智能椭圆齿轮流量计信号处理模块.docx
《智能椭圆齿轮流量计信号处理模块.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能椭圆齿轮流量计信号处理模块.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能椭圆齿轮流量计信号处理模块
智能椭圆齿轮流量计信号处理模块
第一章绪论1
1.1流量计量的意义1
1.2椭圆齿轮流量计的工作原理1
1.3常用的信号采集方法2
1.4本项目的工作3
第二章信号采集处理模块5
2.1磁敏电阻工作原理5
2.2信号采集处理模块设计6
2.3信号采集处理模块硬件电路8
2.4本章小结8
第三章椭圆齿轮电子信息处理单元硬件设计9
3.1MSP430单片机简介及MSP430F437的特点9
3.2信息处理单元电路设计10
3.3防爆设计15
3.4信息处理单元硬件电路17
3.5本章小结17
第四章椭圆齿轮电子信息处理单元软件设计18
4.1系统软件的整体设计18
4.2系统的软件设计18
4.3系统软件的综合调试36
4.4本章小结38
第五章总结39
5.1已达到合同要求的工作39
5.2合同外增加的工作39
第一章绪论
1.1流量计量的意义
在工业生产、科学实验、能源计量及社会生活等领域中，流量是与温度、压力、物位等一样，需要测量和控制的重要参数之一。
流量计量，与国民经济、国防建设、科学研究都有密切的关系。
而做好流量计量工作，对于保证产品质量、保障生产安全、提高生产效率、改进操作工艺、促进科技进步等都具有至关重要的作用。
特别是在能源危机、工业生产自动化程度越来越高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。
流量计的信息处理单元（表头）分为机械和电子两种，随着现场控制的需要和芯片半导体技术的发展，电子信息处理单元已经很大程度上取代了机械表头，用来实现现场显示、控制和信号远传。
近几十年来，随着半导体芯片技术的飞速发展，人类已经进入了电子信息时代。
由于电子产品在快速性、稳定性、可靠性以及小型化、高精度、无噪声等方面占据了绝对优势，它们已很大程度的取代了原有的机械传动装置，在生产、生活的各个方面起到了不可或缺的作用。
因此，工业控制仪表已普遍采用电子信息处理单元，以方便对生产过程的控制和检测。
特别是近十几年来，随着电子芯片的高度集成化，使用贴片元件代替传统插针封装的器件更是当前潮流。
同时，节约能源的观念已深入人心，因此低功耗产品已逐渐成为市场的主流。
1.2椭圆齿轮流量计的工作原理
椭圆齿轮流量计作为容积式计量的一种，具有计量精度高、对上游流动状态变化不敏感、安装简单、性能稳定、量程范围大等特点，因此被广泛应用于石油化工、贸易和轻工、食品等行业中。
其工作原理如下：
流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。
流量计的转动部分在这个压力差的作用下将产生旋转，并将流体由入口排向出口。
在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地被送往出口。
在给定流量计的条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到通过流量计的流体体积的累计值。
如图1-1所示。
图1-1椭圆齿轮流量计的工作原理
1.3常用的信号采集方法
当前国际国内的椭圆齿轮流量计电子信息处理单元技术已相对比较成熟，市场上也有许多该类型产品。
其主要区别表现在信号采集部分所使用的传感器及其原理不同，包括：
光电型传感器，舌簧管，霍尔元件传感器，韦根德传感器，磁敏电阻传感器等。
以下将这几种传感器进行比较：
●光电型传感器：
可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
但同时，小尺寸光电传感器收集光线的面积小，一次检测范围更小，光学性能较低，而且更加重要的是光电传感器功耗大。
●舌簧管：
舌簧管是一种磁敏的特殊开关。
它的两个触点由特殊材料制成，被封装在真空的玻璃管里。
只要用磁铁接近它，舌簧管两个节点就会吸合在一起，使电路导通。
因此可以作为传感器用，用于计数，限位等等。
采用舌簧管作为脉冲发生信号的传感器结构简单，但能检测到的信号频率较低，而且对焊接的温度有较高要求。
●霍尔元件传感器：
由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。
其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，可靠性较高。
但与此同时，霍尔元件传感器线路复杂，功耗大，市场上低功耗高精度的成熟产品较少。
●韦根德传感器：
韦根德传感器是一种当交变磁场经过时产生输出电压脉冲的传感器。
脉冲的幅度是由激励磁场的场强决定的。
因此，韦根德传感器不需要外界电源供电。
韦根德传感器的工作频率从0速率到20kHZ，脉冲的极性由激励磁场的极性所决定。
由于韦根德传感器非常容易和数字系统相匹配，并且系统没有可动的部件或半导体器件，这使得它们能适用于恶劣的环境。
但其体积较大，安装方式有限制，使用寿命相对较短。
●磁敏电阻传感器：
因为磁敏电阻的阻值随磁场的变化而变化，并且其阻值与磁感应强度有数量关系。
所以可以利用磁敏电阻阻值与磁感应强度的数量关系测量磁感应强度，还可以利用磁敏电阻阻值的变化，精确地测试出磁场的相对位移。
磁敏电阻传感器功耗低，可靠性高，信号频率范围大，但需要配套的整形电路，结构相对复杂。
1.4本项目的工作
本项目研究的目标是基于磁敏电阻传感器和MSP430系列单片机的智能椭圆齿轮流量计电子信息处理单元。
椭圆齿轮旋转产生磁场变化，磁敏电阻检测出此变化，经过隔直、放大、整形电路产生标准脉冲信号，输入单片机，并由单片机计算得出瞬时流量、累计流量等数据，通过液晶屏幕自动予以显示，用户通过按键完成仪表参数设置，显示内容切换等功能。
1.4.1研究内容：
●对项目建立整体思路；
●通过市场调研选择合理型号的磁敏电阻和MSP430单片机以及其他重要芯片和器件；
●绘制原理图，设计硬件电路；
●信号采集模块：
完成基于磁敏电阻的转速采集，产生标准电压方波并输入单片机；
●完成单片机及外围电路设计，编程序实现液晶显示、参数设置、信号转换、PWM输出等功能；
●整体调试，确保信息处理单元工作可靠；
●进行本安防爆设计，确保表头工作安全可靠。
1.4.2研究目标：
使本电子信息处理单元通过先进的磁场敏感元件检测到椭圆齿轮极低频率的转速，内嵌低功耗MCU自动完成瞬时、累积流量计算，液晶屏幕完成瞬时流量、累积流量等信息的显示，用户通过可磁性笔操作或按键，完成仪表系数置入、参数设置、显示内容切换等操作。
具体目标如下：
●该信息处理单元可适用于多种口径的椭圆齿轮流量计本体；
●电池供电时整机功耗≤450μA；
●液晶实时显示瞬时流量、累积流量；
●流量单位可设置，如m3/h、L/min、L/h、m3、L等；
●可磁性笔操作面板、使用按键或RS485通讯进行仪表参数设置；
●两线制24VDC和电池3.6VDC供电可选；
●两线制24VDC供电时，提供4～20mA电流输出和4mA/20mA脉冲信号输出；
●电池供电时，提供电压脉冲信号输出，幅值可根据用户需要而变化；
●具有电池电压过低报警功能；
●本安防爆设计。
第二章信号采集处理模块
在上一章中简单介绍了目前主流的椭圆齿轮流量计所使用的信号采集传感器的原理及其优缺点，本章将重点描述本课题所使用的基于磁敏电阻传感器的椭圆齿轮旋转信号采集模块。
2.1磁敏电阻工作原理
磁敏电阻是利用半导体的磁阻效应制造的，常用InSb（锑化铟）材料加工而成。
在一个长方形半导体InSb片中，沿长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体InSb片长度方向上就会发生电阻率增大的现象。
这种现象就称为物理磁阻效应。
本系统选择的HB-QCZ111型强磁体磁阻元件是一种高灵敏度磁阻元件，当有20mT或20mT以上的磁信号反复作用于该元件表面时，即有一定幅值的正弦波信号输出，其幅值只与磁信号的有无有关，与磁信号的强弱无关。
主要用于测量物体的旋转速度、旋转角度以及位置等。
且该元件为低功耗器件，在用电池长期供电的低功耗仪表中，有其不可比拟的应用价值。
（a）（b）
图2-1HB-QCZ111型磁敏电阻（a）产品外观（b）等效电路
表2-1HB-QCZ111型磁敏电阻的主要性能指标
参数
条件
最小值
典型值
最大值
单位
全电阻
B=5mT；θ=45º
500
650
800
kΩ
中点电位
VCC=5V；B=50mT
2.40
2.50
2.60
V
输出电压
VCC=5V；B=50mT
30
75
—
mVp-p
工作电压
——
—
5
10
V
工作温度
——
-40
—
120
℃
存储温度
——
-50
—
150
℃
图2-2磁敏电阻工作原理
2.2信号采集处理模块设计
嵌在椭圆齿轮上的磁钢经过磁敏电阻后，磁敏电阻两端会产生叠加有直流偏置的微弱正弦交流信号，此信号直流偏置约为电源电压值的1/2，交流信号的幅值约为30mV，如表1-1显示，频率与椭圆齿轮旋转的频率成正比。
如何将此交流信号提取出来，再经过放大整流，从而得到标准电压方波输入单片机，是此信号采集部分的难点。
2.2.1运算放大器的选择
由于此信号采集模块需要对信号进行放大、比较等处理，因此放大器、比较器的核心器件运算放大器就显得格外重要。
为满足系统电池供电低功耗的需求，运算放大器主要考虑低功耗品种，供电电压范围包含3.0V~3.3V，同时具有轨对轨输出功能的器件。
经过对市场上百余种运算放大器的反复比较，选择如下型号作为备选芯片：
表2-2运算放大器
型号
供电电压范围
功耗
是否轨对轨输出
LM258/358
3V~30V
0.7mA
否
OPA349
1.8V~5.5V
1uA
是
TLV2254
2.7V~8V
34uA
是
MCP6042
1.4V~5.5V
600nA
是
最终，通过对各运算放大器的温度范围、可靠使用寿命、封装形式、价格等因素的综合考虑，决定使用MCP6042作为本产品信号采集模块的运算放大器。
2.2.2信号采集模块的方案
图2-3是此信号采集模块的整体思路：
图2-3信号采集模块框图
此模块设计的关键点在于如何将磁敏电阻产生信号中的直流偏置完全消除，而不削弱本身就较小的交流信号。
电路实现：
利用差分电路消去直流偏置。
信号采集模块电路图：
（A）
（B）
图2-4信号采集模块电路图
此电路的原理是：
利用差分电路的改进电路——减法器来减去直流电压，完全取出交流小信号。
如图2-4，调节VR1使其分压与磁敏电阻的直流电压一致，在分压电阻和磁敏电阻后各接一个跟随器，以保证阻抗匹配，增大后续电路的驱动能力。
减法放大器可对两个跟随器产生的信号先求差再放大，放大后的信号与比较器进行比较，产生方波，可输入单片机。
其中：
（A）部分为直流分压调节部分，调节VR1使跟随器后的电压值为合适值，和磁敏电阻的直流偏置相抵消。
（B）部分为磁敏电阻传感器。
在没有磁场作用时，磁敏电阻中间端子产生直流信号，幅值为电源电压的一半；当磁钢经过其表面时，磁敏电阻中间端子产生的信号是在原有的直流偏置基础上叠加了mV级的交流信号。
（C）部分为减法放大器，由U2A及R3、R4、R5、R6组成，放大倍数为R6/R3。
经过减法器的两信号已消除直流偏置，提取出了mV级的交流信号，再经过放大，得到V几的交流信号。
（D）部分为比较器，将减法放大器输出的信号整流为同频率的方波标准信号，输入单片机。
2.3信号采集处理模块硬件电路
使用Protel99se软件绘制硬件电路，此电路板设计成直径4cm的圆形，3个安装孔，线路如图2-5所示：
图2-5信号采集模块硬件电路图
2.4本章小结
本章重点介绍了基于HB-QCZ111型磁敏电阻的信号采集模块，研究了两种设计方案的优缺点，并最终选定方案二，依此设计了硬件电路。
下一章将对椭圆齿轮流量计电子信息处理单元控制系统的硬件设计部分进行详细的阐述。
第三章椭圆齿轮电子信息处理单元硬件设计
上一章介绍了椭圆齿轮流量计的信号采集处理模块，经过此模块处理后产生的信号可直接输入单片机，通过计算得到累计流量、瞬时流量等。
在本章中，将主要介绍以单片机为核心的信息处理单元控制系统的各个模块和外围电路。
3.1MSP430单片机简介及MSP430F437的特点
3.1.1MSP430单片机简介
TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。
这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。
MSP430系列单片机具有丰富的片内外设，有极其广阔的应用范围。
MSP430系列单片机具有以下一些特点：
●低电压、超低功耗（1.8V~3.6V电压、1MHz时钟下运行，耗电电流仅为0.1~400uA之间，因不同的工作模式而不同）；
●强大的处理能力（16位RISC结构，丰富的寻址方式，简洁的内核指令和大量模拟指令，大量寄存器和片内数据存储器，较高的处理速度）；
●系统工作稳定；
●丰富的片内外设（看门狗、定时器A、定时器B、比较器、串口、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、14位ADC、端口0~6、基本定时器等）；
●方便高效的开发环境（OTP型、FLASH型、EPROM型、ROM型；开发语言为汇编语言和C语言）；
●工业级的产品（运行温度-40~+85℃）；
●强大的液晶驱动能力。
3.1.2MSP430F437的特点
由于考虑到驱动并口液晶，因此选用MSP430F437IPZ型号单片机，它的具体特点如下：
●低工作电压：
1.8V~3.6V。
●超低功耗：
活动模式280uA@1MHz，2.2V
待机模式1.1uA
掉电模式（RAM数据保持）0.1uA
●5种节电模式。
●从待机到唤醒的响应时间比超过6us。
●12位A/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性。
●16位精简指令结构（RISC），150ns指令周期。
●带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器有：
定时器A和定时器B。
●串行通信可软件选择UART/SPI模式。
●片内比较器配合其它器件可构成单斜边A/D转换器。
●可编程电压监测器。
●可在线串行编程，不需要外部编程电压。
●驱动液晶能力可达160段。
●可编程的保险熔丝保护设计者代码。
●FLASH存储器。
图3-1MSP430F437IPZ单片机
3.2信息处理单元电路设计
本信息处理单元的控制电路是以MSP430F437IPZ单片机为核心，辅以一些外围电路模块共同实现预期控制目标。
以下分别介绍此电路的各个外围模块。
3.2.1电源转换部分
24V转5V：
芯片AM402，由24V电压供电，产生5V参考电压。
（电路连接参见图3-7）
5V转3.3V：
通过电压转换芯片AAT3221实现。
电路连接见图3-2。
图3-2芯片AAT3221电路原理图
通过以上各个转换环节，可使输入电压为24V或3.6V时均为单片机提供稳定的直流电压，可保证其可靠工作。
3.2.2按键输入部分
本仪表共有4个常开按键：
（F）（↑）（→）和班产量清零键，其中（F）进行菜单选择、确认等；（↑）表示增加“1”；（→）键表示向右移位；班产量清零键用来实现对班产量的一键清零功能。
四个按键与单片机的四个I/O口直接连接，如图3-3，采用软件去抖，通过中断的方式触发处理程序。
图3-3按键电路原理图
3.2.3液晶显示部分
本项目液晶采用34引脚并行端口液晶F3641，具有双排显示功能，上排五位显示瞬时流量，下排八位显示累计流量或班产量，由用户通过按键进行选择。
同时，此液晶连接背光板，极具人性化，在设置参数或按键按下时背光自动打开，为用户提供照明。
与单片机连接时，只需将液晶的COM端分别连接于单片机的COM端，其余管脚依次连接单片机的液晶驱动端即可。
图3-4F3641型液晶外观示意图
图3-5液晶连接原理图
3.2.4脉冲输出部分
输入信号经单片机处理后，可经单片机发出与之同频率或倍频的脉冲信号。
根据系统供电电压选择输出脉冲的幅值，经过比较器和跟随器输出得到脉冲输出信号。
同时，单片机输出的幅值为3.3V的脉冲信号也可直接输出。
图3-6脉冲输出电路原理图
3.2.54~20mA电流输出部分
此操作只限供电电压为24V时进行，用户应事先对4~20mA对应的流量上下限进行设置，通过单片机输出PWM波，经过二阶滤波得到平滑电压，调节AM402的电位器VR1、VR2得到对应的4~20mA二线制标准电流。
图3-74~20mA电流输出电路原理图
3.2.6电池电压监测部分
电压监测芯片IM809的RST端可在电源电压低于某个特定值时产生电平跳变，由高电平跳到低电平。
单片机通过检测RST端即可检测到电源电压。
IMP809-S型的跳变电为2.93V，IMP809-R型的跳变电为2.63V。
其电路连接如图3-8。
当电源电压低于2.93V时，系统显示报警标志；当电源电压低于2.63V时，进入断电保护中断程序。
图3-8芯片IMP809电路原理图
3.2.7.RS485通讯模块
使用MAX485芯片实现485通讯功能，如图3-9。
图3-9485通讯功能电路原理图
3.2.8单片机各管脚连接
本系统单片机各管脚连接电路如图3-10所示。
图3-10单片机各管脚连接图
3.3本安防爆设计
在许多化工工业过程中，需要处理一些易燃易爆的工艺介质。
为确保人员生命和生产装置的财产安全，防爆技术已经应用于各个行业及相关专业，形成一系列的行业、国家和国际标准，并随着工业的发展而发展。
对于自动化仪表，最常用的防爆形式是本安型、隔爆型和增安型。
由于电子技术的飞速发展和低功耗电子器件的不断诞生，本安防爆技术的得到了更为广阔的推广和应用。
特别是由于本质安全型（简称本安型）防爆形式与其他防爆形式相比，不仅具有结构简单，适用范围广，而且还具有易操作和维护方便等特点，因此这种通过抑制点火源能量为防爆手段的本安型防爆仪表已被制造商和用户接受。
3.3.1本质安全防爆技术的原理
本安防爆技术实际上是一种低功率设计技术。
例如对于氢气（ⅡC）环境，必须将电路功率限制在1.3W左右。
针对电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要引爆源，本质安全技术通过限制电火花和热效应这两个可能的引爆源来实现防爆。
在正常工作和故障状态下，当仪表产生的电火花或热效应的能量小于一定程度时，低度表不可能点燃爆炸性危险气体而产生爆炸。
它实际上是一种低功率设计技术。
原理是从限制能量入手，可靠地将电路中的电压和电流限制在一个允许的范围内，以保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障情况下产生的电火花和热效应不致于引起其周围可能存在的危险气体的爆炸。
通常对于氢气环境，也就是危险程度最高、最易爆的环境，必须将功率限制在1.3W以下。
国际电工委员会（IEC）规定，在危险程度最高的危险场所0区，只能采用Exia等级的本安防爆技术。
因此，本质安全防爆技术是一种最安全、最可靠、适用范围最广的防爆技术。
3.3.2本质安全防爆设计
1.安全栅的选用原则
本质安全型设计要求危险区与安全区之间必须安装安全栅。
安全栅的防爆标志等级必须不低于本安现场设备的防爆标志等级。
安全栅的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的最低工作电压。
系统电路的开路电压、短路电流、等效电容与等效电感需要与安全栅匹配。
2.电池的选择
对于电池供电的本质安全型电路，首先应保证电池的安全性。
市场上常用的电池包括锂锰电池和亚硫酰氯电池。
亚硫酰氯电池一般分为能量型与功率型，能量型亚硫酰氯电池相比功率型亚硫酰氯电池可靠性更高。
此外要保证系统符合本质安全指标需要保证电池的短路电流小于规定值。
一般采取的方法是加装短路电阻与电池胶封在一起。
保证当电池发生短路情况时，系统的安全性。
3.电容电阻等储能元件的设计
对于不同的系统供电电压，系统的输入端需要对等效电容和等效电感以及电缆的电容电感有不同要求。
例如对于24V电压Exia要求等效电容小于0.65uF，大多数系统很难满足要求，针对这种情况可在低电压处输出端三重稳压。
本系统在低电压输出端加装1N53系列/5W稳压管。
4.对接地的要求
本质安全型仪表系统必须具有可靠的独立接地。
整个自动化仪表系统有四种类型的接地:
本质安全型仪表系统接地、信号回路接地、屏蔽接地和保护接地。
信号回路接地与屏蔽接地可共用一个单独的接地极，本质安全仪表系统需独立设置接地系统，与其它接地网相距5m以上。
保护接地可接到电气工程低压电气设备的保护接地网上。
电源线之间的距离保持在30mil以上。
接插件应该使用固定紧的接插件，从而保证，接插件不会掉落，从而导致系统的短接。
3.4信息处理单元硬件电路
使用Protel99se软件绘制硬件电路，此电路板设计成直径9.4cm的圆形，3个安装孔，线路和布局如图3-11所示：
图3-11控制系统硬件电路图
3.5本章小结
本章重点介绍了椭圆齿轮流量计电子信息处理单元的硬件部分，从电源电压转换、按键输入、液晶显示、脉冲输出、4~20mA电流输出、4/20mA电流脉冲输出、电源电压监测、RS-485通讯等几方面介绍了系统的硬件结构。
下一章将对系统的软件部分进行详细的阐述。
第四章椭圆齿轮电子信息处理单元软件设计
前一章对椭圆齿轮电子信息处理单元的硬件设计进行了介绍，本章具体介绍椭圆齿轮电子信息处理单元的软件设计。
4.1系统软件的整体设计
系统程序的设计采用自顶向下的模块化程序设计方法。
先制定整体方案，然后系统的每个功能都由对应的相互独立的子程序模块来实现，为以后软件功能的升级创造条件。
结合单片机系统软件开发特点，采用模块化的程序设计思想，系统程序主要由三部分组成：
系统主程序，实现各种功能的子程序，中断服务程序。
其中系统主程序用来根据标志位来调度相应的任务，子程序主要用来完成一定的独立功能，中断服务程序主要用来产生相应的标志位。
4.2系统的软件设计
4.2.1编程环境概述
软件编程环境采用的是IAR公司为MSP430系列提供的集成调试环境EmbeddedWorkbench和C语言调试器C-SPY。
用C语言程序设计来实现嵌入式系统的系统软件和应用软件的开发，可以大大提高开发调试工作的效率；同时，所产生的文档资料也容易理解，便于移植。
MSP430系列的C语言，与标准C语言兼容性程度高，开发调试的集成环境和人机界面良好。
IAR的C430编译器提供了C语言的标准特性，并且添加了许多为利用MSP430系列的特性而设计的扩展功能。
以MSP430F437IPZ单片机为核心的控制电路，完成了整个系统的所有控制功能，这些功能包括：
流量计量、流速显示、参数置入、脉冲输出、PWM波输出、电池供电时电压检测、24V供电时4~20mA电流输出等。
4.2.2单
升级会员 