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基于MSP430單片機的標準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MSP430的天然氣標準孔板智能流量積算儀的設計。該儀表克服了傳統孔板流量計計量不精確的缺點,并具有功耗低、功能齊全的優點。

關鍵詞   天然氣   標準孔板  流量積算儀  低功耗MSP430

    天然氣標準孔板流量計是一種基于伯努利原理的差壓式流量計,它通過測量差壓而達到測量流量的目的。近年來為了提高天然氣計量的準確度,基于不同原理制造了不同的流量計,如渦街流量計、旋進漩渦流量計,但孔板流量計仍以結構簡單、價格低廉及易于制造、安裝和維護等優點得到廣泛使用。據近年調查估計,在天然氣流量測量用流量計中利用標準孔板的在國際上約占60%,在國內約占90%[1]。

本文所要討論的就是一種用于天然氣標準孔板流量計的智能流量積算儀。它應用低功耗單片機MSP430作為控制器,不僅能夠在線測量流量值和差壓、靜壓、溫度值,同時還能實時進行參數的溫壓補償,流量計算模型負荷標準[2]規定,具有功能齊全、計量準確、功耗低的優點。

1  工作原理

該智能流量積算儀的工作原理圖如圖1所示。其系統控制器選用美國TI公司生產的單片機MSP430F149。MSP430系列單片機因其低功耗已廣泛應用于儀器儀表行業,特別適用于市電供給困難的場合,可長期使用干電池供電。

               圖1  標準孔板智能流量積算儀

由傳感器檢測到的孔板上游側氣流絕對靜壓、氣流流經孔板產生的差壓和氣流溫度值經模擬開關選擇放大后,由單片機自帶的12位A/D轉換器進行轉換。轉換結果由CPU按一定的數學模型[2]進行實時運算和補償,得到瞬時流量值和氣體總量。計算結果進行保存,并通過液晶屏顯示,也可通過外圍電路按其他方式輸出。本積算儀還可通過485接口與上位機之間進行通信而作為一個較大范圍內的流量計量關系系統的一個節點。

本系統可采用內部3.6V的鋰電池和外部24V電源兩種供電方式。在正常計量時采用內部電池供電;當用戶需要輸出標準信號時采用24V的外電源供電。

2  主要特點

2.1  低功耗設計

選用的MSP430系列單片機是一種低電壓(1.8V~3.6V)、低工作電流(在1MHz時為0.1~400 )、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,使得整機最大工作電流小于380 ,基本保證使用1節3.6V鋰電池(5Ah)供電儀表就能持續正常工作1.5~2年。

2.2 計量準確

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溫度補償電阻;流量的計算模型符合標準[2]規定,相關參數具有相應的實時溫壓補償;計算時全部采用5字節的浮點數,計算精度在±0.1%以內,即使在極限情況下,其計算精度也能達到≤±0.2%。

2.3 功能齊全,用戶界面友好

可提供4~20mA的標準模擬信號,0~1000Hz的頻率信號或脈沖信號;流量的歷史記錄可查詢;可通過RS-485接口與上位機通信,便于集中管理;或與專用M 配套,利用電話網絡構成自動讀表與管理系統;采用LCD顯示流量、溫度、壓力和差壓值,還能顯示電池余量,具有電池失壓報警功能;4個按鍵可以完成參數設置、功能切換、實時測量、在線標定等多種功能,操作簡單、直觀。

3 硬件設計

3.1 單片機的選型及說明

MSP430F149是64腳的QFP封裝,具有5種不同的省電模式16;16位RISC指令結構,豐富的尋址方式和強大的運算處理能力;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8MHz的時鐘模塊、2個帶有大量捕獲/比較寄存器的16位定時器、2個可實現異步和同步及多址訪問的串行通信接口、數十個可實現方向設置及中斷功能的并行輸入和輸出端口。該型單片機還有2kB的RAM,具有60kB+256字節的F1ash存儲器,可利用JTAG接口或片內BOOT  ROM下載、調試程序[3][4]。

3.2 單片機系統電路設計

智能流量積算儀的單片機系統電路原理圖如圖2所示,F將各部分電路的功能簡介如下:

               圖2 單片機系統電路原理圖

①時鐘源和時鐘信號

CPU的基礎時鐘模塊含3個時鐘源:一個內部集成的DCO振蕩器,一個低頻/高頻時鐘源(LFXT )和一個高頻時鐘源( 。后兩種時鐘源需要外接晶振,在本設計中,外接一個低頻晶振(32.768kHz)和一個高頻晶振(5MHz);A時鐘模塊提供的3種時鐘信號ACLK、MCLK、SMCLK可由軟件選擇不同的時鐘源和不同的分頻因子得到。

②按鍵電路

  利用一鍵多用、雙鍵復用技術,依靠4個按鍵,結合LCD顯示,可以完成用戶參數、廠家參數設置;實時測量傳感器輸出電壓;在線標定壓力和差壓傳感器;并且可以在不同功能之間進行切換。

③信號采樣電路

 溫度、壓力、差壓信號通過模擬開關,由CPU控制在不同的時刻進行采樣。根據天然氣實際流動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。采樣得到的信號經運放放大后輸入到單片機自帶的A/D轉換器。為降低整機的運行功耗,運放的開斷也受CPU的控制,與信號采樣同步。

④LCD顯示及驅動

  表頭采用多段式液晶顯示,選用動態的4時分割液晶驅動器。該驅動器具有50個輸出端,可產生200段的驅動信號。

⑤ 外圍輸出電路

  瞬時流量值可以根據用戶需要選擇不同的方式輸出:0~1000Hz的頻率信號;每個脈沖代表一定量的脈沖數;也可以將轉換成電壓信號的流量值,通過V/I轉換電路變為4~20mA的標準模擬信號。

⑥在貯與接口電路

為防止掉電時數據丟失,選用32k×8位的EEP-ROM來存貯用戶和廠家設置的參數以及流量累積值。通過485接口芯片實現串口通信。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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