基于msp430單片機(jī)的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)
基于msp430單片機(jī)的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)
摘要提出了采用三值梯形波勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)。構(gòu)建了采用’()*+,-"*. 單片機(jī)的電磁流量計(jì)樣機(jī)。試驗(yàn)表明，三值梯形波勵(lì)磁方式在小流速階段，相對誤差在$:67/U以內(nèi)，小于矩形波勵(lì)磁方式的$46,/U，可以減弱微分干擾，提高測量準(zhǔn)確度。文中對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的介紹。
關(guān)鍵詞：電磁流量計(jì)，三值梯形波勵(lì)磁方式，’()*+,-"*.
電磁流量計(jì)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律的一種測量導(dǎo)電性液體體積流量的儀表。其勵(lì)磁方式的選擇直接影響傳感器內(nèi)部勵(lì)磁線圈所產(chǎn)生的磁場情況，進(jìn)一步影響傳感器輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢信號和儀表的測量準(zhǔn)確度。在總結(jié)現(xiàn)有勵(lì)磁方法及前人的工作的基礎(chǔ)上，作者在第三屆儀器科學(xué)與技術(shù)國際學(xué)術(shù)研討會(huì)上提出了三值梯形波勵(lì)磁方式!"#。這種勵(lì)磁方式采用正$零$負(fù)三極性規(guī)律的梯形波作為勵(lì)磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵(lì)磁波形上升沿和下降沿造成的磁場突變，有效地降低了對感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生的微分干擾，有利于儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確度的提高。本文詳細(xì)介紹了采用三值梯形波作為勵(lì)磁方式的電磁流量計(jì)樣機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)。此流量計(jì)采用美國德州儀器公司（%&）的’()*+,-"*. 單片機(jī)的與"/ 位012 轉(zhuǎn)換芯片02344+" 產(chǎn)生三值梯形波并經(jīng)功率放大后作為電磁流量計(jì)的勵(lì)磁電壓，較好地消除了低頻矩形波勵(lì)磁所產(chǎn)生的微分效應(yīng)，進(jìn)而提高了儀表的零點(diǎn)穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確度。! 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)基于三值梯形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要由勵(lì)磁電路、信號處理電路和3)5 三部分組成。"6" 勵(lì)磁電路低頻矩形波勵(lì)磁電路一般采用分頻芯片對工頻電源進(jìn)行降頻處理，再經(jīng)過開關(guān)管進(jìn)行功率放大，此種電路難以針對梯形波的斜邊進(jìn)行線性放大，而且勵(lì)磁頻率單一，不能通過軟件編程修改勵(lì)磁頻率。因此，作者根據(jù)梯形波勵(lì)磁方式的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了如圖" 所示的功率放大電路及如圖7 所示的梯形波勵(lì)磁信號產(chǎn)生電路。功率放大電路部分，作者采用互補(bǔ)對稱式功率放大電路。通過運(yùn)算放大器對勵(lì)磁信號電壓放大，兩級互補(bǔ)對稱功率放大電路對勵(lì)磁信號電流放大，之后輸入電磁流量計(jì)勵(lì)磁線圈，作為勵(lì)磁電壓。此電路可線性放大梯形波斜邊部分，滿足了梯形波勵(lì)磁方式的要求。梯形波勵(lì)磁信號產(chǎn)生電路部分，作者采用"/ 位01 2 轉(zhuǎn)換芯片02344+" 通過電平轉(zhuǎn)換芯片(84*2937*: 與’()*+,$-"*. 單片機(jī)的5(2;% 通信模塊相連的方式產(chǎn)生勵(lì)磁信號。’()**+$ 輸出量程為,#-./#-，內(nèi)部參考電壓$"-，01(23 為4 線156 主機(jī)模式。此勵(lì)磁信號產(chǎn)生電路，通過7154+" 單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行分頻，可軟件編程修改勵(lì)磁頻率，為電磁流量計(jì)選擇不同的勵(lì)磁頻率提供了更大的方便。$8! 信號處理電路電磁流量計(jì)是法拉第電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用。導(dǎo)電流體在磁場中流動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。此感應(yīng)電動(dòng)勢是一個(gè)微弱的交變信號，在實(shí)際測量中基本上可以測出$9: ; 流速對應(yīng)"8$9- 感應(yīng)電動(dòng)勢，且此信號內(nèi)阻高，為兆歐級，同時(shí)噪聲信號多，尤其為#"<= 工頻干擾，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流量的感應(yīng)電動(dòng)勢信號。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢信號的上述特點(diǎn)，作者設(shè)計(jì)了如圖+ 所示的信號處理電路。兩路電極信號首先經(jīng)過儀用放大器(’&!" 進(jìn)行差分放大，放大倍數(shù)為$""" 倍，差分放大后的信號經(jīng)過電壓跟隨器先后經(jīng)過高低通濾波器后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行(:’ 轉(zhuǎn)換。高低通濾波器截止頻率分別為"8!+<= 和!+84<=。$8+ )50 部分作者采用7154+">$4? 單片機(jī)作為電磁流量計(jì))50，包括(:’ 轉(zhuǎn)換模塊（單片機(jī)片內(nèi)自帶$! 位(:’ 轉(zhuǎn)換器）、@)’ 顯示模塊、按鍵模塊、基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊和復(fù)位電路等。基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊選用%7<= 高速晶振作為系統(tǒng)主時(shí)鐘（7)@A） 和子系統(tǒng)時(shí)鐘（17)@A） 為系統(tǒng)程序、定時(shí)器、156 和@)’ 等提供時(shí)鐘源。7154+">$4? 片內(nèi)$! 位(:’ 轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換量程為".+8+-，采樣速率為!""B;C;，轉(zhuǎn)換模式為單通道重復(fù)轉(zhuǎn)換D!E。! 系統(tǒng)軟件流程系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時(shí)器中斷、梯形波勵(lì)磁信號產(chǎn)生、(:’ 采樣、@)’ 顯示等部分組成。如圖4、#、& 所示分別為系統(tǒng)主程序流程圖，定時(shí)器$ 中斷服務(wù)程序流程圖和定時(shí)器! 中斷服務(wù)程序流程圖。圖4 系統(tǒng)主程序流程圖" 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論試驗(yàn)所用傳感器的內(nèi)徑為#"99，采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量罐進(jìn)行標(biāo)定。低頻矩形波勵(lì)磁、三值低頻矩形波勵(lì)磁和三值梯形波勵(lì)磁方式的勵(lì)磁頻率均為&8!#<=，勵(lì)磁電壓為F。由于儀表的零點(diǎn)穩(wěn)定性主要反應(yīng)于小流速（一般在"8!#9:; 以下）的測量準(zhǔn)確度，因此作者主要集中在此流速段進(jìn)行了試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以表明三值梯形波勵(lì)磁方式與低頻矩形波勵(lì)磁方式相比，在相同的標(biāo)定流速下的相對誤差更小，而且在接近零流速的試驗(yàn)點(diǎn)（標(biāo)定流速為"8"*"%9: ;），三值梯形波勵(lì)磁方式下的測量相對誤差為,#8!&G，小于低頻矩形波勵(lì)磁方式下的,*8"&G，說明了作者提出的三值梯形波勵(lì)磁方式在提高零點(diǎn)穩(wěn)定性方面效果明顯。具體試驗(yàn)結(jié)果請參見參考文獻(xiàn)D$E。本系統(tǒng)通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了用戶通過鍵盤設(shè)置改變勵(lì)磁頻率、梯形波斜坡斜度和高低零值勵(lì)磁段時(shí)間比。在流速變化小，測量準(zhǔn)確度要求高的情況下選用較低的勵(lì)磁頻率，以保證更好的零點(diǎn)穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確度，在流速變化大，測量實(shí)時(shí)性要求高的情況下選用較高的勵(lì)磁頻率，以保證電磁流量計(jì)的響應(yīng)速度。相比現(xiàn)有電磁流量計(jì)單一勵(lì)磁頻率難以滿足不同測量要求方面取得了一定的突破。參考文獻(xiàn)$ HI )JKLMNJOLP <QLPRSOL8 3JK 6LFK;TSPOTSQL QU VWKXTYQ9OPLKTZSX >WQ[9KTKY\; 3JYKK ,FOWIK -OYSO]WK ,UYK^IKLX_ 3YOCK=QS‘OWaOFKUQY9 VbXSTSLP 7Q‘KM61613 !""4 HS\OL 5828)JSLOM+**.+4"! 胡大可87154+" 系列超低功耗$& 位單片機(jī)原理與應(yīng)用8北京：北京航空航天大學(xué)出版社，!""$--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請?jiān)L問開封中儀網(wǎng)站：
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