娐吠姾?，磁體每經過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。圖3.5旋轉傳感器磁體設置由此，可對轉動物實施轉數(shù)、轉速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體，液體）去推動葉輪轉動，便可構成流速、流量傳感器【8】。渦輪流量計流量測量顯示如圖3.6所示。圖3.6渦輪脈沖采集框圖3.3.3開關量輸入電路1、開關量的隔離（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)場器件與傳輸線同數(shù)字電路隔離，以免計算機受損；限制地回路與地線的錯接而帶來的干擾；多個輸入電路之間的隔離。（2）開關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、開關量的輸入電路裝在裝置面板上的觸點。這類觸點包括裝置調試時用或運行個定期檢查裝置用的鍵盤觸點，以及切換裝置上作方式出的轉換開關等。從裝置外部經過端子排引入裝置的觸點。需要由運行人員不打開裝置外蓋而在運行中切換的各種壓板、連接片、轉換開關以及其他裝置和操作繼電器等。本文通過TLP521-4光電耦合器構成開關量的輸入電路圖，如圖3.7所示。圖3.7開關量的輸入電路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實時時鐘在智能儀表中需要隨時查看當前時間或歷史記錄，這就需要系統(tǒng)有一個實時時鐘單元。實現(xiàn)實時時鐘有兩個方案：一是使用CPU自身資源方便地構造時鐘單元。二是使用外圍時鐘芯片。本系統(tǒng)選擇的是后者，主要原因有兩點【11】。由于儀表是電池供電對功耗的要求非常苛刻，而整個系統(tǒng)中CPU式耗電大戶，如果使用CPU自身運算時鐘必消耗大量的CPU資源。這樣就會使CPU進入休眠模式的時間縮短，功耗上升，大大降低了電池的使用壽命。在氣體流速平緩時CPU不需要重復的測量，只需定時測量一次即可，其它時間處于休眠狀態(tài)。時鐘芯片可以再規(guī)定時間內周期性的產生中斷喚醒CPU，而在不需要讀取時間的時候，時鐘芯片本身工作不需要CPU的參與，延長了電池使用壽命。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鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報警功能定時器功能時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時服務，甚至可為單片機提供看門狗功能。內部時鐘電路，內部振蕩電路，內部低電壓檢測電路以及兩線制I2C主線通訊方式不但使外圍電路及其簡潔而且也增加了芯片的可靠性同時每次讀寫數(shù)據(jù)后內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。PCF8563與單片機的電路連接如圖3.9所示。圖3.9時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。當系統(tǒng)意外斷電時，備用電池給PCF8563，使其繼續(xù)工作。上電后單片機讀出的時間久不會因為斷電而發(fā)生錯誤。3.5顯示部分顯示模塊是人機接口的一個重要組成部分，友好的顯示界面能夠方便操控者的讀數(shù)和進行參數(shù)設定。本測量系統(tǒng)的顯示需要完成顯示測得的瞬時流量與累計流量，系統(tǒng)時間，并提供用戶簡單的參數(shù)設置界面。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；顯示內容：128列×64列；顯示角度：6點鐘直視；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；帶有自動啟動復位按鈕；一般來說采用并行連接方式具有速度快，CPU消耗低的特點，但是連線較串行復雜?？紤]到本設計的渦輪流量計中MSP430單片機的外圍模塊比較多，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。在設計中用單片機的三個普通I/O口與液晶模塊連接即可。CS為片選端，平時在LCD不用時可以置低，以降低功耗。SCLK為串行時序的輸入端，SID為數(shù)據(jù)輸入端，通過這兩個端口的配合，單片機就可以把要顯示的數(shù)據(jù)寫入LCD了。圖3.10LCD與單片機的連接3.6按鍵設計按鍵電路考慮到設計的儀表主要用來測量流量，所以鍵盤并不需要很多按鍵。本系統(tǒng)設計了四個按鍵的鍵盤，即↑、↓、Cancel、Enter，最多可完成8種任務。其中，各個鍵的功能為：↑和↓鍵的功能相似，在菜單狀態(tài)時可以上下移動光標，選擇需要進入的功能。在進入某個功能后↑和↓起的作用是調整參數(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)將進入某個選定的功能狀態(tài)。此時↑和↓鍵可以選擇需要修改的參數(shù)，按一次Enter鍵，進入修改參數(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單片機的P1口具有中斷功能，所以采用P1.1、P1.2、P1.3、P1.4四個端口作為按鍵的輸入接口。按鍵與單片機之間連接的原理圖如下圖3.7所示。3.7RS-485通訊部分在自動化領域，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距離的數(shù)字通信。在RS-422標志的基礎上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線標準。RS-485標準采用平衡水發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅動總線，具體規(guī)格要求：（1）接收器的輸入電阻RIN≥12KΩ（2）驅動器能輸出±7V的共模電壓（3）輸入端的電容≤50pF（4）在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅動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“0”；V++V-≦-0.2V，表示信號“1”）因此RS-485的遠距離、多節(jié)點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為應用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。本系統(tǒng)采用MAX3485作為RS-485接口芯片，該芯片的主要技術參數(shù)為：工作電源為3~3.6V,工作電流1mA，數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps。當驅動60Ω負載時（RS-485網絡終端匹配電阻120Ω的并聯(lián)值）峰值電流可達50mA。本系統(tǒng)采用的MSP430F149單片機包含了兩個USART模塊，可以很方便的和MAX3485連接。再RS-485通訊過程中MAX3485芯片把信號轉變成RS-485標準需要的電平發(fā)送到計算機或終端，從計算機或終端接收數(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通訊部分流量計除了具有RS485通信功能以外，還嵌入了HART總線接口技術，進一步提高了通信的距離，實現(xiàn)更為復雜、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調制解調器A5191HRT和D/A轉換器AD421及其外圍電路實現(xiàn)。其中AD421通過串行接口接收現(xiàn)場儀表內部MCU傳送的數(shù)字信號，轉換成4～20mA電流輸出，輸出主要的測量結果【15.16】。A5191HRT則接收疊加在4～20mA環(huán)路上的信號，對其帶通濾波和放大之后進行載波接測，如果檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1200Hz的信號解調為“1”，2200Hz信號解調為“0”，并通過串口通信傳輸給MSP430，MSP430接收命令幀并作相應的數(shù)據(jù)處理。之后，MSP430產生要發(fā)回的應答幀，應答幀的數(shù)字信號由A5191HRT調制成相應的1200Hz和2200Hz的FSK頻移鍵控信號，并經過發(fā)送信號整型電路進行波形整形后，經AD421疊加在環(huán)路上發(fā)送。圖3.12HART通信模塊結構圖本設計中當A5191HRT接收時，從4～20mA環(huán)路上接收信號，經過帶通濾波、放大整形后提取出FSK信號并解調為數(shù)字信號，傳送給MSP430；發(fā)送時，從MSP430接收數(shù)據(jù)，進行調制和波形整形后耦合到AD421內部，通過AD421疊加到環(huán)路上。A5191HRT和MSP430通過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)模轉換器，主要由電壓調整器、數(shù)模轉換器和電流放大器組成。電壓調整器由運放、帶隙基準和外接ＦＥＴ調整管組成，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)模轉換器采用∑－ΔDAC結構，將1