基于msp430f149 的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)基于msp430f149 的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)
摘.. 要: 電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的速度式電磁流量計(jì)。本文對國內(nèi)外電磁流量計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了簡單介紹。在闡述電磁流量計(jì)測量原理的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種基于msp430f149 單片機(jī)的ldb 型電磁流量計(jì), 電路以msp430f149 單片機(jī)為核心, 從而簡化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì), 實(shí)現(xiàn)了液體流量的測量和累積。文中給出了設(shè)計(jì)的總體框圖, 部分硬件電路和控制軟件流程圖。本文設(shè)計(jì)的ldb 型電磁流量計(jì)已經(jīng)投入生產(chǎn), 經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明, 該設(shè)計(jì)具有高精度, 低功耗和可靠性強(qiáng)等特點(diǎn), 基本滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞: msp430f149; 電磁流量計(jì); 超低功耗
0 .. 引.. .. 言
電磁流量計(jì)( elect romag net ic f lowmeter, emf) 是20 世紀(jì)中葉隨著電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型流量測量儀表。電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律, 用來測量導(dǎo)電液體體積流量的儀表[ 1] 。20 世紀(jì)80 年代以來, 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 使電磁流量計(jì)制造技術(shù)更加成熟和完善, 其應(yīng)用領(lǐng)域更加擴(kuò)大。當(dāng)代的電磁流量計(jì)采用單片機(jī)技術(shù), 用數(shù)字信號處理等措施使電磁流量計(jì)的測量精度和性能不斷提高, 并可充分利用計(jì)算機(jī)具有信息存貯, 分時(shí)處理, 運(yùn)算和控制能力的優(yōu)勢。因此, 比較容易實(shí)現(xiàn)了雙向測量, 空管檢測, 多量程自動(dòng)切換, 人機(jī)對話, 與上位機(jī)通信, 自診斷等附加功能。由于其*的優(yōu)點(diǎn), 目前已廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)過程中各種導(dǎo)電液體的流量測量, 如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì); 各種漿液流量測量, 形成了*的應(yīng)用領(lǐng)域[ 2] 。
1 .. 電磁流量計(jì)測量原理
智能電磁流量計(jì)的測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律。即: 導(dǎo)電液體在磁場中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí), 導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢, 其感應(yīng)電動(dòng)勢e 的計(jì)算公式為: e= k b vd 式中: k 為儀表常數(shù); b 為磁感應(yīng)強(qiáng)度; v 為測量管截面內(nèi)的平均流速; d 為測量管的內(nèi)徑。測量流量時(shí), 流體流過垂直于流動(dòng)方向的磁場, 導(dǎo)電性液體的流動(dòng)會感應(yīng)出一個(gè)與平均流速( 即體積流量) 成正比的電壓, 此電壓通過兩個(gè)與液體直接接觸的電極檢出, 傳至放大器, 然后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的輸出信號。測量原理如圖1 所示。圖1 .. 測量原理示意圖這種測量方式具有以下特點(diǎn): ( 1) 測量管內(nèi)無阻流體, 因此無壓力損失。( 2) 由于信號在整個(gè)充滿磁場的空間中形成, 它是管道截面上的平均值, 因此所需直管段相對較短, 前端長度為dn .. 5( dn 為流量計(jì)通徑) 。( 3) 只有管道襯里和電極與被測液體接觸, 因此, 只要合理選擇電極和襯里材料, 即可達(dá)到耐腐蝕、耐磨損的要求。( 4) 測量所得信號是一個(gè)與平均流速成線性關(guān)系的電動(dòng)勢, 它與液體的壓力、溫度、密度、粘度、電導(dǎo)率( 不小于電導(dǎo)率) 等物理參數(shù)無關(guān), 所以測量精度高, 工作可靠。
2 .. 電磁流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 .. 總體設(shè)計(jì)原理
本設(shè)計(jì)中, 考慮到單片機(jī)的價(jià)格、硬件資源、開發(fā)工具和功耗問題, 選擇了美國德州儀器公司的msp430 系列的msp430f149 單片機(jī)。美國德州儀器公司( ti ) 公司的msp430 系列是一個(gè)16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī), 在1996 年問世, 它具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段, 其中包括一系列器件, 它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組成, 由五種低電壓模式組成的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為可用電池工作, 并可以有很長時(shí)間的應(yīng)用[ 3] 。它們具有16 位risc 結(jié)構(gòu)的cpu , 16 個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器能使微控制器達(dá)到的代碼效率, 數(shù)字控制振蕩器使器件在少于6us 的時(shí)間內(nèi)從低功耗模式被喚醒到活動(dòng)模式。msp430f149 單片機(jī)帶有兩個(gè)內(nèi)置的16 位定時(shí)器, 一個(gè)快速的12 位a/ d 轉(zhuǎn)換器[ 4] 。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中采用msp430f149 作為主控制mcu, 利用tip107 等電路產(chǎn)生一個(gè)交變的勵(lì)磁電流, 加在傳感器的勵(lì)磁線包上, 產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場, 當(dāng)有流體流過時(shí), 管道內(nèi)的流體切割磁力線產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢, 經(jīng)過信號處理電路處理后, 數(shù)字信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理, 運(yùn)算, 再通過流量標(biāo)定系統(tǒng)計(jì)算出瞬時(shí)流量和累積流量送至液晶顯示屏顯示。并通過d/ a 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為4~ 20ma 電流量信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳輸出。其原理框圖如圖2 所示。圖2 .. 電磁流量計(jì)原理圖
2. 2 .. 信號處理電路
信號處理電爐的作用是將電磁流量輸出的和流量信號成比例的毫伏級的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以接受和處理的直流信號。信號處理電路是傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)的中介, 本設(shè)計(jì)中主要由前置放大電路和濾波電路組成。
2. 2. 1 .. 前置放大電路
前置放大具有很高的輸入阻抗和共模抑制比, 它的作用是將傳感器兩電極間的電勢差進(jìn)行放大, 而對電極與地面的同相干擾進(jìn)行抑制。本文采用運(yùn)算放大器作前置放大, 放大倍數(shù)為10 倍。選擇運(yùn)算放大器時(shí), 選擇了低功耗高精度運(yùn)算放大器op97[ 5] 。op97 是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)op07 系列[ 6] 的型號, 具有低功耗、低噪聲、低偏置電流、低失調(diào)的特點(diǎn)。其電路如圖3 所示。圖3 .. 前置放大電路圖
2. 2. 2 .. 低通濾波電路
電壓信號經(jīng)前置放大后, 由差動(dòng)信號變換為單端信號, 其輸出幅度較小, 依然不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 必須經(jīng)過再次放大, 由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾, 而輸入信號較小, 因此加入一個(gè)二階低通濾波電路來抑制雜散信號。低通濾波電路選擇壓控電壓源二階低通濾波電路, 在電路中既引入了正反饋又引入了負(fù)反饋。其電路如圖4 所示。圖4.. 低通濾波電路圖
3 .. 智能電磁流量計(jì)軟件設(shè)計(jì)
電磁流量計(jì)在相當(dāng)長的時(shí)間里只能被動(dòng)的接受傳感器傳來的流量信號, 不能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和做出相應(yīng)的判斷。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 單片機(jī)越來越多地應(yīng)用到電磁流量計(jì)中, 逐漸實(shí)現(xiàn)了電磁流量計(jì)的單片機(jī)化, 單片機(jī)應(yīng)用到電磁流量計(jì)中, 軟件設(shè)計(jì)部分就成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。系統(tǒng)主程序的流程圖[ 7] 如圖5 所示。圖5.. 電磁流量計(jì)主程序流程圖
4 .. 結(jié).. .. 論
本文設(shè)計(jì)的基于msp430f149 單片機(jī)的ldb 型電磁流量計(jì)實(shí)物如圖6 所示, 該流量計(jì)是用來測量各種導(dǎo)電液體或液固兩相介質(zhì)的體積流量, 包括變送器和智能轉(zhuǎn)換積算儀兩部分。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明, 該儀表具有測量精度高、顯示讀數(shù)直觀、功耗低、無可動(dòng)件、可靠性強(qiáng)、壽命長、防爆、防酸、防堿等優(yōu)點(diǎn), 基本滿足設(shè)計(jì)要求。適合水、酸、堿、鹽、泥漿等導(dǎo)電流體測量, 可廣泛適用于鋼鐵、石油、化工、水廠、醫(yī)藥、釀造等行業(yè)的流體測量及控制[ 8] 。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] .. 蔡武昌. 電磁流量計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展[m ] . 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002: 6..10.
[ 2 ] .. 蔡武昌, 馬中元. 電磁流量計(jì)[m ] . 北京: 中國石化出版社, 2004: 5..16.
[ 3 ] .. 胡大可. m sp430 系列flash 型超低功耗電量16 位單片機(jī)[ m ] . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2001: 45..73.
[ 4 ] .. 魏小龍. msp430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[m] . 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002: 56..62.--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：