基于MSP430F149 的電磁流量計設計

基于MSP430F149 的電磁流量計設計
   摘.. 要: 電磁流量計是基于法拉第電磁感應定律的速度式電磁流量計。本文對國內外電磁流量計發展現狀和趨勢進行了簡單介紹。在闡述電磁流量計測量原理的基礎上, 設計了一種基于MSP430F149 單片機的LDB 型電磁流量計, 電路以MSP430F149 單片機為核心, 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。文中給出了設計的總體框圖, 部分硬件電路和控制軟件流程圖。本文設計的LDB 型電磁流量計已經投入生產, 經實際應用表明, 該設計具有高精度, 低功耗和可靠性強等特點, 基本滿足設計要求。
  關鍵詞: MSP430F149; 電磁流量計; 超低功耗
   0 .. 引.. .. 言
   電磁流量計( elect romag net ic f lowmeter, EMF) 是20 世紀中葉隨著電子技術的發展而迅速發展起來的新型流量測量儀表。電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律, 用來測量導電液體體積流量的儀表[ 1] 。20 世紀80 年代以來, 微電子技術和計算機技術的迅猛發展, 使電磁流量計制造技術更加成熟和完善, 其應用領域更加擴大。當代的電磁流量計采用單片機技術, 用數字信號處理等措施使電磁流量計的測量精度和性能不斷提高, 并可充分利用計算機具有信息存貯, 分時處理, 運算和控制能力的優勢。因此, 比較容易實現了雙向測量, 空管檢測, 多量程自動切換, 人機對話, 與上位機通信, 自診斷等附加功能。由于其*的優點, 目前已廣泛地被應用于工業過程中各種導電液體的流量測量, 如各種酸、堿、鹽等腐蝕性介質; 各種漿液流量測量, 形成了*的應用領域[ 2] 。
   1 .. 電磁流量計測量原理
   智能電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律。即: 導電液體在磁場中作切割磁力線運動時, 導體中產生感應電動勢, 其感應電動勢E 的計算公式為: E= K B VD 式中: K 為儀表常數; B 為磁感應強度; V 為測量管截面內的平均流速; D 為測量管的內徑。測量流量時, 流體流過垂直于流動方向的磁場, 導電性液體的流動會感應出一個與平均流速( 即體積流量) 成正比的電壓, 此電壓通過兩個與液體直接接觸的電極檢出, 傳至放大器, 然后轉換成統一的輸出信號。測量原理如圖1 所示。圖1 .. 測量原理示意圖這種測量方式具有以下特點: ( 1) 測量管內無阻流體, 因此無壓力損失。( 2) 由于信號在整個充滿磁場的空間中形成, 它是管道截面上的平均值, 因此所需直管段相對較短, 前端長度為DN .. 5( DN 為流量計通徑) 。( 3) 只有管道襯里和電極與被測液體接觸, 因此, 只要合理選擇電極和襯里材料, 即可達到耐腐蝕、耐磨損的要求。( 4) 測量所得信號是一個與平均流速成線性關系的電動勢, 它與液體的壓力、溫度、密度、粘度、電導率( 不小于電導率) 等物理參數無關, 所以測量精度高, 工作可靠。
   2 .. 電磁流量計硬件設計
   2. 1 .. 總體設計原理
   本設計中, 考慮到單片機的價格、硬件資源、開發工具和功耗問題, 選擇了美國德州儀器公司的MSP430 系列的MSP430F149 單片機。美國德州儀器公司( TI ) 公司的MSP430 系列是一個16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機, 在1996 年問世, 它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段, 其中包括一系列器件, 它們針對不同的應用而由各種不同模塊組成, 由五種低電壓模式組成的結構被設計為可用電池工作, 并可以有很長時間的應用[ 3] 。它們具有16 位RISC 結構的CPU , 16 個寄存器和常數發生器能使微控制器達到的代碼效率, 數字控制振蕩器使器件在少于6us 的時間內從低功耗模式被喚醒到活動模式。MSP430F149 單片機帶有兩個內置的16 位定時器, 一個快速的12 位A/ D 轉換器[ 4] 。在系統總體設計中采用MSP430F149 作為主控制MCU, 利用TIP107 等電路產生一個交變的勵磁電流, 加在傳感器的勵磁線包上, 產生一個交變的磁場, 當有流體流過時, 管道內的流體切割磁力線產生一個電動勢, 經過信號處理電路處理后, 數字信號送至單片機進行處理, 運算, 再通過流量標定系統計算出瞬時流量和累積流量送至液晶顯示屏顯示。并通過D/ A 轉換電路轉換為4~ 20mA 電流量信號進行遠傳輸出。其原理框圖如圖2 所示。圖2 .. 電磁流量計原理圖
   2. 2 .. 信號處理電路
   信號處理電爐的作用是將電磁流量輸出的和流量信號成比例的毫伏級的電壓信號轉變為單片機可以接受和處理的直流信號。信號處理電路是傳感器和單片機系統的中介, 本設計中主要由前置放大電路和濾波電路組成。
   2. 2. 1 .. 前置放大電路
   前置放大具有很高的輸入阻抗和共模抑制比, 它的作用是將傳感器兩電極間的電勢差進行放大, 而對電極與地面的同相干擾進行抑制。本文采用運算放大器作前置放大, 放大倍數為10 倍。選擇運算放大器時, 選擇了低功耗高精度運算放大器OP97[ 5] 。OP97 是工業標準OP07 系列[ 6] 的型號, 具有低功耗、低噪聲、低偏置電流、低失調的特點。其電路如圖3 所示。圖3 .. 前置放大電路圖
   2. 2. 2 .. 低通濾波電路
   電壓信號經前置放大后, 由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, 因此加入一個二階低通濾波電路來抑制雜散信號。低通濾波電路選擇壓控電壓源二階低通濾波電路, 在電路中既引入了正反饋又引入了負反饋。其電路如圖4 所示。圖4.. 低通濾波電路圖
   3 .. 智能電磁流量計軟件設計
   電磁流量計在相當長的時間里只能被動的接受傳感器傳來的流量信號, 不能進行復雜的運算和做出相應的判斷。隨著單片機技術的不斷發展, 單片機越來越多地應用到電磁流量計中, 逐漸實現了電磁流量計的單片機化, 單片機應用到電磁流量計中, 軟件設計部分就成了系統設計的關鍵。系統主程序的流程圖[ 7] 如圖5 所示。圖5.. 電磁流量計主程序流程圖
   4 .. 結.. .. 論
   本文設計的基于MSP430F149 單片機的LDB 型電磁流量計實物如圖6 所示, 該流量計是用來測量各種導電液體或液固兩相介質的體積流量, 包括變送器和智能轉換積算儀兩部分。經實際應用表明, 該儀表具有測量精度高、顯示讀數直觀、功耗低、無可動件、可靠性強、壽命長、防爆、防酸、防堿等優點, 基本滿足設計要求。適合水、酸、堿、鹽、泥漿等導電流體測量, 可廣泛適用于鋼鐵、石油、化工、水廠、醫藥、釀造等行業的流體測量及控制[ 8] 。
   參考文獻
   [ 1 ] .. 蔡武昌. 電磁流量計的現狀和發展[M ] . 北京: 機械工業出版社, 2002: 6..10.
   [ 2 ] .. 蔡武昌, 馬中元. 電磁流量計[M ] . 北京: 中國石化出版社, 2004: 5..16.
   [ 3 ] .. 胡大可. M SP430 系列FLASH 型超低功耗電量16 位單片機[ M ] . 北京: 北京航空航天大學出版社, 2001: 45..73.
  [ 4 ] .. 魏小龍. MSP430 系列單片機接口技術及系統設計實例[M] . 北京: 北京航空航天大學出版社, 2002: 56..62. --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：