毕业设计基于msp430单片机的气体涡轮流量计的设计.docx
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毕业设计基于msp430单片机的气体涡轮流量计的设计
基于MSP430单片机的气体涡轮流量计设计
摘要:
流量测量在工业生产、能源计量、环境保护、交通运输、生物技术、军事工程和科学研究等领域占据重要位置，因此，流量测量仪表的研究和开发应用有着深远的意义。
涡轮流量计是流量测量仪表中不可缺少的一员，随着现代计算机技术的发展而不断发展和完善。
按照模块化设计方法，将系统硬件部分分为不同的功能模块分别进行设计。
本着小型化、智能化的原则，设计中采用TI公司的高性能、微功耗MSP430F147单片机作为控制核心，实现了气体流量的实时补偿，提高了仪表的测量精度。
在外围器件选型和软件编制过程中进行低功耗设计，极大地降低了仪表的功耗，使流量计具有较高的可靠性。
通讯方面可以选择RS-485和HART总线方式，方便了仪表与上位机的连接。
LCD显示和键盘方便了用户的操作。
软件部分采用了模块化的编程，介绍了各模块的实现方法，最后组合起来进行调试。
通过试验，本系统初步达到了流量计量的目的，系统的结构合理，功能完善，硬件和软件设计达到了预期要求。
关键词：
涡轮流量计；MSP430；流量补偿；HART总线；温压传感器
Designofgasturbingflowmeter
basedontheMSP430
abstract
Abstract:
Flowmeasurementoccupyanimportantpositioninindustrialproduction,energymeasures,environmental,protection,transportation,biotechnology,engineering,militaryscienceandotherfields.Therefore,therearefar-reachingsignificanceresearchanddevelopmentapplicationsinflowmeasurementinstrument.TurbineFlowmeterisanindispensableinstrument,whicharecontinuouslydevelopedandimprovedwiththedevelopmentofmoderncomputertechnology.Systemhardwareweredesignedthroughdividedintodifferentfunctionalmodules.ThroughuseofTI'sMSP430F147microcontrollerasthecore,makethegascompensationinreal-timeandimprovetheaccuracyofthemeasurement.Inthecourseofdesign,reducethepowerconsumptionoftheinstrumentgreatly,andmaketheflowmeterhaveahighreliability.ItbouthhasR485andtheHARTbus,soconnecttoPCveryconveniently.Usercanoperatetheturbineflowmetereasily,throughLCDdisplayandkeyboard.IntroductingthemethodofthemodulethathowtoImplementatandcombinationofdebuggingfinally.Theexperimentsresulthasshowedthatthesystemhasthefeaturesofrationalstructureandperfectfunction.
Keywords:
turbineflowmeter;MSP430;flowcompensation;HARTbus;pressure
Sensor.
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2气体流量计的分类1
1.3涡轮流量计的工作原理2
1.4涡轮流量计的特点2
1.5本文研究内容3
2温压补偿技术的研究4
2.1温压补偿的必要性4
2.2补偿原理4
3涡轮流量硬件电路设计5
3.1涡轮流量计硬件整体结构5
3.2单片机的选取5
3.2.1超低功耗5
3.2.2强大的处理能力6
3.2.3高性能模拟技术及丰富的片上外围模块6
3.2.4系统工作稳定7
3.3电源电路8
3.4流量测量电路9
3.4.1霍尔开关工作原理9
3.4.2流量测量原理及电路9
3.5温压检测电路10
3.5.1温压传感器的选取11
3.5.22MS5535B的特性与功能11
3.5.3模块图与连接12
3.6实时时钟13
3.7显示部分14
3.8按键设计15
3.9RS-485通讯部分16
3.10存储单元17
4涡轮流量计积算仪系统软件设计19
4.1软件总体构成19
4.2软件开发环境19
4.3流量计系统总体概述20
4.4涡轮脉冲采集部分22
4.5实时时钟程序模块23
4.5.1I2C总线的概念23
4.5.2I2C的位传输和起始信号24
4.6显示程序模块25
4.7HART通讯模块程序27
4.8单片机对存储模块的操作27
4.9系统其他辅助程序的应用29
4.10流量计的硬件和软件调试29
5结论31
参考文献...........................................................32
1绪论
1.1引言
在物资量计量领域中，流体流量的检测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理，进行物资交接、财务结算，经济核算，效益分析与评价及至决策的重要依据；也是企业监控生产过程，使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。
从某种意义上讲：
计量就是眼睛，计量就是金钱，计量就是效益。
现代企业对流量计量的要求越来越高，主要反映在满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度等方面，计量的准确可靠性愈来愈受到社会各界的关注。
气体涡轮流量计是一种速度式仪表。
它具有压力损失小、精确度高、始动流量低，抗振与抗脉动流性能好等特点。
广泛使用于石油、化工、电力工业锅炉等燃气计量和燃气调压站、输配气管网天然气、城市天然气计量等领域并可广泛用于贸易计量。
目前，国内在气体流量计特别是气体涡轮流量计的设计、制造与鉴定技术及设备装备水平方面远远落后于欧美国家。
而且国内所生产的涡轮流量计产品大多只有简单的计数显示器，客户无法直接从管路中气体流动状况了解流量计实际运行情况，同时性能与质量也不能与国外气体流量计相比。
随着中国与国际市场接轨的步伐加快，低精度流量计的使用会受到越来越大的限制，而高精度流量计将需求旺盛。
1.2气体流量计的分类
为了满足各种测量的需要，几百年来人们根据不同的测量原理，研究开发制造出了数十种不同类型的流量计，大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。
各种类型的流量计量原理、结构不同既有独到之处又存在局限性。
为达到较好的测量效果，需要针对不同的测量领域，不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计。
工业计量中常用的几种气体流量计有：
差压式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、旋进涡轮流量计、时差式超声波流量计、科式质量流量计等。
1.3涡轮流量计的工作原理
气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图1所示，它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。
涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有KQ=f，其中：
Q是流经变送器的流量（L/s）；f是电脉冲频率；k是仪表系数，次/升。
管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。
在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。
根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的k。
涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。
proteldxp2004.iso
图1涡轮流量原理图
Fig.1Theschemeofofheatmeter
1.4涡轮流量计的特点
在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。
二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。
涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。
像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。
因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。
除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。
涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁净度要求高。
流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。
而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。
因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。
1.5本文研究内容
本文研究的是一种新型涡轮流量计。
它的优点在于，采用了功能强大的CPU，使得外围芯片减少，整个系统结构简单，无可动部件，系统稳定性高，另外，系统的功耗低、速度快，这些都是本设计的考虑要点及实现目标。
流量积算系统是流量计的二次仪表，它接收一次仪表、变送器的信号，进行处理和运算，并将计算的结果由显示、积算单元进行显示和累积。
近年来生产的工业流量计都是由一次仪表、变送装置及二次仪表构成的一个流量测量系统。
流量显示积算在流量测量系统中起着极其重要的作用，从某种意义上讲，它的质量优劣代表了整个流量计的质量好坏。
对于流动工况波动或不断变化的各种工业流体介质，没有高性能、高运算精度的流量显示积算系统，不可能准确测量流量。
一个智能流量积算系统就是要充分利用单片机体积小、功能强大、价格便宜、可靠性高等优点并配合一些外围器件，通过编制合理的软件程序完成流量高精度的积算的较先进的一种计量系统。
它可以充分利用系统的软、硬件资源，方便完成高精度的补偿运算，并根据配接的流量传感器类型通过良好的人机界面完成参数设置，调用不同的数学模型完成相应的积算。
本论文重点就在于讲述一个智能流量积算系统的硬件以及软件设计。
2温压补偿技术的研究
2.1温压补偿的必要性
所谓流量计量的补偿，就是对流量计读数的系统误差的修正。
流量检测装置的系统误差，多数是流体性质及条件（如温度、压力、成分及流量范围等）变化引起的，流量计输出信号与被测流量之间的刻度关系只能依据某一特定工艺状况来确定，如果流量计的实际刻度系数己经发生变化，这时仍按原刻度关系读取流量，就必然会产生误差。
由于气体的可压缩性，决定了它的流量测量比液体复杂，仪表的输出信号除了输入信号有关，还与气体密度有关，而气体的密度又是温度和压力的函数。
所以，气体的流量测量普遍存在温度与压力的补偿问题。
采用涡轮流量计（速度法）测量气体流量从它的计算公式上看，流体的体积流量与密度无关，也就是与温度、压力没什么关系。
但实际上此时测得的流量是针对某一工况下的流量值，而气体流量计读数一般以标准体积流量表示，因此就存在一个现场状况（非标准状态）与标准状态的体积换算问题。
即使采用质量流量表示也要先变换到标准状态下的体积流量再乘以标准气体的密度。
因此，速度法测量气体流量也需要进行温度、压力的补偿。
2.2补偿原理
气体涡轮流量计温压补偿的原理就是把工况条件（非标准状态）下所测的体积流量转换成标准状况（20℃,0.1013MPa）下的体积流量。
对于气体来说气体体密度是温度T和压力P的函数，当流体压力、温度变化较大时，将引起密度的较大变化。
密度的不同也就显示了不同的工况条件下测得的相同体积则可能代表了不同的标准体积流量。
测流量也可以测量流体的密度，但通常测量流体的温度和压力要比测量介质的密度更容易，特别在高温、高压下，目前现有的密度计还很难直接测量出流体的密度。
因此，必须根据标准体积与工况体积、压力、温度的函数关系进行补偿。
显然，这种补偿方法的关键在于必须有一个适合于被测流体的VN=f（P,T,V）函数表达式，然后将其带入流量方程式，求出补偿系数，并按此规律进行补偿。
3涡轮流量硬件电路设计
3.1涡轮流量计硬件整体结构
本课题设计的涡轮流量计由流量传感器、温度传感器、微处理器、LCD显示、HART模块、按键等组成。
该系统以MSP430F147单片机为核心,配合外围器件，实现了信号采集，数据处理，现场显示,累计存储,通讯,按键设置的人机界面等功能。
原理图如图2所示。
图2涡轮流量计原理图
Fig.2Theschemeofofheatmeter
3.2单片机的选取
MSP430系列单片机针对各种不同的应用，包括一系列不同型号的器件，主要特点有：
3.2.1超低功耗
MSP430系列单片机的电源电压采用1.8-3.6V低电压，RAM数据保持方式下仅耗电0.1uA，活动模式耗电250uA/MIPS（MIPS：
每秒百万指令数），IO输入输出端口的漏电流最大仅为50nA。
MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：
基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。
有时钟系统产生CPU和各功能模块所需要的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的功能模式，芯片的功耗有明显的差异。
在系统中共有一种活动模式AM和5种低功耗模式LPM0-LPM4。
另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。
用中断请求将CPU唤醒只要6us，通过合理编程，既以降低系统功耗，又可以对外部事件做出快速响应。
3.2.2强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令及结构（RISC），一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可以达到8MPIS（注意：
同样8MPIS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8微处理器高远不止两倍）。
TI不久还将推出20-30MIPS的产品。
同时，MSP430系列单片机的某些型号，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（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的一些算法（如FFT、DTMF等）。
这种结构在其它系列单片机中尚未使用。
3.2.3高性能模拟技术及丰富的片上外围模块
MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。
视型号不同可能组和有以下功能模块：
看门狗（WDT）、模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0，1（USART0，1），硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12位/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数字存取（DMA），端口0（P0），端口1-6（P1-P6），基本定时器（BasicTimer）等。
其中，看门狗可以在程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可以设计出（10-11位）高精度的A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能；大量的捕获/比较寄存器，可以用于事件计数、时序发生、PWM等；多功能串口（USART）可实现异步、同步和I2C串行通信，可方便的实现多机通信等应用；具有较多的IO端口，最多达6*8条IO口线，IO输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流（最大约25mA），保证系统安全；P0，P1，P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器有较高的转换速度，最高可达200Kb/s，性能满足大多数数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15X和F16X系列有两路12位高速DAC，可以实现直接数字波形合成等性能；硬件I2C串行总线接口可以扩展I2C接口器件；DMA功能可以提高数据传输速率，减轻CPU的负荷。
MSP430系列单片的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
3.2.4系统工作稳定
上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置执行，保证晶体振荡器有足够的起振和稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。
这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。
另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40-+80℃，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。
选择所用单片机为MSP430系列单片机后，对单片机的片内资源进行需求分析，最后选择了MSP430F147单片机，它具有如下特点：
低工作电压：
1.8-3.6V
超低功耗：
活动模式220μA@1MHz，2.2V
待机模式0.7μA
掉电模式（RAM数据保持）：
0.1μA
有5种节电模式
从待机道唤醒的响应时间不超过6μs
片内频率锁相环FLL+，可使系统工作在稳定的频率上
16位精简指令结构（RISC），150ns指令周期
具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器
集成96段液晶驱动器片内比较器配合其它器件可以构成斜边A/D转换器
可在线串行编程可编程的保密熔丝保护设计者代码Flash存储器
3.3电源电路
电源电路的作用主要是给测量系统供电，本测量系统主要是靠3.6V的锂电池供电，为了最大限度降低功耗，单片机及所有的外围芯片在选型时的工作电压都是3.3Ｖ，所以系统电源必须满足两点要求：
1．在电池电压高于3.3V的时候必须起到将高电压降至3.3V的作用。
2.使用一段时间后由于电池电量的下降，电压也随之下降，势必低于3.3V。
这时电源必须起到把低电压升压到3.3V的作用。
为了达到以上性能要求，在设计电源时选择了austriamicrosystems公司AS1325稳压片。
AS1325是集成了同步整流器的高效升压DC-DC转换器，其效率为96%。
在输出电压为3.3V的条件下，该器件可提供1.5至5V的供电电压。
当输入电压低于2V，输出电压为3.3V时，输出电流可达185mA。
完全可以满足系统的供电需求。
另外本系统采用理光R3111H301C3.0V电压检测芯片，当电压低于3.0V时，P1.0输出低电平，P1.0下降沿中断有效，进入中断处理，显示“换电池”同时蜂鸣器发出报警声。
电源电路的连接如图3所示
图3电源模块原理图
Fig.3TheschemeofofPowerModule
3.4流量测量电路
3.4.1霍尔开关工作原理
当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。
两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为：
U=K×I×B/d（3.1）其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。
由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。
霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。
3.4.2流量测量原理及电路
按图4所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。
霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。
图4旋转传感器磁体设置
Fig.4Setrotationsensormagnet
由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。
在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。
本流量传感器由霍尔开关元件A3210，带磁涡轮及电平转换电路组成，构成如图5所示。
将A3210固定在距涡轮所在平面约1～3mm处。
永磁铁经过霍尔元件附近一次，即产生一个计量脉冲；如果一个涡轮有8个叶片，且每一转对应0.01m³，那么传感器的一个脉冲就对应0.01m³/8的流量。
根据这一原理，我们可确定流量的计算公式为；Q=K×M（3.2）式中，Q为流量m³；K为基表系数，0.01m³／r；N为转数。
图5涡轮脉冲采集框图
Fig.5ThediagramofPulseAcquisitionwithTurbo
根据这一原理，只要通过MSP430的捕获功能计算A3210产生的脉冲的频率，就能实时的计算出气体在标况下的流量了。
3.5温压检测电路
本设计的关键是选用合适的温度和压力传感器，使硬件电路最大限度的简化，而且与所选MSP430单片机相匹配，达到预期的精度和超低功耗要求。
3.5.1温压传感器的选取
本设计采用的MS5535B是一种集成度高、功能强大的集成芯片。
集成传感器近年发展很快，和经典的传感器相比，集成传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。
一般的传感器多为一个传感器测量一个参数，而传感器的多功能与集成化则是在芯片上制作出多个传感器来测量多个参数。
传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列，主要有三个方面的含义：
一是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上，用来测量被测量的空间分布信息，例如压力传感器阵列或我们熟知的CCD器件；二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成，例如将不同气敏传感元集成在一起组成电子鼻，利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应，采用神经网络模式识别等先进数据处理技术，可以对混合气体的各种组分同时监测，得到混合气体的组成信息，同时提高气敏传感器的测量精度；这层含义上的集成还有一种情况是将不同量程的传感元集成在一起，可以根据待测量的大小在各个传感元之间切换，在保证测量精度的同时，扩大传感器的测量范围；三是指对不同类型的传感器进行集成，例如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感器，能同时测到环境中的物理特性或化学参量，用来对环境进行监测。
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