基于單片機的智能旋進旋渦流量計

遼寧機電職業技術學院信息工程系，遼寧丹東 118009

一、引言

智能旋進旋渦流量計是速度式流量計中的一種，它預先對流動介質進行導流和加速，特別適合對管道煤氣、石油液化汽等流速低、粘度大、密度小的介質測量，因此廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、煤炭等行業各種氣體的計量。

但是該類型的流量計對噪聲或振動等干擾信號較為敏感,儀表的可靠性和穩定性需要大幅提高,因此提出使用新型流量計,采用最新設計的變送信號放大采集電路，具有抗干擾能力強、計數脈沖輸出干凈的技術優點，并且在情況異常時自動報警。該系統以MSP430F449單片機為核心，融合了無線傳輸技術，具有集成度高、低功耗及高精度等特點。通過理論分析和實驗證明，這種流量計實現了低功耗基礎上的高精度測量，具有很好的市場前景[1][2]。

二、智能旋進旋渦流量計硬件原理

1、智能旋進旋渦流量計組成結構圖及工作原理

智能旋進旋渦流量計由傳感器和流量積算儀組成。流量計實物及結構圖如圖1所示。在管道部分傳感器部分主要由殼體 (文丘利管)、旋渦發生體、頻率感測件(壓電晶體)、導流體組成，流量積算儀部分由微處理器MSP430F449（在顯示儀內部）、壓力傳感器、面板、溫度傳感器等部件組成[2]。

（1）智能流量傳感器結構及工作原理

傳感器部分結構如圖2所示，包括旋渦發生器、檢測元件、導流體和殼體。旋渦發生器由特定螺旋形葉片組成，它固定在殼體收縮段前端，強迫流體產生強烈的旋渦流。檢測元件安裝在靠近擴張管的喉部，用熱敏、壓電、應變、電容或光纖等檢測元件可測出旋渦進動的頻率信號。導流體固定在流量計表體出口，其作用是消除旋渦流，以減小下游流態對儀表測量的影響。殼體設計成一定形狀的流道，使旋渦形成，固定和保護安裝在內部的零部件，并通過法蘭與管道相連接[3]。

當被測氣體沿管道中軸到達儀表上游入口時，其固定于端部的扇型葉片首先迫使氣體進行旋轉運動，然后再由旋渦發生體形成旋渦流。由于氣體本身具有的動能，旋渦流繼續在文丘利管中向前旋進，在到達文氏管的收縮段時由于節流作用使得旋渦流動能增加、流速加大，當進入擴散段后，又因回流的作用流體就被迫進行二次旋轉。產生的旋渦頻率再經頻率感測元件(壓電晶體)檢測、轉換及前置放大器的放大、濾波和整形等一系列過程之后，旋渦頻率就被轉變成了與被測介質流速大小成正比的脈沖信號，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進行積算處理，最后在LCD 上顯示出測量結果(標準狀況下的瞬時流量、累計流量及溫度、壓力數據)[4][5]。

（2）智能流量積算儀電路原理圖

智能流量積算儀是以MSP430F449為核心，一種可以集流量、溫度、壓力檢測功能于一體的顯示儀表，原理框圖如圖3所示。單片機接收來自二級放大器的流量脈沖信號和經A/D轉換器得到的壓力、溫度信號，經過運算最終得到溫度、壓力、瞬時流量和累積流量值，并存貯在EEPROM中，同時，在LCD上顯示上述數據。流量顯示既可顯示標況流量，也可顯示工況流量，這由內部設定的參數決定。當內部供電電池電壓低于2.5V時，在LCD上會出現閃爍的電池符號，以提醒及時更換電池。

儀表上部有多個功能健，鍵、鍵和<+>鍵可對內部參數進行設置，鍵可以進行數據傳輸。積算儀與用戶設備可通過以下三種方式進行數據傳輸：脈沖放大輸出、4～20mA輸出和RS485通訊[5]。

2、MSP430F449單片機

本系統采用的微處理芯片為德州儀器公司生產的16位MSP430F449，它是一種低工作電壓1.8～3.6V、超低功耗，活動模式280μA@1MHz，2.2V；待機模式1.1μA；掉電模式（RAM 數據保持）0.1μA。有5種節電模式。從待機到喚醒的響應時間不超過6μs。MSP430F449 的封裝形式為100 引腳的PLASTIC100-PIN QFP，有豐富的片內資源，8路、12位A/D 轉換器帶有內部參考源、采樣保持、自動掃描特性；帶有3 個或7 個捕獲/比較器的16 位定時器：定時器A 和定時器B；2個串行通訊模塊USART0/1，可軟件選擇UART/SPI 模式；片內比較器配合其他器件可構成單斜邊A/D 轉換器；可編程電壓監測器（SVS）；可在線串行編程，不需要外部編程電壓；驅動液晶能力可達160 段；可編程的保險熔絲可保護設計者代碼；FLASH 存儲器多達60KB，RAM多達2KB[6]。

3、電源模塊

本系統采用的電源模塊為采用7136電壓穩壓模塊，電路圖如圖4，其中UI為MSP430F449單片機。

4、流量信號處理模塊

為消除干擾，提高抗電磁能力，壓電晶體的信號經過多次放大和過濾，得到穩定可靠的流量信號，電路圖如圖5。流量信號經過處理變成RS232串行信號，進行單片機MSP430F44串行口的P4.0/UTXD1，P4.1/URXD1。經過電路的一級放大濾過電路去干擾，放大形成正弦波形信號，再通過二級放大整形電路，形成沒有干擾信號的方波信號。

5、液晶顯示模塊

顯示部分采用44引腳的液晶模塊BYDO18，可以顯示電壓、溫度、壓力、瞬時流量、累積流量，通過三個按鍵可以設置相關參數。

6、溫度、壓力模塊

溫度模塊采用美國霍尼韋爾國際（Honeywell International）公司生產的溫度傳感器HEL777-A-U-1，溫度范圍為 -55°C～150°C，溫度系數為 0.00375Ω/°C，塑料封裝，具有較高的靈敏度和信噪比，是理想的空氣溫度傳感元件。

壓力模塊采用麥克傳感器股份有限公司生產的防腐TH型壓阻式壓力敏感元件，型號為MPM280，測量范圍為0～100kPa…7MPa，適用于有較強腐蝕性介質的壓力檢測。經過A/D轉換變成I2C總線的信號送入單片機接口。

7、通信模塊

流量積算儀與計算機可通過以下三種方式進行數據傳輸：脈沖放大輸出、4～20mA輸出和RS485通訊，這里只給了RS485通信接口電路，如圖6。

8、無線通信模塊

使用深圳市華奧通通信技術有限公司 HAC-TS433G 系列微功率無線數傳模塊，可以將數據通過無線方面傳輸到計算機的RS232或RS485接口，微功率發射，最大發射功率15mW；無需申請頻點，工作頻率范圍 430～452MHz。 高抗干擾能力和低誤碼率，傳輸距離遠，在開闊視距情況下，天線放置高度位置>2m，可靠傳輸距離可達1800m (BER=10-3/1200bps)。

三、軟件設計原理

軟件采用C語言編寫，MSP430系列單片機使用IAR Workbench系統，它的編譯器提供C語言的標準特性，還具有許多為MSP430單片機專門設計的開發工具。是一款集編輯、編譯、調試、下載于一體的集成開發環境。

系統的應用程序主要是由主程序和中斷處理程序組成，其中主程序又由多個子程序所組成。主程序包括：系統初始化子程序、電池測試子程序、數據處理子程序、循環顯示子程序等；中斷處理子程序包括：流量檢測子程序、溫度壓力檢測子程序、流量補償算法子程序、按鍵輸入子程序、存儲配置數據子程序、通訊子程序等[7]。

主程序完成儀表的整個管理和控制工作,流程圖如圖所示如圖7。

流量計初次上電時系統初始化，顯示當前時間，歷史流量數據，壓力、溫度和電池電量。用戶可以選擇數據清零或保持不變。如果電池電量過低，系統報警，顯示“電量不足”符號，提示用戶更換電池。

在無操作的情況下延時一段時間后自動關閉顯示，進入低功耗模式3(LMP3)。當發生中斷事件，從低功耗模式中被喚醒，并判斷是何種中斷事件，進而進入中斷處理程序。中斷程序流程圖如圖8所示。

若是時鐘信號喚醒，則通過漩渦轉速、溫度、壓力值計算出標況下的氣體流量，通過軟件補償計算，消除壓損。并將流量值和當前時間存入中24C16中，然后流量計重新進入低功耗模式。

若是有按鍵按下，則通過中斷喚醒后單片機調用按鍵子程序，根據按下的功能鍵顯示當前的瞬時流量、累積流量、溫度、壓力、運行時間等信息。若按下多次按下確定鍵或在一段時間內無按鍵按下則又進入低功耗模式。

若是用戶通過按鍵選擇通訊，系統將調用相應的通訊子程序自動將當前或是歷史流量信息發送給上位機。

若是流量傳感器報警，流量計報警并關閉電動閥，存儲報警標志，延時一段時間后進入低功耗模式[8]。

四、試驗測試數據

流量計在軟硬件調試完成后應進行實際測量的實驗。實驗中通過修改程序把壓力值固定在1.0MPa,溫度輸入值則固定在25℃,然后進行實際測量。測得的數據如表1所示。

一般精度高的流量計基本誤差為(±0.5%～±1%），本文設計的流量計經過軟件補償計算后，符合1.0級精度，達到國外同類產品的相等水平。

整功耗經過現場測試，休眠時小于20μA，工作時小于20mA，三塊5號電池，可以使用三年以上。

五、結束語

本論文結合流量計的發展和流量積算儀表的技術要求，設計出實用的智能旋進旋渦流量計系統。在系統的硬件電路設計中，采用了TI公司的MSP430F449單片機，通過微處理技術，將流量、溫度、壓力檢測、通信功能等于一體，使用新型多級信號處理放大電路和獨特的濾波電路，有效地剔除了各種干擾信號。在軟件方面進行溫度、壓力、壓縮因子自動補償，消除壓損。整機功耗極低，能憑內電池長期供電運行，與同類產品相比較，外型輕巧，操作方便，具有很高的實用性和可靠性。

表1 流量測試數據