基于msp430單片機的電磁流量計設計

基于msp430單片機的電磁流量計設計
   摘要提出了采用三值梯形波勵磁方式的電磁流量計設計。構建了采用’()*+,-"*. 單片機的電磁流量計樣機。試驗表明，三值梯形波勵磁方式在小流速階段，相對誤差在$:67/U以內，小于矩形波勵磁方式的$46,/U，可以減弱微分干擾，提高測量準確度。文中對系統的軟硬件設計作了詳細的介紹。
  關鍵詞：電磁流量計，三值梯形波勵磁方式，’()*+,-"*.
   電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的一種測量導電性液體體積流量的儀表。其勵磁方式的選擇直接影響傳感器內部勵磁線圈所產生的磁場情況，進一步影響傳感器輸出的感應電動勢信號和儀表的測量準確度。在總結現有勵磁方法及前人的工作的基礎上，作者在第三屆儀器科學與技術國際學術研討會上提出了三值梯形波勵磁方式!"#。這種勵磁方式采用正$零$負三極性規律的梯形波作為勵磁電壓波形。使用梯形波代替矩形波可以減小勵磁波形上升沿和下降沿造成的磁場突變，有效地降低了對感應電動勢產生的微分干擾，有利于儀表零點穩定性和測量準確度的提高。本文詳細介紹了采用三值梯形波作為勵磁方式的電磁流量計樣機的軟硬件設計。此流量計采用美國德州儀器公司（%&）的’()*+,-"*. 單片機的與"/ 位012 轉換芯片02344+" 產生三值梯形波并經功率放大后作為電磁流量計的勵磁電壓，較好地消除了低頻矩形波勵磁所產生的微分效應，進而提高了儀表的零點穩定性和測量準確度。! 系統硬件結構基于三值梯形波勵磁的電磁流量計硬件系統主要由勵磁電路、信號處理電路和3)5 三部分組成。"6" 勵磁電路低頻矩形波勵磁電路一般采用分頻芯片對工頻電源進行降頻處理，再經過開關管進行功率放大，此種電路難以針對梯形波的斜邊進行線性放大，而且勵磁頻率單一，不能通過軟件編程修改勵磁頻率。因此，作者根據梯形波勵磁方式的特點設計了如圖" 所示的功率放大電路及如圖7 所示的梯形波勵磁信號產生電路。功率放大電路部分，作者采用互補對稱式功率放大電路。通過運算放大器對勵磁信號電壓放大，兩級互補對稱功率放大電路對勵磁信號電流放大，之后輸入電磁流量計勵磁線圈，作為勵磁電壓。此電路可線性放大梯形波斜邊部分，滿足了梯形波勵磁方式的要求。梯形波勵磁信號產生電路部分，作者采用"/ 位01 2 轉換芯片02344+" 通過電平轉換芯片(84*2937*: 與’()*+,$-"*. 單片機的5(2;% 通信模塊相連的方式產生勵磁信號。’()**+$ 輸出量程為,#-./#-，內部參考電壓$"-，01(23 為4 線156 主機模式。此勵磁信號產生電路，通過7154+" 單片機的定時器進行分頻，可軟件編程修改勵磁頻率，為電磁流量計選擇不同的勵磁頻率提供了更大的方便。$8! 信號處理電路電磁流量計是法拉第電磁感應定律的具體應用。導電流體在磁場中流動切割磁力線，產生感應電動勢。此感應電動勢是一個微弱的交變信號，在實際測量中基本上可以測出$9: ; 流速對應"8$9- 感應電動勢，且此信號內阻高，為兆歐級，同時噪聲信號多，尤其為#"<= 工頻干擾，幅值遠遠大于流量的感應電動勢信號。根據感應電動勢信號的上述特點，作者設計了如圖+ 所示的信號處理電路。兩路電極信號首先經過儀用放大器(’&!" 進行差分放大，放大倍數為$""" 倍，差分放大后的信號經過電壓跟隨器先后經過高低通濾波器后進入單片機進行(:’ 轉換。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+">$4? 單片機作為電磁流量計)50，包括(:’ 轉換模塊（單片機片內自帶$! 位(:’ 轉換器）、@)’ 顯示模塊、按鍵模塊、基礎時鐘模塊和復位電路等。基礎時鐘模塊選用%7<= 高速晶振作為系統主時鐘（7)@A） 和子系統時鐘（17)@A） 為系統程序、定時器、156 和@)’ 等提供時鐘源。7154+">$4? 片內$! 位(:’ 轉換模塊，轉換量程為".+8+-，采樣速率為!""B;C;，轉換模式為單通道重復轉換D!E。! 系統軟件流程系統軟件由主程序、鍵盤菜單處理、定時器中斷、梯形波勵磁信號產生、(:’ 采樣、@)’ 顯示等部分組成。如圖4、#、& 所示分別為系統主程序流程圖，定時器$ 中斷服務程序流程圖和定時器! 中斷服務程序流程圖。圖4 系統主程序流程圖" 試驗結果及結論試驗所用傳感器的內徑為#"99，采用標準計量罐進行標定。低頻矩形波勵磁、三值低頻矩形波勵磁和三值梯形波勵磁方式的勵磁頻率均為&8!#<=，勵磁電壓為F。由于儀表的零點穩定性主要反應于小流速（一般在"8!#9:; 以下）的測量準確度，因此作者主要集中在此流速段進行了試驗。從試驗結果可以表明三值梯形波勵磁方式與低頻矩形波勵磁方式相比，在相同的標定流速下的相對誤差更小，而且在接近零流速的試驗點（標定流速為"8"*"%9: ;），三值梯形波勵磁方式下的測量相對誤差為,#8!&G，小于低頻矩形波勵磁方式下的,*8"&G，說明了作者提出的三值梯形波勵磁方式在提高零點穩定性方面效果明顯。具體試驗結果請參見參考文獻D$E。本系統通過軟硬件協同設計，實現了用戶通過鍵盤設置改變勵磁頻率、梯形波斜坡斜度和高低零值勵磁段時間比。在流速變化小，測量準確度要求高的情況下選用較低的勵磁頻率，以保證更好的零點穩定性和測量準確度，在流速變化大，測量實時性要求高的情況下選用較高的勵磁頻率，以保證電磁流量計的響應速度。相比現有電磁流量計單一勵磁頻率難以滿足不同測量要求方面取得了一定的突破。參考文獻$ 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$& 位單片機原理與應用8北京：北京航空航天大學出版社，!""$--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：