基于MSC1211 的電磁流量計的硬件設計

基于MSC1211 的電磁流量計的硬件設計
  摘要: 介紹了電磁流量計的測量原理, 給出了硬件設計的總體框圖, 詳細闡述了勵磁信號電路、信號處理電路、顯示鍵盤以及通訊接口的設計。電路設計以高性能的混合信號芯片MSC1211 為核心, 從而簡化了外圍硬件電路的設計, 實現了液體流量的測量和累積。系統具有結構簡單、高精度和低功耗等特點。
  關鍵詞: 電磁流量計; 三值方波勵磁; MSC1211 
   1 .. 電磁流量計工作原理
   電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律的原理來測量導電液體體積流量的儀器。宏觀上把導電液體看成導體, 液體的流動看成導體做切割磁力線運動。當導體在磁場中做切割磁力線運動時, 在導體的兩端就會產生感應電動勢。電動勢e 的方向由右手定則確定, 大小為: e= BDv 式中: B 為磁場強度; D 為垂直切割磁力線的導體長度; v 為流體的平均速度。因此, 流體的體積流量為Q= ..D2 4 v= ..De 4B 所以當測量管和磁場一定時, 只要測得感應電動勢e , 即可算出體積流量Q.
   2 .. 硬件電路設計
   在結構上, 智能電磁流量計由電磁流量傳感器和轉換器2 部分組成。傳感器安裝在工業過程管道上, 它的作用是將流進管道內的液體體積流量線性地變換成感應電勢信號, 并通過傳輸線將此信號送到轉換器。轉換器安裝在離傳感器不太遠的地方, 它將傳感器送來的流量信號進行放大, 并轉換成與流量信號成正比的標準電信號輸出, 以進行顯示、累積和調節控制。具體硬件結構框圖如圖1 所示。
   2..1 .. 勵磁信號電路
   勵磁系統決定了傳感器的工作磁場, 是轉換電路中非常重圖1 .. 測量系統硬件結構圖要的部分, 關系到磁場的穩定與變換精度。使用交流勵磁的電磁流量傳感器產生的正交干擾與頻率成正比, 而影響零點的同相干擾與頻率的平方成正比, 因此低頻磁場有利于降低正交干擾和同相干擾。采用低頻三值方波勵磁方式, 頻率選為12..5 Hz, 使這些干擾基本被忽略, 有利于零點測量自校, 并提高儀表的準確度, 同時采用周期間歇性工作, 以降低功耗。勵磁電路由場效應管及控制電路構成。直接利用MSC1211 的P2 口可以控制場效應管的通斷以輸出勵磁電壓。場效應管采用2 對互補增強型功率NMOS、PMOS 管分別連接勵磁線圈的2 個輸入端。P2 口作為通用I/ O 口時, 可以被配置成4 種不同的I/ O 類型: 標準8051 模式、CMOS 輸出模式、開漏極輸出模式、輸入模式。可以設置成CMOS 輸出模式而直接驅動場效應管。通過設置P2. 4、P2. 5 電平的高低來控制場效應管的通斷, 如圖2 所示, 從而實現三值方波的輸出。
   2..2 .. 信號處理電路
   信號處理電路由前置放大電路和濾波電路組成。前置放大要有很高的輸入阻抗和共模抑制比, 它的作用是將傳感器兩圖2 .. 勵磁信號電路圖電極間的電勢差放大, 而對電極與地間的同相干擾進行抑制。采用OP07 作為前置放大, 放大倍數為10 倍, 經前置放大后差動信號變換為單端信號, 其輸出幅度較小, 依然不能直接輸入到模數轉換電路, 必須經過再次放大, 由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾, 而輸入信號較小, 因此加入二階低通濾波電路來抑制雜散信號。在電路設計中, 選取合適的電容、電阻值, 確保有很好的低通濾波效果。電路如圖3 所示。圖3.. 信號的前置放大與濾波電路.. .. 單片機是單極性電壓供電, 輸入信號為0~ 5 V, 所以交流信號的負值電壓不能直接進入A/ D 轉換器, 需采用整流電路將交流信號轉變為正極性電壓進入單片機進行后續處理。
   2..3 .. MCU 單元
   MSC1211 有2 個標準UART 接口, 32 個多功能數字I/ O 口、3 個通用定時/ 計數器, 看門狗電路、低電壓檢測電路、片內自動上電復位電路、四通道16 位數模轉換器等, 數據處理能力滿足要求, 適合于該電磁流量計的設計。單片機系統主要控制勵磁電流的輸出, 再次放大整流后信號, 要進行A/ D 轉換、分析處理以輸出到顯示屏。通過V/ I 轉換電路輸出4~ 20 mA 標準信號, 并通過RS- 232 接口與計算機進行數據通訊。因為電磁流量轉換器測量的信號是低速緩慢變化的, 因而MSC1211 內部集成的24 位.. - .. 模數轉換器可滿數轉換的要求。24 位.. - .. 模數轉換器部分由多路模擬開關、可編程增益放大器、基準電壓源、二階.. - .. 調制器和數字濾波器等組成。設置采樣頻率為200 Hz, 通過求和/ 移位寄存器, 取每4 個A/ D 轉換結果的平均值作為轉換值進行流量的計算。
   2..4 .. 顯示鍵盤電路
   顯示屏采用液晶顯示器, 以降低系統功耗。LCD 屏幕上僅顯示數字和字符, 在顯示屏外部用文字提示顯示內容。顯示屏采用字符點陣液晶模塊, 同時, 顯示屏的連接采用了4 位數據線的形式, 有效節省了單片機的I/ O 引腳資源。鍵盤采用4 個按鍵, 分別是設置、+ 、- 、確定鍵。要設置參數時, 在正常測量狀態按設置鍵進入, 通過+ 、- 鍵在各參數間進行切換, 按確定鍵進入具體數值的設置, 主要是設置時間和報警的瞬時流量上下限, 通過+ 、- 來完成數值+ 1、- 1 操作, 完成后按確定, 此時按下設置鍵退回參數選擇, 再次按下設置鍵回到正常測量狀態。因此采用了獨立式按鍵, 每個鍵單獨占有1 根I/ O 口線。
   2..5 .. 信號輸出與通訊接口
   智能電磁流量計共有3 種輸出形式: 標準電流輸出、頻率輸出、報警輸出。電磁流量計的瞬時流量和總流量計算后, 在完成自身顯示的同時, 還需傳送到控制室。標準電流輸出采用4~ 20 mA 形式, 是通過MSC1211 自帶的16 位數模轉換器把測量值轉換成電壓輸出, 并通過V/ I 轉換電路轉換為電流輸出。輸出電流上下限的確定通過軟件編程來設定。頻率輸出是一定占空比的脈沖信號, 作為累計總量使用。該設計通過外接定時器來實現頻率的輸出。流量計還具備了上下限報警輸出、空管報警輸出功能。當流量輸出超過/ 低于用戶設定的上限/ 下*, 顯示屏顯示.. 報警.. 字樣, 同時通過單片機的引腳輸出信號點亮上限/ 下限報警指示燈來提醒用戶。RS- 232 串口用來傳送時間、瞬時流量、累計流量、歷史數據以及各設定參數。設計過程中, 選用單+ 5 V 電源供電的電平轉換電路MAX232 進行RS- 232 電平轉換, 并連接到9 芯的D 型插座。
   3.. 結束語
   該電磁流量計由于采用了高性能的MSC1211 為核心的硬件系統, 簡化了外圍接口電路的設計, 提高了系統的性價比和模數轉換精度; 利用三值方波作為勵磁電流抑制了噪聲, 提高了儀表的準確度; 通過單片機系統實現了流量的測量與累計, 同時具備了串行通信功能, 可以滿足工業測量的要求。
   參考文獻: [ 1] .. 蔡武昌, 馬中元. 電磁流量計. 北京: 中國石化出版社, 2003. [ 2] .. 鄧宏彬.MSC121X 系統級單片機原理與應用. 北京: 機械工業出版社, 2004. [ 3] .. 蘇凱.MCS- 51 系列單片機系統原理與設計. 北京: 冶金工業出版社, 2003. [ 4] .. 鄧湘, 彭黎輝, 姚丹亞, 等. 兩線制低功耗流量顯示儀設計. 儀表技術與傳感器, 2003( 11) : 8- 9. --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：