【正文】 容易，特別在高溫、高壓下，目前現(xiàn)有的密度計(jì)還很難直接測(cè)量出流體的密度。因此，必須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體積與工況體積、壓力、溫度的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償。顯然，這種補(bǔ)償方法的關(guān)鍵在于必須有一個(gè)適合于被測(cè)流體的VN=f(P,T,V)函數(shù)表達(dá)式，然后將其帶入流量方程式，求出補(bǔ)償系數(shù)，并按此規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)償。3 渦輪流量硬件電路設(shè)計(jì) 渦輪流量計(jì)硬件整體結(jié)構(gòu)本課題設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)由流量傳感器、溫度傳感器、微處理器、LCD顯示、HART模塊、按鍵等組成。該系統(tǒng)以MSP430F147單片機(jī)為核心,配合外圍器件，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)場(chǎng)顯示,累計(jì)存儲(chǔ),通訊,按鍵設(shè)置的人機(jī)界面等功能。原理圖如圖2所示。圖2 渦輪流量計(jì)原理圖 The scheme of of heat meter 單片機(jī)的選取MSP430系列單片機(jī)針對(duì)各種不同的應(yīng)用，包括一系列不同型號(hào)的器件，主要特點(diǎn)有： 超低功耗，活動(dòng)模式耗電250uA/MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)指令數(shù)），IO輸入輸出端口的漏電流最大僅為50nA。MSP430系列單片機(jī)有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需要的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用的功能模塊不同，即采用不同的功能模式，芯片的功耗有明顯的差異。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式AM和5種低功耗模式LPM0LPM4。另外，MSP430系列單片機(jī)采用矢量中斷，支持十多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套。用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒只要6us，通過(guò)合理編程，既以降低系統(tǒng)功耗，又可以對(duì)外部事件做出快速響應(yīng)。 強(qiáng)大的處理能力MSP430系列單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令及結(jié)構(gòu)（RISC），一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令（傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)要12個(gè)時(shí)鐘周期才可以執(zhí)行一條指令），使MSP430在8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可以達(dá)到8MPIS（注意：同樣8MPIS的指令速度，在運(yùn)算性能上16位處理器比8微處理器高遠(yuǎn)不止兩倍）。TI不久還將推出2030MIPS的產(chǎn)品。同時(shí)，MSP430系列單片機(jī)的某些型號(hào)，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘加（積之和）功能、DMA等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了它的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理的一些算法（如FFT、DTMF等）。這種結(jié)構(gòu)在其它系列單片機(jī)中尚未使用。 高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機(jī)結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。視型號(hào)不同可能組和有以下功能模塊：看門狗(WDT）、模擬比較器A，定時(shí)器A(Timer_A)，定時(shí)器B(Timer_B)，串口0，1(USART0，1)，硬件乘法器，液晶驅(qū)動(dòng)器，10位/12位/14位ADC，12位DAC，I2C總線，直接數(shù)字存?。―MA），端口0（P0），端口16（P1P6），基本定時(shí)器（Basic Timer）等。其中，看門狗可以在程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可以設(shè)計(jì)出(1011位)高精度的A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能；大量的捕獲/比較寄存器，可以用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；多功能串口（USART）可實(shí)現(xiàn)異步、同步和I2C串行通信，可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的IO端口，最多達(dá)6*8條IO口線，IO輸出時(shí)，不管是灌電流還是拉電流，每個(gè)端口的輸出晶體管都能夠限制輸出電流（最大約25mA），保證系統(tǒng)安全；P0，P1，P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速度，最高可達(dá)200Kb/s，性能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；LCD驅(qū)動(dòng)模塊能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；F15X和F16X系列有兩路12位高速DAC，可以實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字波形合成等性能；硬件I2C串行總線接口可以擴(kuò)展I2C接口器件；DMA功能可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，減輕CPU的負(fù)荷。MSP430系列單片的豐富片內(nèi)外設(shè)，在目前所有單片機(jī)系列產(chǎn)品中是非常突出的，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振和穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。這種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，在目前各系列單片機(jī)中是絕無(wú)僅有的。另外，MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)器件，運(yùn)行環(huán)境溫度為40+80℃，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適用于各種民用和工業(yè)環(huán)境。選擇所用單片機(jī)為MSP430系列單片機(jī)后，對(duì)單片機(jī)的片內(nèi)資源進(jìn)行需求分析，最后選擇了MSP430F147單片機(jī)，它具有如下特點(diǎn)：低工作電壓：超低功耗：活動(dòng)模式 220μA @1MHz ，待機(jī)模式 掉電模式（RAM數(shù)據(jù)保持）：有5 種節(jié)電模式從待機(jī)道喚醒的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)6μs片內(nèi)頻率鎖相環(huán)FLL+，可使系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的頻率上16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)（RISC），150ns指令周期具有3個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器集成96段液晶驅(qū)動(dòng)器片內(nèi)比較器配合其它器件可以構(gòu)成斜邊A/D轉(zhuǎn)換器可在線串行編程可編程的保密熔絲保護(hù)設(shè)計(jì)者代碼Flash存儲(chǔ)器 電源電路電源電路的作用主要是給測(cè)量系統(tǒng)供電，為了最大限度降低功耗，所以系統(tǒng)電源必須滿足兩點(diǎn)要求：1．。2. 使用一段時(shí)間后由于電池電量的下降，電壓也隨之下降。為了達(dá)到以上性能要求，在設(shè)計(jì)電源時(shí)選擇了austriamicrosystems公司AS1325穩(wěn)壓片。AS1325是集成了同步整流器的高效升壓DCDC轉(zhuǎn)換器，其效率為96%。當(dāng)輸入電壓低于2V，輸出電流可達(dá)185mA。完全可以滿足系統(tǒng)的供電需求。，，進(jìn)入中斷處理，顯示“換電池”同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。電源電路的連接如圖3所示圖3 電源模塊原理圖 The scheme of of Power Module 流量測(cè)量電路 霍爾開關(guān)工作原理當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢(shì)U，其表達(dá)式為：U= KIB/d（）其中K為霍爾系數(shù)，I為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)（洛倫慈力Lorrentz）的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。由此可見(jiàn)，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。霍爾開關(guān)就屬于這種有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，它可方便的把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，同時(shí)又具備工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用易操作和可靠性的要求。 流量測(cè)量原理及電路按圖4所示的各種方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來(lái)可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾螅朋w每經(jīng)過(guò)霍爾電路一次，便輸出一個(gè)電壓脈沖。圖4 旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置 Set rotation sensor magnet由此，可對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)物體實(shí)施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測(cè)。在轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。本流量傳感器由霍爾開關(guān)元件A3210，帶磁渦輪及電平轉(zhuǎn)換電路組成，構(gòu)成如圖5所示。將A3210固定在距渦輪所在平面約1～3mm處。永磁鐵經(jīng)過(guò)霍爾元件附近一次，即產(chǎn)生一個(gè)計(jì)量脈沖；如果一個(gè)渦輪有8個(gè)葉片，179。，179。/8的流量。根據(jù)這一原理，我們可確定流量的計(jì)算公式為；Q=KM（）式中，Q為流量m179。；K為基表系數(shù)，179。／r；N為轉(zhuǎn)數(shù)。圖5 渦輪脈沖采集框圖 The diagram of Pulse Acquisition with Turbo根據(jù)這一原理，只要通過(guò)MSP430的捕獲功能計(jì)算A3210產(chǎn)生的脈沖的頻率，就能實(shí)時(shí)的計(jì)算出氣體在標(biāo)況下的流量了。 溫壓檢測(cè)電路本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選用合適的溫度和壓力傳感器，使硬件電路最大限度的簡(jiǎn)化，而且與所選MSP430單片機(jī)相匹配，達(dá)到預(yù)期的精度和超低功耗要求。 溫壓傳感器的選取本設(shè)計(jì)采用的MS5535B是一種集成度高、功能強(qiáng)大的集成芯片。集成傳感器近年發(fā)展很快，和經(jīng)典的傳感器相比，集成傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。一般的傳感器多為一個(gè)傳感器測(cè)量一個(gè)參數(shù)，而傳感器的多功能與集成化則是在芯片上制作出多個(gè)傳感器來(lái)測(cè)量多個(gè)參數(shù)。傳感器的集成化是指將多個(gè)功能相同或不同的敏感器件制作在同一個(gè)芯片上構(gòu)成傳感器陣列，主要有三個(gè)方面的含義：一是將多個(gè)功能完全相同的敏感單元集成制造在同一個(gè)芯片上，用來(lái)測(cè)量被測(cè)量的空間分布信息，例如壓力傳感器陣列或我們熟知的CCD器件；二是對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)相同、功能相近的敏感單元進(jìn)行集成，例如將不同氣敏傳感元集成在一起組成電子鼻，利用各種敏感元對(duì)不同氣體的交叉敏感效應(yīng)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以對(duì)混合氣體的各種組分同時(shí)監(jiān)測(cè)，得到混合氣體的組成信息，同時(shí)提高氣敏傳感器的測(cè)量精度；這層含義上的集成還有一種情況是將不同量程的傳感元集成在一起，可以根據(jù)待測(cè)量的大小在各個(gè)傳感元之間切換，在保證測(cè)量精度的同時(shí)，擴(kuò)大傳感器的測(cè)量范圍；三是指對(duì)不同類型的傳感器進(jìn)行集成，例如集成有壓力、溫度、濕度、流量、加速度、化學(xué)等敏感單元的傳感器，能同時(shí)測(cè)到環(huán)境中的物理特性或化學(xué)參量，用來(lái)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MS5535B完全體現(xiàn)了傳感器集成化的發(fā)展趨勢(shì)，是設(shè)計(jì)的首選。 2MS5535B的特性與功能MS5535B由一個(gè)硅壓阻傳感器和一個(gè)集成傳感器接口電路組成，其主要特性有：測(cè)壓范圍為014bar；～，工作溫度40～+125℃；內(nèi)含六組軟件補(bǔ)償系數(shù)，無(wú)需外部補(bǔ)償；；15位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，是一種低電壓、低功耗、可以自動(dòng)進(jìn)行開/關(guān)切換的SMD器件。將壓力傳感器與集成傳感器接口電路結(jié)合在一起是為了節(jié)省其他外部元件和實(shí)現(xiàn)超低功耗。為了降低能量損耗，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中傳感器不斷被啟動(dòng)和關(guān)閉，在一次變換中總的工作時(shí)間為2ms。當(dāng)MS5535B處于待命狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)關(guān)閉母機(jī)降低功耗。同時(shí)，因?yàn)樵撗b置對(duì)震動(dòng)非常敏感，必須使用晶體震蕩器，時(shí)鐘波形必須是方波。MS5535B的主要功能是將硅壓阻式傳感器輸出的未補(bǔ)償?shù)膲毫δM信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位的數(shù)字量，同時(shí)還可輸出16位的溫度值。被測(cè)壓力（16位）由D1輸出，被測(cè)溫度(16位)由D2輸出。MS5535B和各種單片機(jī)之間的通訊通過(guò)三線串行口實(shí)現(xiàn)。此外，為了對(duì)傳感器有一個(gè)非常精確的軟件標(biāo)定，該模塊設(shè)置了6組可讀的補(bǔ)償系數(shù)。 模塊圖與連接MS5535B是集成芯片，它的模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6 MS5535B 的模塊圖 The modules map of MS5535B由于壓力傳感器的輸出電壓受溫度的影響很大，所以必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，而補(bǔ)償必須通過(guò)軟件由一個(gè)外部微處理器完成，補(bǔ)償部分的軟件設(shè)計(jì)將在下一章中介紹。電路連接如圖7所示。圖7 MS5535B與單片機(jī)的連接 MS5535B and MCU link 實(shí)時(shí)時(shí)鐘在智能儀表中需要隨時(shí)查看當(dāng)前時(shí)間或歷史記錄，這就需要系統(tǒng)有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘有兩個(gè)方案：一是使用CPU自身資源方便地構(gòu)造時(shí)鐘單元。二是使用外圍時(shí)鐘芯片。本系統(tǒng)選擇的是后者，主要原因有兩點(diǎn)。1．由于儀表是電池供電對(duì)功耗的要求非?？量?，而整個(gè)系統(tǒng)中CPU是耗電大戶，如果使用CPU自身運(yùn)算時(shí)鐘勢(shì)必消耗大量的CPU資源。這樣就會(huì)使CPU進(jìn)入休眠模式的時(shí)間縮短，功耗上升，大大降低了電池的使用壽命。２．在氣體流速平緩時(shí)CPU不需要重復(fù)的測(cè)量，只需定時(shí)測(cè)量一次即可，其它時(shí)間處于休眠狀態(tài)。時(shí)鐘芯片可以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)周期性的產(chǎn)生中斷喚醒CPU，而在不需要讀取時(shí)間的時(shí)候，時(shí)鐘芯片本身工作不需要CPU的參與，延長(zhǎng)了電池使用壽命。本系統(tǒng)選擇的是PHILIPS公司的PCF8563，這是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報(bào)警功能定時(shí)器功能時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)，甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能。內(nèi)部時(shí)鐘電路，內(nèi)部振蕩電路，內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路（）以及兩線制I2C總線通訊方式不但使外圍電路及其簡(jiǎn)潔而且也增加了芯片的可靠性同時(shí)每次讀寫數(shù)據(jù)后內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。PCF8563與單片機(jī)的