基于AVR單片機的便攜式氣體流量計設計與應用

王宗亮，徐杭田，楊占錄

（海軍潛艇學院 動力系，青島 266042）

以孔板、噴嘴和文丘利管為代表的差壓式流量計以其結構簡單、通用性強、價格低廉等優點，曾經在工業中獲得廣泛的應用。然而由于其自身結構存在一些重大缺點：如流出系數不穩定、線性差、易積污、壓損較大、量程比小、要求的直管過長等，因此難以在精度要求較高的場合得到應用。

V型內錐式流量計的出現成功地解決了傳統流量計存在的諸多缺陷。它的特點來源于它特殊的設計結構——錐體位于管道中心處，如圖1所示。

錐體改良流體的流速分布輪廓使流體加速流動，從而在錐體尾部產生低壓。V型內錐通過位于管壁的高壓取壓孔和錐體尾部的低壓取壓孔來得出差壓值；根據伯努利方程式，依據差壓值得出流體的流量。錐體位于管道中心處能夠有效改良測量點的流速，保證較高的精度，這樣即便上游條件很苛刻也能保證測量的準確性。

圖1 內錐式節流裝置Fig.1 Throttle equipment of cone type

1 流量的計算

V型內錐流量計屬于差壓式流量計，其原理是基于封閉管道中能量相互轉化的伯努利原理。在穩定流的情況下，管道中的差壓與流量的平方成正比。根據伯努利方程和流動連續性原理可得出普遍適用的實際流量公式：

式中：qv為流體的體積流量，單位m3/s；d為工況下節流件的等效開孔直徑，單位m；ΔP為差壓，單位Pa；ρ1為工況下節流件上游處流體的密度，單位kg/m3；C 為流出系數（實際流量/理論流量），無量綱；ε為被測介質的可膨脹性系數，對于液體ε=1；對氣體、蒸汽等可壓縮流體ε＜1；β為直徑比，無量綱。

對于V型內錐式節流裝置，在進行工況下實際流量的計算時，公式中的節流裝置內徑d和系數β應采用等效的開孔直徑和等效的β值進行替換。流體流過V型內錐式節流裝置的最小有效面積S為

式中：D為測量管的內徑；dv為內錐體的最大外徑，如圖1所示。

由此可知，式（1）中的 πd2應用 π（D2-dv2）進行替代，β用下式進行替代：

從而可得出V型內錐式氣體流量計工況下的實際流量方程為

2 硬件電路設計

裝置總體方案如圖2所示。

圖2 總體方案框圖Fig.2 Collectivity project frame chart

閥體按照V型內錐流量計設計制作，流過閥體中的攪拌氣體在A處的壓力及在A、B處的壓差分別由壓力傳感器和壓差傳感器檢測，檢測信號送至Atmega16單片機進行測量、比較和計算，并利用溫度傳感器進行溫度補償；攪拌氣體的流量值由顯示電路進行顯示，并且當攪拌氣體的流量值超過設定值時，由報警電路進行聲光報警。

2.1 壓力、壓差檢測電路設計

壓力傳感器和壓差傳感器分別選擇SMI5502-030-A型和SMI5552-003-D型，如圖3和圖4所示。SMI微壓傳感器芯片采用三維膜片結構，用硅刻蝕工藝將產生的應力（壓力）集中在傳感電阻處，這樣在保持總體精度和線性度的同時仍有很高的靈敏度。80%的應力傳遞到膜片中的梁式區域，而膜片丟失的應力只有20%。除了壓阻器所處的四周外，膜片的所有部分都減薄，從而得到膜片的浮凸結構。由于傳感器看起來象機械力放大器，因而便于把膜片運動的應力集中在壓阻器上，增加的應力極大地提高了信號輸出，膜片上的浮凸用做終止層。四周的薄膜有效地將器件密封起來，因此壓力不會前后移動。此外，在器件的結構內，離子注入電阻形成壓阻式惠斯頓電橋，凹坑減少了器件的總震動質量。

圖3 壓力測量電路Fig.3 Press measured circuit

圖4 壓差測量電路Fig.4 Press difference measured circuit

由于壓力傳感器和壓差傳感器產生的電壓信號比較弱，為保證被測參數的測量精度，需用放大器將小信號放大到與A/D轉換器輸入電壓相匹配的電平，然后才可進行A/D轉換。為此，在放大電路中選用了AD620型的運算放大器。AD620是一款具有極低的失調電壓（最大50μV）和偏置電流的運算放大器，溫度漂移系數小于0.6μV/℃，只需一個外接電阻就可將增益在1～1000之間任意調整。而且，AD620體積小、功耗低的特點，使得它非常適用于電池供電的便攜式設備中[1]。

根據AD620的增益計算公式G=49.4 kΩ/RG+1，分別選擇5 kΩ和1 kΩ的電阻，可使壓力傳感器和壓差傳感器的電壓信號分別放大11倍和50倍，很好的滿足了A/D轉換器對輸入電壓的要求。

經放大后的壓力和壓差信號都送至同一模擬量選擇開關MC4051B。MC4051B是一種精確的8路模擬量選擇開關，它的工作電壓為（3～18）V，其功耗非常低，僅有5μW，所以特別適合于電池供電的設備。其開關的速度快，僅為100 ns～150 ns。選擇開關對壓力和壓差信號的輸出切換由單片機采用定時中斷方式進行控制，輸出的壓力信號或壓差信號送到ICL7135進行AD轉換。

2.2 A/D轉換電路設計

A/D轉換電路如圖5所示。

圖5 A/D轉換電路Fig.5 A/D convert circuit

A/D轉換采用ICL7135高精度A/D轉換芯片，該芯片采用CMOS工藝制作的單片4 1/2位A/D轉換器。在每次A/D轉換前，內部電路都自動進行調零操作，在±2000字（2 V滿量程）范圍內，保證轉換精度±1字，具有自動極性轉換功能；所有輸出端和TTL電路相容；有過量程（OR）和欠量程（UR）標志信號輸出，可用作自動量程轉換的控制信號；輸出為動態掃描BCD碼；對外提供六個輸入、輸出控制信號（R/H，BUSY，STRB，POL，OVRNG，UNDRNG），因此能與異步接收/發送器、微處理器或其它控制電路連接使用。

2.3 微控制器選擇

裝置采用ATMEL公司生產的ATmega16型AVR單片機。它是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，外觀如圖6所示。

圖6 ATmega16引腳Fig.6 Atmega16 pins

由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲），從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR單片機的I/O接口具有很強的驅動能力，灌電流可直接驅動繼電器、LED等器件，從而省去驅動電路，節約裝置成本[2]。與其它方案相比，采用ATmegal6型微處理器進行便攜式流量計的設計，不僅能夠達到較高的測量精度，而且高度集成了測量系統的外圍設備，這樣很大程度上簡化了檢測電路的設計，提高了儀表的兼容能力和穩定性，同時具有低成本、低功耗等諸多特點。

2.4 流量顯示電路設計

流量顯示電路如圖7所示。

主要由達林頓晶體管陣列ULN2003、74HC164以及三位一體LED數碼管組成，ATmega16單片機先將流量輸出數據和脈沖信號送至74HC164進行串行輸入并行輸出的轉換，然后將并行輸出信號接至三位一體LED數碼管，利用ULN2003驅動LED進行流量顯示。

圖7 流量顯示電路Fig.7 Flux display circuit

3 系統軟件設計

單片機軟件采用ICCAVR編寫，ICCAVR是一種使用符合ANSI標準的C語言來開發微控制器程序的有力工具，是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環境IDE。源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構筑也在這個環境中完成編譯，錯誤顯示在狀態窗口中，并且當你用鼠標單擊編譯錯誤時，光標會自動跳轉到編輯窗口中引起錯誤的那一行。這個工程管理器還能產生可以直接使用的INTEL HEX格式文件，INTEL HEX格式文件可被大多數的編程器所支持用于下載程序到芯片中去[3]。

主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flow chart

4 結語

采用以微控制器ATmega16為核心的新型便攜式流量計，具有體積小、精度高、工作可靠、性價比高等特點。V型內錐流量計能改良流體流速分布，使介質經過V型錐后，在下游產生的渦流呈高頻的、低幅度的脈動，信號噪音比非常低。因此采用V型內錐流量計的測量誤差遠比一般差壓流量計低。同時，極其穩定的信號使得差壓的量程下限比其他差壓流量計低。

通過實際使用表明，該流量計具有體積小、重量輕、顯示清晰、測量精度高、使用安全方便等特點，能夠及時、準確地反映空氣攪拌系統的工作情況，性能達到國內先進水平。目前該設備已投入使用50余套，在某軍事領域發揮著重要作用。

[1] 程國鋼，陳躍琴，崔荔蒙.單片機典型模塊開發查詢手冊[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2] 張華宇，謝鳳芹，王立濱，等.AVR單片機開發入門與經典實例[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 沈文，Eagle lee，詹衛前.AVR單片機C語言開發入門指導[M].北京：清華大學出版社，2003.