低功耗無(wú)線燃?xì)獗淼难兄?/h1>
2017-12-28 09:10:56周福根李福增
裝備制造技術(shù) 2017年10期
周福根，李福增
（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）
低功耗無(wú)線燃?xì)獗淼难兄?/p>
周福根，李福增
（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）
針對(duì)天然氣流量計(jì)量中工作環(huán)境對(duì)其計(jì)量影響較大的問題，提出了一種溫壓補(bǔ)償型燃?xì)獗碓O(shè)計(jì)方案。計(jì)量中將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并通過無(wú)線的傳輸實(shí)現(xiàn)了在線流量監(jiān)測(cè)，最終的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該燃?xì)獗淼恼`差小于±1.5%.
低功耗；溫壓補(bǔ)償；無(wú)線；燃?xì)獗?/p>
能源是一個(gè)國(guó)家的命脈，能源是否得到合理開發(fā)和使用，是一個(gè)國(guó)家的文明標(biāo)志。天然氣已經(jīng)成為21世紀(jì)的一種新型能源，它屬于綠色能源，本身不含粉塵及硫等有害物質(zhì)。天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2量少，不容易造成溫室效應(yīng)，符合我國(guó)以及世界的能源可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著我國(guó)與俄羅斯簽訂天然氣協(xié)議，俄羅斯每年將給我國(guó)提供300億m3的天然氣，有效期為30年。由此可見，天然氣是否有先進(jìn)完善的計(jì)量技術(shù)，將對(duì)我國(guó)天然氣能源的利益和發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[1，2]。
目前國(guó)內(nèi)各種燃?xì)獗砑夹g(shù)日趨成熟，考慮到社會(huì)和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)在各方面都對(duì)天然氣的計(jì)量技術(shù)提出了更高的要求。針對(duì)天然氣成分復(fù)雜，工作環(huán)境對(duì)它的計(jì)量影響較大的問題，可以在燃?xì)獗砝锩嬖黾右粋€(gè)溫壓補(bǔ)償裝置，將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并運(yùn)用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)了天然氣使用情況的在線監(jiān)測(cè)[3]。本文研制的燃?xì)獗恚x用了一種機(jī)械儀表——膜式燃?xì)獗恚⒁訫SP430為單片機(jī)，設(shè)計(jì)具有溫壓補(bǔ)償裝置和無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)等功能的智能燃?xì)獗怼?/p>
1 燃?xì)獗淼墓ぷ髟?/h2>
本設(shè)計(jì)采用計(jì)脈沖數(shù)的方式來計(jì)量天然氣的體積流量。燃?xì)獗淼幕硎悄な饺細(xì)獗恚鼘儆谝环N機(jī)械式儀表。氣體流過燃?xì)獗恚瑫?huì)在進(jìn)出氣口產(chǎn)生一個(gè)壓力差，這個(gè)壓力會(huì)帶動(dòng)腔內(nèi)隔膜的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流過腔內(nèi)的氣體體積達(dá)到隔膜腔的最大值時(shí)，隔膜就會(huì)做往返運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)帶動(dòng)立軸作來回運(yùn)動(dòng)。立軸上的曲柄軸會(huì)帶動(dòng)滑閥來改變進(jìn)出口的方向并帶動(dòng)計(jì)數(shù)的裝置，從而達(dá)到了連續(xù)自動(dòng)計(jì)量氣體體積的作用[4，5]。
脈沖的計(jì)數(shù)采用干簧管，皮膜轉(zhuǎn)動(dòng)的計(jì)數(shù)裝置上面安裝一個(gè)帶有磁性的鐵塊，計(jì)數(shù)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)磁塊的運(yùn)動(dòng)，磁塊接近干簧管時(shí)，會(huì)使干簧管的簧片磁化并產(chǎn)生磁力，當(dāng)磁力大于簧片的彈力時(shí)，就會(huì)使接合點(diǎn)閉合；當(dāng)磁塊慢慢離開干簧管時(shí)，吸引的磁力減少到小于簧片的彈力時(shí)，接合點(diǎn)就會(huì)被彈開，干簧管的開閉合就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低的電平脈沖，通過單片機(jī)計(jì)脈沖數(shù)，就可以達(dá)到計(jì)量天然氣體積的目的[4，6]。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的燃?xì)獗聿捎肕SP430F437為微控制器，主要由流量檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及無(wú)線模塊等組成。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[7，8]。
圖1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖
2.1 流量采集與檢測(cè)模塊
本設(shè)計(jì)采用計(jì)脈沖數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)累積流量的計(jì)算。氣體流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)磁塊離開干簧管時(shí)，干簧管閉合點(diǎn)又會(huì)彈開，從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低電平脈沖直接輸送給單片機(jī)，流量脈沖的產(chǎn)生電路如圖2所示。
圖2 流量脈沖的產(chǎn)生電路
2.2 溫度采集電路
本設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是PT1000.PT1000是由鉑電阻制成的溫度傳感器，它的測(cè)溫范圍是：-50℃ ～450℃，允許的工作電流是 ≤0.5 mA.采集電路圖示意如圖3所示。
圖3 溫度采集電路示意圖
圖中 Rt為熱電阻 PT1000，R1、R2、R3 為高精度電阻，通過讀取R3兩端的電壓值，可以得出整個(gè)支路的電流值，讀取Rt兩端的電壓值，除以支路的電流值，就可以得出PT1000的電阻值，通過查PT1000分度表，就可以準(zhǔn)確的得出工況下的溫度。
2.3 壓力采集電路
本設(shè)計(jì)溫度采集的傳感器是154 N型壓力傳感器。它主要通過對(duì)陶瓷基座上的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻，可以對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償及零點(diǎn)漂移調(diào)整。陶瓷基座上還提供了一個(gè)經(jīng)激光修正的增益調(diào)節(jié)電阻，使傳感器在經(jīng)過外部差分電路放大后達(dá)到較為一致的輸出值。壓力采集電路示意圖如圖4所示。
圖4 壓力采集示意電路
154 N型壓力傳感器非線性度只有±0.1%，所以可認(rèn)為是線性的。當(dāng)壓力從P0到Pmax時(shí)，對(duì)于線性壓力傳感器，其輸出是從V0到Vmax，其關(guān)系可以寫成式（1）.
對(duì)于出廠的傳感器，其系數(shù)均已標(biāo)定完成，因此只需得到Vx，即可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的Px.本文采用AD7799芯片來讀取電壓Vx，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量壓力的目的。
傳感器輸出的溫度和壓力信號(hào)都是模擬信號(hào)，其通過AD7799進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸給單片機(jī)。
2.4 無(wú)線傳輸模塊電路
本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸模塊是一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)線模塊——A8500.該模塊在本設(shè)計(jì)中主要是應(yīng)用于累積流量數(shù)據(jù)的傳輸。通過GSM網(wǎng)絡(luò)，其將燃?xì)獗砟骋粫r(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)通過手機(jī)SIM卡發(fā)送短信至監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)燃?xì)馐褂们闆r的在線監(jiān)測(cè)。
該模塊直接連接單片機(jī)，通過TXD和RXD發(fā)送AT代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。MSP430與無(wú)線模塊的連接電路示意圖如圖5所示。
圖5 MSP430單片機(jī)與無(wú)線模塊連接電路示意圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言，運(yùn)用程序結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，將程序模塊化，使設(shè)計(jì)的程序具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性，以便于在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程中進(jìn)行功能程序的添加和刪減。每個(gè)子程序的執(zhí)行采用標(biāo)志傳遞法。當(dāng)某塊功能程序的允許執(zhí)行標(biāo)志置為“1”時(shí)，則執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的功能子程序，不為“1”時(shí)則跳出該模塊。平時(shí)系統(tǒng)的各個(gè)子程序都不處于工作狀態(tài)，只有相應(yīng)的程序命令產(chǎn)生時(shí)，才執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序。系統(tǒng)主要程序包括主程序、流量檢測(cè)程序、中斷服務(wù)程序、溫壓計(jì)算程序和按鍵程序等。
3.1 軟件主程序流程
單片機(jī)上電工作時(shí)，程序執(zhí)行的首先是初始化程序，其中包括定時(shí)中斷初始化、液晶初始化、按鍵初始化等。然后進(jìn)行判斷是否是第一次上電，選擇進(jìn)行外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)初始化還是讀取外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序執(zhí)行到最后，會(huì)進(jìn)入睡眠模式，直到中斷喚醒，以此達(dá)到了低功耗的目的。圖6為主程序流程圖。
圖6 主程序流程圖
液晶顯示每隔1 s刷新一次，進(jìn)行溫度和壓力值實(shí)時(shí)顯示。在睡眠模式下，溫度和壓力值每隔15 s進(jìn)行一次AD值轉(zhuǎn)換，以降低功耗。
3.2 中斷服務(wù)程序流程
本設(shè)計(jì)包含4個(gè)中斷程序。兩個(gè)內(nèi)部中斷中，一個(gè)為定時(shí)器中斷，以進(jìn)行溫壓AD值讀取；另一個(gè)為串行口通訊中斷。兩個(gè)外部中斷中，一個(gè)為流量采集中斷，以進(jìn)行流量計(jì)算；另一個(gè)為按鍵掃描中斷，當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)按鍵的標(biāo)志位置1，從而執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能程序。中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。
圖7 中斷服務(wù)流程圖
3.3 流量計(jì)算程序流程
脈沖數(shù)跟累積流量成正比，當(dāng)流過燃?xì)獗淼臍怏w達(dá)到一個(gè)累積流量脈沖時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器加1，通過計(jì)算脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)工況下氣體體積流量的計(jì)量。當(dāng)完成工況下累積流量的計(jì)算后，讀取當(dāng)前流量值下的溫度和壓力值，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)況下的累積流量轉(zhuǎn)換計(jì)算，最后把流量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。流量計(jì)算程序流程圖如圖8所示。
圖8 流量計(jì)算流程圖
4 實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析
本章節(jié)主要敘述對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該燃?xì)獗淼念A(yù)期的性能指標(biāo)是：流量檢測(cè)范圍是0.06～10 m3/h，壓力誤差范圍±0.3%Fs，溫度誤差要求為±0.2℃，流量檢測(cè)等級(jí)為1.5級(jí)。
4.1 溫度實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)使用CHORAD的燃?xì)獗韺Ｓ酶叩蜏卦囼?yàn)箱，它能夠更真實(shí)模擬各個(gè)溫度環(huán)境。
溫度依次設(shè)置為-40℃，-30℃，0℃，49.97℃，69.85℃共5個(gè)點(diǎn)，測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫20℃，室內(nèi)濕度為54%，大氣壓為100.2 kPa.本文設(shè)計(jì)的燃?xì)獗淼臏囟染葹椤?.2℃，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該儀表的最大溫度誤差為0.2℃，所以該儀表的溫度測(cè)量符合預(yù)期的性能指標(biāo)。
4.2 壓力實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)使用的是型號(hào)為CST1023的臺(tái)式氣壓壓力泵，其壓力范圍是-0.095～6 MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)，壓力值可以轉(zhuǎn)換成電流和電壓輸出，電流測(cè)量范圍為-30～30 mA，電壓測(cè)量范圍-30～30 V，電測(cè)準(zhǔn)確度為±（0.02%rgd+0.003%F.S）。
運(yùn)用該壓力泵實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，此時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫為26.6℃，大氣壓為100.2 kPa.
表2 壓力測(cè)量數(shù)據(jù)
燃?xì)獗淼膲毫纫鬄闈M量程誤差為±0.3%，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)最大誤差為0.16%，所以可以得出結(jié)論，該燃?xì)獗淼膲毫y(cè)量符合儀表預(yù)期的性能指標(biāo)要求。
4.3 流量實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行標(biāo)定和檢測(cè)，該裝置準(zhǔn)確度等級(jí)為0.33級(jí)。通過比較燃?xì)獗碛?jì)算的累積流量和標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算的累計(jì)流量，計(jì)算出相對(duì)誤差。因?yàn)楸救細(xì)饬髁繖z測(cè)范圍是 0.06～10 m3/h，所以選用 0.06 m3/h，2.05 m3/h，10.31 m3/h這3個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）如表3所示。
表3 流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）
本燃?xì)獗淼牧髁繖z測(cè)精度等級(jí)為1.5級(jí)，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的最大誤差是-0.56%，符合燃?xì)獗淼木纫蟆?/p>
綜上，本設(shè)計(jì)的燃?xì)獗砀鞣矫婊具_(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，最終設(shè)計(jì)的燃?xì)獗順訖C(jī)如圖9所示。
圖9 設(shè)計(jì)的燃?xì)獗順訖C(jī)圖
5 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)以MSP430F437單片機(jī)為核心，采用了軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了天然氣體積流量的計(jì)量。儀表設(shè)計(jì)包括燃?xì)獗淼膲毫z測(cè)、溫度檢測(cè)、液晶顯示、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸、按鍵切換以及溫壓補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｍㄟ^對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，所設(shè)計(jì)的燃?xì)獗硇阅苤笜?biāo)達(dá)到了相關(guān)國(guó)標(biāo)的要求。
[1]殷建平，黃 輝.我國(guó)天然氣供求分析和未來消費(fèi)政策選擇[J].改革與戰(zhàn)略，2010，26（4）：26-29.
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Research and Design of the Wireless Flow Meter with Low-power Consumption
ZHOU Fu-gen，LI Fu-zeng
（Zhejiang Songchuan Instrument Technology Co.，Ltd.，Wenling Zhejiang 317511，China）
To solve the problem of the circumstance influence on natural gas measurement，a type of gas meter with temperature and pressure compensation is designed.The gas meter can calculate the flow volume on working condition into the standard condition.The online monitoring function is used with wireless communication.The experiments indicate that the error of the flow is less than±1.5%.
low-power consumption；temperature and pressure compensation；wireless communication；gas meter
TH814
A
1672-545X（2017）10-0051-05
2017-07-18
膜式燃?xì)鈬?guó)標(biāo)（GB/T6968-2011）；切斷型膜式燃?xì)獗恚–J/T 449-2014）；鐘罩式氣體流量裝置（JB/T 12961-2016）等標(biāo)準(zhǔn)編制組成員
周福根（1970-），男，浙江溫嶺人，本科，工程師，一直從事膜式燃?xì)獗淼漠a(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)管理工作。
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目前國(guó)內(nèi)各種燃?xì)獗砑夹g(shù)日趨成熟，考慮到社會(huì)和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，社會(huì)在各方面都對(duì)天然氣的計(jì)量技術(shù)提出了更高的要求。針對(duì)天然氣成分復(fù)雜，工作環(huán)境對(duì)它的計(jì)量影響較大的問題，可以在燃?xì)獗砝锩嬖黾右粋€(gè)溫壓補(bǔ)償裝置，將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并運(yùn)用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)了天然氣使用情況的在線監(jiān)測(cè)[3]。本文研制的燃?xì)獗恚x用了一種機(jī)械儀表——膜式燃?xì)獗恚⒁訫SP430為單片機(jī)，設(shè)計(jì)具有溫壓補(bǔ)償裝置和無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)等功能的智能燃?xì)獗怼?/p>
1 燃?xì)獗淼墓ぷ髟?/h2>
本設(shè)計(jì)采用計(jì)脈沖數(shù)的方式來計(jì)量天然氣的體積流量。燃?xì)獗淼幕硎悄な饺細(xì)獗恚鼘儆谝环N機(jī)械式儀表。氣體流過燃?xì)獗恚瑫?huì)在進(jìn)出氣口產(chǎn)生一個(gè)壓力差，這個(gè)壓力會(huì)帶動(dòng)腔內(nèi)隔膜的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)流過腔內(nèi)的氣體體積達(dá)到隔膜腔的最大值時(shí)，隔膜就會(huì)做往返運(yùn)動(dòng)，從而會(huì)帶動(dòng)立軸作來回運(yùn)動(dòng)。立軸上的曲柄軸會(huì)帶動(dòng)滑閥來改變進(jìn)出口的方向并帶動(dòng)計(jì)數(shù)的裝置，從而達(dá)到了連續(xù)自動(dòng)計(jì)量氣體體積的作用[4，5]。
脈沖的計(jì)數(shù)采用干簧管，皮膜轉(zhuǎn)動(dòng)的計(jì)數(shù)裝置上面安裝一個(gè)帶有磁性的鐵塊，計(jì)數(shù)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)磁塊的運(yùn)動(dòng)，磁塊接近干簧管時(shí)，會(huì)使干簧管的簧片磁化并產(chǎn)生磁力，當(dāng)磁力大于簧片的彈力時(shí)，就會(huì)使接合點(diǎn)閉合；當(dāng)磁塊慢慢離開干簧管時(shí)，吸引的磁力減少到小于簧片的彈力時(shí)，接合點(diǎn)就會(huì)被彈開，干簧管的開閉合就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低的電平脈沖，通過單片機(jī)計(jì)脈沖數(shù)，就可以達(dá)到計(jì)量天然氣體積的目的[4，6]。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的燃?xì)獗聿捎肕SP430F437為微控制器，主要由流量檢測(cè)模塊、壓力檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及無(wú)線模塊等組成。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[7，8]。
圖1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖
2.1 流量采集與檢測(cè)模塊
本設(shè)計(jì)采用計(jì)脈沖數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)累積流量的計(jì)算。氣體流動(dòng)會(huì)帶動(dòng)機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械軸轉(zhuǎn)動(dòng)磁塊離開干簧管時(shí)，干簧管閉合點(diǎn)又會(huì)彈開，從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高低電平脈沖直接輸送給單片機(jī)，流量脈沖的產(chǎn)生電路如圖2所示。
圖2 流量脈沖的產(chǎn)生電路
2.2 溫度采集電路
本設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是PT1000.PT1000是由鉑電阻制成的溫度傳感器，它的測(cè)溫范圍是：-50℃ ～450℃，允許的工作電流是 ≤0.5 mA.采集電路圖示意如圖3所示。
圖3 溫度采集電路示意圖
圖中 Rt為熱電阻 PT1000，R1、R2、R3 為高精度電阻，通過讀取R3兩端的電壓值，可以得出整個(gè)支路的電流值，讀取Rt兩端的電壓值，除以支路的電流值，就可以得出PT1000的電阻值，通過查PT1000分度表，就可以準(zhǔn)確的得出工況下的溫度。
2.3 壓力采集電路
本設(shè)計(jì)溫度采集的傳感器是154 N型壓力傳感器。它主要通過對(duì)陶瓷基座上的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻，可以對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償及零點(diǎn)漂移調(diào)整。陶瓷基座上還提供了一個(gè)經(jīng)激光修正的增益調(diào)節(jié)電阻，使傳感器在經(jīng)過外部差分電路放大后達(dá)到較為一致的輸出值。壓力采集電路示意圖如圖4所示。
圖4 壓力采集示意電路
154 N型壓力傳感器非線性度只有±0.1%，所以可認(rèn)為是線性的。當(dāng)壓力從P0到Pmax時(shí)，對(duì)于線性壓力傳感器，其輸出是從V0到Vmax，其關(guān)系可以寫成式（1）.
對(duì)于出廠的傳感器，其系數(shù)均已標(biāo)定完成，因此只需得到Vx，即可計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的Px.本文采用AD7799芯片來讀取電壓Vx，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量壓力的目的。
傳感器輸出的溫度和壓力信號(hào)都是模擬信號(hào)，其通過AD7799進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸給單片機(jī)。
2.4 無(wú)線傳輸模塊電路
本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳輸模塊是一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)線模塊——A8500.該模塊在本設(shè)計(jì)中主要是應(yīng)用于累積流量數(shù)據(jù)的傳輸。通過GSM網(wǎng)絡(luò)，其將燃?xì)獗砟骋粫r(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)通過手機(jī)SIM卡發(fā)送短信至監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)燃?xì)馐褂们闆r的在線監(jiān)測(cè)。
該模塊直接連接單片機(jī)，通過TXD和RXD發(fā)送AT代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。MSP430與無(wú)線模塊的連接電路示意圖如圖5所示。
圖5 MSP430單片機(jī)與無(wú)線模塊連接電路示意圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言，運(yùn)用程序結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想，將程序模塊化，使設(shè)計(jì)的程序具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性，以便于在整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試過程中進(jìn)行功能程序的添加和刪減。每個(gè)子程序的執(zhí)行采用標(biāo)志傳遞法。當(dāng)某塊功能程序的允許執(zhí)行標(biāo)志置為“1”時(shí)，則執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的功能子程序，不為“1”時(shí)則跳出該模塊。平時(shí)系統(tǒng)的各個(gè)子程序都不處于工作狀態(tài)，只有相應(yīng)的程序命令產(chǎn)生時(shí)，才執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序。系統(tǒng)主要程序包括主程序、流量檢測(cè)程序、中斷服務(wù)程序、溫壓計(jì)算程序和按鍵程序等。
3.1 軟件主程序流程
單片機(jī)上電工作時(shí)，程序執(zhí)行的首先是初始化程序，其中包括定時(shí)中斷初始化、液晶初始化、按鍵初始化等。然后進(jìn)行判斷是否是第一次上電，選擇進(jìn)行外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)初始化還是讀取外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序執(zhí)行到最后，會(huì)進(jìn)入睡眠模式，直到中斷喚醒，以此達(dá)到了低功耗的目的。圖6為主程序流程圖。
圖6 主程序流程圖
液晶顯示每隔1 s刷新一次，進(jìn)行溫度和壓力值實(shí)時(shí)顯示。在睡眠模式下，溫度和壓力值每隔15 s進(jìn)行一次AD值轉(zhuǎn)換，以降低功耗。
3.2 中斷服務(wù)程序流程
本設(shè)計(jì)包含4個(gè)中斷程序。兩個(gè)內(nèi)部中斷中，一個(gè)為定時(shí)器中斷，以進(jìn)行溫壓AD值讀取；另一個(gè)為串行口通訊中斷。兩個(gè)外部中斷中，一個(gè)為流量采集中斷，以進(jìn)行流量計(jì)算；另一個(gè)為按鍵掃描中斷，當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，相應(yīng)按鍵的標(biāo)志位置1，從而執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能程序。中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。
圖7 中斷服務(wù)流程圖
3.3 流量計(jì)算程序流程
脈沖數(shù)跟累積流量成正比，當(dāng)流過燃?xì)獗淼臍怏w達(dá)到一個(gè)累積流量脈沖時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器加1，通過計(jì)算脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)工況下氣體體積流量的計(jì)量。當(dāng)完成工況下累積流量的計(jì)算后，讀取當(dāng)前流量值下的溫度和壓力值，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)況下的累積流量轉(zhuǎn)換計(jì)算，最后把流量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。流量計(jì)算程序流程圖如圖8所示。
圖8 流量計(jì)算流程圖
4 實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)據(jù)分析
本章節(jié)主要敘述對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該燃?xì)獗淼念A(yù)期的性能指標(biāo)是：流量檢測(cè)范圍是0.06～10 m3/h，壓力誤差范圍±0.3%Fs，溫度誤差要求為±0.2℃，流量檢測(cè)等級(jí)為1.5級(jí)。
4.1 溫度實(shí)驗(yàn)
該實(shí)驗(yàn)使用CHORAD的燃?xì)獗韺Ｓ酶叩蜏卦囼?yàn)箱，它能夠更真實(shí)模擬各個(gè)溫度環(huán)境。
溫度依次設(shè)置為-40℃，-30℃，0℃，49.97℃，69.85℃共5個(gè)點(diǎn)，測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫20℃，室內(nèi)濕度為54%，大氣壓為100.2 kPa.本文設(shè)計(jì)的燃?xì)獗淼臏囟染葹椤?.2℃，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該儀表的最大溫度誤差為0.2℃，所以該儀表的溫度測(cè)量符合預(yù)期的性能指標(biāo)。
4.2 壓力實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)使用的是型號(hào)為CST1023的臺(tái)式氣壓壓力泵，其壓力范圍是-0.095～6 MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)，壓力值可以轉(zhuǎn)換成電流和電壓輸出，電流測(cè)量范圍為-30～30 mA，電壓測(cè)量范圍-30～30 V，電測(cè)準(zhǔn)確度為±（0.02%rgd+0.003%F.S）。
運(yùn)用該壓力泵實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，此時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境室溫為26.6℃，大氣壓為100.2 kPa.
表2 壓力測(cè)量數(shù)據(jù)
燃?xì)獗淼膲毫纫鬄闈M量程誤差為±0.3%，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)最大誤差為0.16%，所以可以得出結(jié)論，該燃?xì)獗淼膲毫y(cè)量符合儀表預(yù)期的性能指標(biāo)要求。
4.3 流量實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行標(biāo)定和檢測(cè)，該裝置準(zhǔn)確度等級(jí)為0.33級(jí)。通過比較燃?xì)獗碛?jì)算的累積流量和標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算的累計(jì)流量，計(jì)算出相對(duì)誤差。因?yàn)楸救細(xì)饬髁繖z測(cè)范圍是 0.06～10 m3/h，所以選用 0.06 m3/h，2.05 m3/h，10.31 m3/h這3個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）如表3所示。
表3 流量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）
本燃?xì)獗淼牧髁繖z測(cè)精度等級(jí)為1.5級(jí)，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的最大誤差是-0.56%，符合燃?xì)獗淼木纫蟆?/p>
綜上，本設(shè)計(jì)的燃?xì)獗砀鞣矫婊具_(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，最終設(shè)計(jì)的燃?xì)獗順訖C(jī)如圖9所示。
圖9 設(shè)計(jì)的燃?xì)獗順訖C(jī)圖
5 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)以MSP430F437單片機(jī)為核心，采用了軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了天然氣體積流量的計(jì)量。儀表設(shè)計(jì)包括燃?xì)獗淼膲毫z測(cè)、溫度檢測(cè)、液晶顯示、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸、按鍵切換以及溫壓補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｍㄟ^對(duì)燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，所設(shè)計(jì)的燃?xì)獗硇阅苤笜?biāo)達(dá)到了相關(guān)國(guó)標(biāo)的要求。
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Research and Design of the Wireless Flow Meter with Low-power Consumption
ZHOU Fu-gen，LI Fu-zeng
（Zhejiang Songchuan Instrument Technology Co.，Ltd.，Wenling Zhejiang 317511，China）
To solve the problem of the circumstance influence on natural gas measurement，a type of gas meter with temperature and pressure compensation is designed.The gas meter can calculate the flow volume on working condition into the standard condition.The online monitoring function is used with wireless communication.The experiments indicate that the error of the flow is less than±1.5%.
low-power consumption；temperature and pressure compensation；wireless communication；gas meter
TH814
A
1672-545X（2017）10-0051-05
2017-07-18
膜式燃?xì)鈬?guó)標(biāo)（GB/T6968-2011）；切斷型膜式燃?xì)獗恚–J/T 449-2014）；鐘罩式氣體流量裝置（JB/T 12961-2016）等標(biāo)準(zhǔn)編制組成員
周福根（1970-），男，浙江溫嶺人，本科，工程師，一直從事膜式燃?xì)獗淼漠a(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)管理工作。
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