工程科技智能无线数传流量计.docx

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工程科技智能无线数传流量计

智能无线数传流量计

摘要

本文介绍了一种以MSP430F149单片机为主控制器的低功耗流量计。

论述了流量计的基本原理，温度检测原理，流量检测原理，系统结构组成及其硬件设计，系统的低功耗设计与实现。

并拥有RS485通信接口，以及NRF401无现通信接口，可实现远程抄表和集中管理等功能。

结合MSP430单片机技术及其它相关技术的新进展，研究了便携式智能仪器仪表的实用低功耗技术。

对智能仪器仪表的低功耗设计具有指导作用。

本系统采用新型低功耗的16位单片机--MSP430F149作为整个系统的控制核心,利用了MSP430超低功耗和高集成

度的优点，该系统非常适合于电池供电和空间受限的工作环境以及便携式应用场合。

并配备液晶显示模块LCM0826B，从而简化了系统硬件电路，同时也大大降低了系统成本。

关键词：

单片机；智能仪器仪表；低功耗

TheWirelessDigitaltransmissionofIntelligentFluxMeter

Abstract

ThesepapersintroducealowpowerconsumptionintelligentfluxmeterbyusingtheMSP430F149singlemicrocomputer.Andreportedthatthemeasureprincipleofliquidvolumeandtemperature.thesystemconstructionconstitutesanditshardwaredesign.thelowpowerofthesystemconsumesthedesignwithrealizes.AndowntheRS485,correspondenceconnectandnRF401wirelesscorrespondenceconnect.owntheremotereaderandcentralizedmanagementetc.function.

ConsideringthenewachievementsofmicrocontrollertechnologyMSP430andotherrelevanttechnology,thepracticallowpowerconsumptiontechniquesforportableintelligentinstrumentsarestudiedinthispaper.Thisisvaluabletodesigningthelowpowerconsumptionperformanceofportableintelligentinstruments.wedesignisbasedonthenewtypeandsuper-low-power16bitssystem----MSP430F149.Takeadvantageofultra-low-powerhigh-integration,thissystemcanbeusedtotheconditionofbatterysupplyandlimitedspaceorportableapplication.Withthisfoundation,asthememorizeofECG.LCM0826BisusedastheLCDdisplayofthesystem.Sothiscircuitissimplifiedgreatly.Itmustbeappliedwidelyandsurelyhasapromisingprospect.

Keywords:

microcontroller;intelligentinstrument;lowpowerconsumption

第1章绪论

1.1流量仪表的历史、现状及发展趋势

   我国开展近代流量测量技术的工作比较晚，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产。

至今，从事流量仪表研究和生产的单位已有200多家，90年代更进入了快速发展时期。

流量仪表是一种仪表性能强烈依赖于使用条件的仪表，国际流量界人士曾言，流量计是使用比制造要艰难得多的少数仪表之一，虽然实验室它可以得到极高的精确度，但是在使用现场若条件变化，一切全都白废。

流量计出厂检验其误差是±0.5%，可是在使用中却有可能造成±3～±10%的误差。

其原因则多种多样，如量程选择不对，上下游直管道长度不足，液体中含气量较大，检测件腐蚀磨损，积垢及堵塞等等。

应该说流量是一个测量系统的问题，在这个系统中包括检测装置、显示装置、前后测量管及辅助设备等。

所以流量计本身性能好并不能保证获得要求的精确度，它要求整个测量系统符合规定的要求才行。

综合而论，完善的流量计应适应的条件大致如下：

（1）检测体最好无阻碍物，用可随意移动更换安装点。

（2）夹装在管道外面，不需截开管路与流体。

（3）仪表流量计量方程简捷，并可推算未知数据，且无需实流校验。

（4）频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传，且抗干扰、方便的与计算

机联接。

（5）仪表输出信号不受流体介质特性和流体，流动特性的影响。

（6）仪表重复性好、范围度宽、线性好。

（7）仪表可靠性高，价格适中，维修简单等。

目前，很难说那种类型仪表兼备上述各项条件，只是依据测量条件，或多或少兼顾其适用性。

正确合理的选择流量测量仪表并非易事，在对美国工业现场安装的流量仪表检查中，发现约半数以上的仪表选用不是最合适的或使用不太正确，而在这些仪表中又约有半数以上虽然采用合适的测量方法，却被错误地布置和安装。

因此，我们在选择时要充分考虑到各方面的因素。

如：

性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和费用等等。

1.2流量仪表分类及主要性能

   下面就目前市场上的主要流量仪表分类及主要性能及适应条件做个简要介绍：

1差压流量计

   差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的液体条件和检测件与管道的几何尺寸不测量的仪表。

如孔板流量计、文丘里管流量计及均速管流量计等。

近年来，在国际范围内，差压流量在流量仪表总量中台数约占到50%-60%。

我国的销售台数约为40%左右。

差压流量计的精度在很大程度上决定于现场的使用条件。

主要是流体的物性参数及和流体流动特性。

整套流量计的精度还决定于差压变送器和流量显示仪的精度。

因此，差压流量计是一种从设计、制造到安装使用要求很严格的仪表，在任何的环节失误都会产生很大的误差。

另外，差压流量计输出信号与流量为平方关系，是非线性仪表，范围度较窄。

压力损失大也是它的弱点之一。

在安装条件方面，和其它推理式流量一样，要求有较长的直管段。

 2容积式流量计

容积式流量计是利用机械测量文件把液体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室多次，重复地充满和排放该体积部分与流体的次数不测量液体体积总量。

在流量仪表中是精度最高的一类。

在国际市场上，其销售额在工业发展发达国家中占流量仪表的20%左右，我国销售额大约在20%左右。

容积式流量计其优点如下：

精确度高，基本误差一般为±0.5%；特殊的可达±0.2%左右；

没有前置直管段的要求，这一点在现场使用中有重要意义；

可用在高粘度流体的测量，范围度宽，一般为10:

1到5:

1；

层直读式仪表，无需外部能源，操作方便。

任何仪表有其优点，也有其局限性，容积式流量计的缺点主要表现在：

结构复杂，体积大，笨重，故一般只适用于中小口径；

对被测介质种类，介质工况、局限性较大，适应范围窄；

安全性差，如检测活动件卡死，流体就无法通过；

部分形式容积式流量计在测量过程中会给流动带来脉动。

由于精度高，在石化、医药、食品以及能源等工业部门计量昂贵介质时首选。

然而，由于需要定期维护，因此在放射性有毒流体等不允许人们接近的维护的场所不宜采用。

目前，容积式流量计作为贸易结算储运交接仪表。

3浮子流量计

浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表。

又称转子流量计。

80年代，西方发达国家该种流量计的销售额约占流量仪表的10%-18%。

我国约为15%左右。

浮子流量计适用于小管径和低流速。

常用仪表口径40-50mm以下，最小口径做到1.5-4mm。

浮子流量计对直管段要求不高，并有较宽的流量范围度。

目前，被广泛地应用在电力、石化、冶金等流程工业和污水处理等公用事业。

主要用作直观流动指示或测量精度要求不高的现场指示仪表。

4涡轮流量计

涡轮流量计是叶轮式流量（流速）计的主要品种，叶轮式流量计还有风速计、水表等。

该流量计在石油、各种液体及天然气、煤气等领域有着广泛应用。

90年代中期在世界范围内，其销售额在流量仪表总线中约占9%左右。

而我国在90年代其年销售量约在2万台以下。

主要特点：

高精度，对于液体一般为±0.25%R－±0.5%R,而介质为气体，一般为±1%-±1.5%R；重复性好，短期重复性可达0.05%-0.2%,因此在贸易结算中是优先选用的流量计；输出脉冲频率信号，无零点漂移，抗干扰能力强；范围度宽，结构紧凑轻巧，安装维护方便；难以长期保持较好的特性，需定期检验；一般液体随粘度的增大，流量计测量下限值提高，范围度缩小，线性度变差；流体物性（密度、粘度）对仪表特性有较大影响，受流速分布畸变和　转流的影响较大；不适于脉动流和混和流的测量，同时，对被测介质的清洁度要求较高等。

 5电磁流量计

电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表。

近年来，发展速度较快，95年全球产量估计在13万台以上。

其优缺点如下：

由于测量通通是一段无阻流检测件的光滑直管，不易阻塞适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相液体，如纸浆、泥浆等；所测得的体积流量，不受流体密度、粘度、压力等变化明显的影响；对直管段的要求较之其它流量仪表不高；可测正、反双向流量，也可测脉动流量，并可应用于腐蚀性流体；不能测量电导率很低的液体；不能测量气体、蒸汽和含有较多大气泡的液体等。

目前，电磁流量计，其大口径仪表较多应用于给排水工程，中小口径常用于固液双相等难测流体，或高要求场所。

如工业纸浆、矿浆、化学工业的强腐蚀液等。

小口径、微小口径则常用于医药工业、食品工业、生物工程等有卫生要求的场所。

6涡街流量计

70至80年代是涡街流量计迅速发展时期，开发出众多类型阻流体及检测性的涡街流量计，并大量投放市场。

我国涡街在发展高峰期，曾达到数十家，应该说，涡街流量计尚属发展中的产品，无论在理论基础或是实验经验尚较差，目前最基本的流量方程经常引用卡曼涡街理论。

优点和局限性：

优点：

结构简单牢固，安装维护方便；

适用的流体种类多。

如液体、气体、蒸汽和部分混相流体；

精度较高、范围较宽、压损小。

局限性：

不适用于低雷诺数测量，故在高粘充、低流速、小口径情况下应用受到限制；旋涡分离的稳定性受流速的影响。

要求有足够的直管段；力敏检测法对管道机械振动较敏感，不宜用于强振动场所；仪表在脉动流、混相流中尚欠缺理论研究和实践经验；涡街流量计在多年使用中，其效果并不理想，大致原因在产品的质量、选型不当，以及现场调整问题。

7超声波流量计

由于超声波测量原因是长度与时间二个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流量的基准。

超声波流量计的优缺点和局限性：

   优点：

非接触测量，无需停产安装，这是在工业用流量仪表中具有的独特优点，适用于管网流动状况评估测定；

超声波流量计为无流动阻挠测量，故管　内无压力损失；

对于大型管道，不仅能带来方便的安装，更带来可观的经济效益。

局限性：

由于外装器不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里与内管壁剥离的管道（近年来，汇中公司开发出的插入式测量彻底的解决了这个问题。

且能实现不停产安装、调试）。

超声波流量计以其独有的特性而迅速得到了广泛的应用。

有数据显示到90年代中期全球年产量超过30000台，其它主要流量仪表还有科里奥利质量流量计、热式质量流量计、明渠流量计等。

1.3MSP430新型智能流量计设计意义

随着微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，以微型计算机（单片机和嵌入式系统）取代传统仪表的常规逻辑电子线路，开发新一代的具有某种智能的灵巧仪表，已成为仪表开发领域的新趋势。

MCU（微控制器或单片机）及嵌入式系统等的问世和性能的不断改善，大大加快了仪器仪表微机化和智能化的进程。

MCU本身具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，用它们开发各类智能产品更具有周期短成本低等优点，因此在计算机和仪表一体化设计中有着更大的优越和潜力。

流量计是在线测量管道内流体流量的测量仪表，在石油、化工、冶金等行业有着普遍的应用，但目前普遍的流量计的电源功耗比较高，需要铺设专用的电源线和信号传输电缆，给用户造成了较大的不便。

MSP430新型智能流量计一种超低功耗的流量仪表，仪表具有多种丰富的接口，当采用电池供电和无线数据传输，无需铺设电缆，方便用户使用，提高仪表的性价比。

也可由外部提供电源，该流量计适用于各种复杂环境，并可以和其他上下游设备结合，实现现场流量测量的智能化和多功能化。

第2章具体电路设计

流量计的设计主要考虑低功耗的特性，控制器采用TI公司生产的MSP430F149。

流量计可分为几个功能模块进行具体的设计

图2-1流量计硬件电路

整个系统分为四大模块：

温度检测模块：

通过温度传感器，将信号送入差送放大器，经过放大后，将信号输入MSP430F149单片机的A/D转换口进行数据处理或保存。

流量检测模块：

当有定量液体流过时，传感器将产生一个脉冲，通过得到的脉冲数计算流过的流量。

通信模块：

包括RS485通信接口和NRF401无线通信电路。

液晶显示模块：

可显示当前的液体流量。

2.1温度采样电路设计

在整个系统中温度采样十分重要，精确的温度测量是整个热量表的保证。

2.1.1温度采样原理

图2-2温度采样原理图

温度传感器采用铂热电阻PT100，

如图采用三线制温度电桥进行温度测量

V0=

2.1.2温度采样电路

温度采样分为传感器和A/D转换器两部分。

图2-3温度采样电路

如图：

由R10，R11，R12以及PT100组成桥路。

在选用电源控制时PNP三极管换成了低压场效应管，通过控制场效应管的关断来决定桥路的工作。

放大器选用TLV2322。

这是一种新型低电压低功耗双运放大器，采用+3伏电源供电，温漂极小。

工业用薄膜铂热电阻作为新一代的温度测量和调节的传感器，通常用来和显示仪表等配套，以直接测量各种生产过程中-79℃～600℃范围内液体，

蒸汽和气体介质及固体表面等温度。

主要技术指标

·热电阻感温元件在0℃时的电阻值（R0）

分度号Pt100B级R0=100±0.12Ω

铂热电阻的电阻与温度关系一般可用以下关系表示：

在-79～0℃范围内,Rt=R0[1+At+Bt2+C（t-100℃）t3]

在0～600℃范围内：

Rt=R0（1+At+Bt2）Rt为t℃时热电阻的电阻值（Ω）,式中的R0为0℃时热电阻的电阻值（Ω）

t为被测介质温度（℃）A、B、C等均为有关的分度常数。

·温度范围和准确度

热电阻类别分度号精度等级测温范围℃允许偏差Δt

WZP型薄膜

铂热电阻

Pt100B级-79～600±（0.3+0.005|t|）

注：

１式中“t”为感温元件实测温度绝对值（℃）。

２.实际适用温度须根据具体情况而定。

·自热影响

通过热电阻中的测量电流为2mA，测得的电阻增量

换算成温度值应不大于0.3℃。

·热响应时间

当被测介质（一定温度和规定流速的水）温度出现阶

跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的50

％所需的时间，用了T0.5表示。

具体数值参见型号规格表。

·公称压力S

系指在室温下保护管所承受的静态外压而不破损，测

温性能不受其影响。

·绝缘电阻

当周围空气温度为15～35℃和相对湿度不大于80％

时，热电阻感温元件和保护管之间以及双支感温元件之间

的绝缘电阻，应不小于100MQ（电压10～100V）。

铂电阻温度传感器产品采用WZP型薄膜铂电阻元件精心制作而成，具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点,适用于工业自动化测量及各种实验仪器仪表。

工作原理：

铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂电阻的电阻值所对应的温度值。

当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。

公称压力

一般是指在常温下，保护管所能承受的静态外压而不破裂，试验压力一般采用公称压力的1.5倍，实际上，允许公称压力不仅与保护管材料、直径、壁厚有关，而且还与其结构形式、安装方法、置入深度以及被测介质的流速、种类有关。

热响应时间

在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化的50%所需要的时间称为热响应时间，用τ0.5表示。

铂电阻绝缘电阻

常温绝缘电阻的试验电压可取直流10～100V任意值，环境温度在15～35℃范围内，相对湿度应不大于80%，常温绝缘电阻值应大于100MΩ。

铂电阻允许通过电流

通过铂电阻的测量电流最大不应超过1mA

技术指标（表2-1）

口型号和规格（表2-2）

2.2流量采样电路设计

2.2.1流量采样原理

流量传感器采用WG系列韦根传感器，WG系列韦根传感器是利用韦根效应制成的一种新型磁敏传感器。

其工作原理是传感器中磁性双稳态功能合金材料在外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，从而在检测线圈中感生出电信号，实现磁电转换。

WG系列韦根传感器特点：

1、传感器工作时无须使用外加电源，适用于微功耗仪表，如电子水表、电子气表和其它智能型仪表。

2、使用双磁极交替触发工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负双向脉冲电信号，信号周期为磁场交变周期。

3、输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现“零速”传感。

4、无触点、耐腐蚀、防水，寿命长。

5、利用电话线、同轴线可实现电信号远传。

使用注意事项：

1、传感器输出信号电流很小。

后级信号处理可为晶体管、场效应管，也可以和比较器（如339）或各种运算放大器直接连接。

适当注意也可和低功耗单片机连接。

2、磁路设计时要特别注意磁场空间分布，平行于传感器敏感区的磁场分量一定要满足触发磁感应强度的要求。

在高温使用时还应注意磁铁温度系数的影响。

3、要注意磁屏蔽，防止周围杂散电磁场的干扰。

4、在电子水表应用中，使用φ9.5配套磁环，作用距离约为4～5.5mm（磁环表面至传感器敏感区）。

5、为了有效防止各种可能的干扰，后级电路和软件编写请注意：

①每当采集到一对正负脉冲时，计数器才加“1”；

②每当采集到一个正或负脉冲后的5ms内，单片机不要采集信号，软件安排单片机做其它工作。

6、焊接温度请勿超过250℃，时间不超过3秒。

如未焊好，待冷却后再焊

2.2.2流量采样电路设计

图2-4流量采样电路

为了保证低功耗，单片机大部分时间都处于休眠状态。

所以系统并不是实时的进行水温检测，而是每隔一定的时间后，才进行一次温度的检测。

由于温度变化缓慢，且幅度不大，可将此次检测到的温度作为这段时间内的平均温度。

当单片机接受到的脉冲数与设定值一致时，此时由中断唤醒单片机，使之工作在工作模式，并且进行温度采样，计算热量，保存数据。

2.2.3流量采样流程图

图2-5流量采样流程图

2.3电源电路设计

2.3.1电源电路图

图2-6电源电路图

2.3.2电源电路说明

图四是一个只有3.3V输出的电路，输入为墙上适配器提供的非稳定电源，电压范围5~16V。

该电路能够产生3.3V稳压输出、输出电流为200mA，并能实现与备份电池之间的无间断切换，备份电池由两节AAA构成。

U1是一个开关模式的降压型转换器，输出由218k/122k的分压电阻设定为3.4V。

为了防止电流由电池流向U1，另一个分压电阻（R1/R2）监视输入电压并且在中断交流适配器供电时关闭U1。

U2为一开关模式的升压型转换器，将两节电池电压（约为3V）升到3.3V。

在100mA的负载条件下效率可达85%。

交流适配器供电时，U2的输出被拉高到3.4V，由于所测得的电压高于稳压设置值，U2停止工作，。

U1在为负载提供电流的同时，通过U2的输出端为U2提供静态电流。

在这种情况下，电池的漏电流小于1µA。

2.4RS485通讯接口电路

图2-7RS485通讯接口电路

RS485接口芯片采用TI公司生产的一种RS485接口芯片SN75LBC184，它使用单一电源VCC，电压在3V到5.5V范围内都能正常工作，能完成TTL-485之间的转换。

与普通的RS485收发器相比，有一个显著的特点，那就是片内A，B脚接有高能量瞬变干扰保护装置，可以承受峰值为400W（典型值）的过压瞬变，故它能显著提高防止雷电损坏器件的可靠性。

对一些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件。

该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平，这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。

另外，它的输入阻抗为RS485标准输入阻抗的2倍，故可以在总线上连接64个收发器。

MSP430F149的通信接口P3.4/UTXDO和P3.5/URXDO分别与RS485接口芯片75LBC184的DI，RO相连，实现数据通信。

P3.1口与RE，DE相连。

当P3.1=1时，发送使能端DE为高电平，接受使能端RE为低电平，SN75LBC184作为发送器，向外发送信号；当P3.1=0时，发送使能端DE为低电平，接受使能端RE为高电平，SN75LBC184作为接收器，接收外来信号。

通过P3.0口控制三极管Q1，来决定是否对芯片供电。

2.5无线射频通信接口电路

无线串行接口电路采用Nrf401无线收发芯片。

NRF401无线收发芯片采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20Kbit/s；发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm.NRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线.它要求非常少的外围元件，无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一.无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有2个工作频宽（433.92/434.33MHz），工作电压为2.7~5V，还具有待机模式，可以更省电和高效.

MSP430单片机通信接口P3.6/UTXD1，P3.7/URXD1分别与NRF401的DIN（数据输入）和DOUT（数据输出）管脚相连，实现二者之间的通信。

I/O口P4.0和P4.1分别与NRF401的TXEN（发射/接收模式控制）和PWR-UP（工作/待机模式控制）连接，对NRF401芯片进行发射/接收模式和工作/待机模式控制，如果P4.1口置0则NRF401处于待机模式，置1则NRF401处于工作模式；P4.1口置1则NRF401处于发射模式，置1则NRF401处于接收模式

图2-8无线通信接口电路

2.6