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專業(yè)的流量?jī)x表資料網(wǎng)
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基于MSP430單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)孔板智能流量積算儀 2004年9月（1） 摘要 討論了一種基于低功耗單片機(jī)MSP430的天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板智能流量積算儀的設(shè)計(jì)。該儀表克服了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)計(jì)量不精確的缺點(diǎn)，并具有功耗低、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 天然氣 標(biāo)準(zhǔn)孔板 流量積算儀 低功耗MSP430 天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)是一種基于伯努利原理的差壓式流量計(jì)，它通過(guò)測(cè)量差壓而達(dá)到測(cè)量流量的目的。近年來(lái)為了提高天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確度，基于不同原理制造了不同的流量計(jì)，如渦街流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，但孔板流量計(jì)仍以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉及易于制造、安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛使用。據(jù)近年調(diào)查估計(jì)，在天然氣流量測(cè)量用流量計(jì)中利用標(biāo)準(zhǔn)孔板的在國(guó)際上約占60％，在國(guó)內(nèi)約占90％[1]。 本文所要討論的就是一種用于天然氣標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的智能流量積算儀。它應(yīng)用低功耗單片機(jī)MSP430作為控制器，不僅能夠在線測(cè)量流量值和差壓、靜壓、溫度值，同時(shí)還能實(shí)時(shí)進(jìn)行參數(shù)的溫壓補(bǔ)償，流量計(jì)算模型負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定，具有功能齊全、計(jì)量準(zhǔn)確、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。 1 工作原理 該智能流量積算儀的工作原理圖如圖1所示。其系統(tǒng)控制器選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的單片機(jī)MSP430F149。MSP430系列單片機(jī)因其低功耗已廣泛應(yīng)用于儀器儀表行業(yè)，特別適用于市電供給困難的場(chǎng)合，可長(zhǎng)期使用干電池供電。 圖1 標(biāo)準(zhǔn)孔板智能流量積算儀 由傳感器檢測(cè)到的孔板上游側(cè)氣流絕對(duì)靜壓、氣流流經(jīng)孔板產(chǎn)生的差壓和氣流溫度值經(jīng)模擬開關(guān)選擇放大后，由單片機(jī)自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果由CPU按一定的數(shù)學(xué)模型[2]進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和補(bǔ)償，得到瞬時(shí)流量值和氣體總量。計(jì)算結(jié)果進(jìn)行保存，并通過(guò)液晶屏顯示，也可通過(guò)外圍電路按其他方式輸出。本積算儀還可通過(guò)485接口與上位機(jī)之間進(jìn)行通信而作為一個(gè)較大范圍內(nèi)的流量計(jì)量關(guān)系系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 本系統(tǒng)可采用內(nèi)部3.6V的鋰電池和外部24V電源兩種供電方式。在正常計(jì)量時(shí)采用內(nèi)部電池供電；當(dāng)用戶需要輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)采用24V的外電源供電。 2 主要特點(diǎn) 2.1 低功耗設(shè)計(jì) 選用的MSP430系列單片機(jī)是一種低電壓（1.8V～3.6V）、低工作電流（在1MHz時(shí)為0.1～400 2.2 計(jì)量準(zhǔn)確 壓力、差壓傳感器選用的是高靈敏度、高可靠性的壓阻式傳感器，傳感器橋路外帶零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻；流量的計(jì)算模型符合標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定，相關(guān)參數(shù)具有相應(yīng)的實(shí)時(shí)溫壓補(bǔ)償；計(jì)算時(shí)全部采用5字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)，計(jì)算精度在±0.1％以內(nèi)，即使在極限情況下，其計(jì)算精度也能達(dá)到≤±0.2％。 2.3 功能齊全，用戶界面友好 可提供4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，0～1000Hz的頻率信號(hào)或脈沖信號(hào)；流量的歷史記錄可查詢；可通過(guò)RS－485接口與上位機(jī)通信，便于集中管理；或與專用M
3 硬件設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)的選型及說(shuō)明 MSP430F149是64腳的QFP封裝，具有5種不同的省電模式16；16位RISC指令結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式和強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力；集成了較多的片上外圍資源，比如12位的A/D、精密模擬比較器、硬件乘法器、2組頻率可達(dá)8MHz的時(shí)鐘模塊、2個(gè)帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器、2個(gè)可實(shí)現(xiàn)異步和同步及多址訪問(wèn)的串行通信接口、數(shù)十個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入和輸出端口。該型單片機(jī)還有2kB的RAM，具有60kB＋256字節(jié)的F1ash存儲(chǔ)器，可利用JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM下載、調(diào)試程序[3][4]。 3.2 單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 智能流量積算儀的單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示�，F(xiàn)將各部分電路的功能簡(jiǎn)介如下： 圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路原理圖 ①時(shí)鐘源和時(shí)鐘信號(hào) CPU的基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊含3個(gè)時(shí)鐘源：一個(gè)內(nèi)部集成的DCO振蕩器，一個(gè)低頻/高頻時(shí)鐘源（LFXT ②按鍵電路 利用一鍵多用、雙鍵復(fù)用技術(shù)，依靠4個(gè)按鍵，結(jié)合LCD顯示，可以完成用戶參數(shù)、廠家參數(shù)設(shè)置；實(shí)時(shí)測(cè)量傳感器輸出電壓；在線標(biāo)定壓力和差壓傳感器；并且可以在不同功能之間進(jìn)行切換。 ③信號(hào)采樣電路 溫度、壓力、差壓信號(hào)通過(guò)模擬開關(guān)，由CPU控制在不同的時(shí)刻進(jìn)行采樣。根據(jù)天然氣實(shí)際流動(dòng)情況以及降低功耗的要求，每0.5s采樣一次差壓值，4s采樣一次絕壓和溫度值。采樣得到的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大后輸入到單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換器。為降低整機(jī)的運(yùn)行功耗，運(yùn)放的開斷也受CPU的控制，與信號(hào)采樣同步。 ④LCD顯示及驅(qū)動(dòng) 表頭采用多段式液晶顯示，選用動(dòng)態(tài)的4時(shí)分割液晶驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器具有50個(gè)輸出端，可產(chǎn)生200段的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 ⑤ 外圍輸出電路 瞬時(shí)流量值可以根據(jù)用戶需要選擇不同的方式輸出：0～1000Hz的頻率信號(hào)；每個(gè)脈沖代表一定量的脈沖數(shù)；也可以將轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的流量值，通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路變?yōu)?～20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。 ⑥在貯與接口電路 為防止掉電時(shí)數(shù)據(jù)丟失，選用32k×8位的EEP-ROM來(lái)存貯用戶和廠家設(shè)置的參數(shù)以及流量累積值。通過(guò)485接口芯片實(shí)現(xiàn)串口通信。 |
）、具有5種省電模式的超低功耗微控制器[3][4]；外圍電路基本采用微功耗的貼片式CMOS芯片，使得整機(jī)最大工作電流小于380
,基本保證使用1節(jié)3.6V鋰電池（5Ah）供電儀表就能持續(xù)正常工作1.5~2年。
配套，利用電話網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成自動(dòng)讀表與管理系統(tǒng)；采用LCD顯示流量、溫度、壓力和差壓值，還能顯示電池余量，具有電池失壓報(bào)警功能；4個(gè)按鍵可以完成參數(shù)設(shè)置、功能切換、實(shí)時(shí)測(cè)量、在線標(biāo)定等多種功能，操作簡(jiǎn)單、直觀。
）和一個(gè)高頻時(shí)鐘源（ 
。后兩種時(shí)鐘源需要外接晶振，在本設(shè)計(jì)中，外接一個(gè)低頻晶振（32.768kHz）和一個(gè)高頻晶振（5MHz）�；A(chǔ)時(shí)鐘模塊提供的3種時(shí)鐘信號(hào)ACLK、MCLK、SMCLK可由軟件選擇不同的時(shí)鐘源和不同的分頻因子得到。 |
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