【正文】 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì) 2022 年 12 月 20 日題 目 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)指 導(dǎo) 教 師 馬老師 職 稱 講師主要研究方向 單片機(jī)原理理論選題的主要目的和意義：渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。而在低流速下，渦街測(cè)量就凸顯出了它的不足，渦街信號(hào)的信噪比很低，有用信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)。普通的渦街流量計(jì)采用模擬信號(hào)處理方法，在正常流量范圍內(nèi)，渦街流量信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好；鑒于上述模擬渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以及存在的不足，課題的目的是數(shù)字信號(hào)處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，采用雙 MSP430 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出及電流輸出。使其具有測(cè)量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：渦街流量計(jì)是最年輕的一類流量計(jì),但發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計(jì)。但是渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。流量計(jì)伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能,而技術(shù)的進(jìn)步也讓流量計(jì)的完善成為可能。流量計(jì)的發(fā)展將向提高流量計(jì)的可靠性,提高流量計(jì)對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等方面發(fā)展。同時(shí)隨著新的信號(hào)處理技術(shù)及新的信號(hào)傳輸技術(shù)的應(yīng)用,流量計(jì)將向高度智能化方向發(fā)展。注：本表由擬擔(dān)任畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)任務(wù)的教師填寫(xiě)。教學(xué)單位存檔。2022 年 12 月 16 日渦街流量計(jì)因其介質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，無(wú)可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。而在低流速下，渦街測(cè)量就凸顯出了它的不足，渦街信號(hào)的信噪比很低，有用信號(hào)幾乎被噪聲淹沒(méi)。普通的渦街流量計(jì)采用模擬信號(hào)處理方法，在正常流量范圍內(nèi)，渦街流量信號(hào)穩(wěn)定、測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好；而在小流量下，渦街有用信號(hào)微弱、提取困難，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量下限比較高。 鑒于上述模擬渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以及存在的不足，課題的目的是數(shù)字信號(hào)處理方法 FFT 應(yīng)用于渦街流量?jī)x表當(dāng)中，采用雙 MSP430 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖計(jì)頻和 FFT 計(jì)算，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行脈沖輸出及電流輸出。使其具有測(cè)量下限低，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)。二、本選題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)渦街流量計(jì)是最年輕的一類流量計(jì),但發(fā)展迅速,目前已成為通用的一類流量計(jì)。但是渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，使得復(fù)雜的信號(hào)處理算法得以在硬件上實(shí)現(xiàn)。已研究的 DSP 與 MSP430 單片機(jī)相結(jié)合的數(shù)字渦街信號(hào)處理系統(tǒng)，在很大程度上降低了流量測(cè)量下限以及提高了抗干擾能力。流量計(jì)伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能,而技術(shù)的進(jìn)步也讓流量計(jì)的完善成為可能。流量計(jì)的發(fā)展將向提高流量計(jì)的可靠性,提高流量計(jì)對(duì)介質(zhì)適應(yīng)性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等方面發(fā)展。同時(shí)隨著新的信號(hào)處理技術(shù)及新的信號(hào)傳輸技術(shù)的應(yīng)用,流量計(jì)將向高度智能化方向發(fā)展。三、課題設(shè)計(jì)方案 [主要說(shuō)明：研究（設(shè)計(jì)）的基本內(nèi)容、觀點(diǎn)及擬采取的研究途徑和方法。] 從抗干擾和降低功耗兩個(gè)角度考慮，本課題設(shè)計(jì)了數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件電路，采用了以 MSP430F149 單片機(jī)和 MSP430F1611 單片機(jī)為核心的雙 CPU 硬件結(jié)構(gòu)。本課題設(shè)計(jì)的雙 MSP430 單片機(jī)數(shù)字渦街流量計(jì)采用了普通模擬渦街流量計(jì)的前置放大電路；上述的前置處理電路產(chǎn)生的兩種信號(hào)分別送到兩個(gè)單片機(jī)中，其中幅值為 的脈沖信號(hào)送入MSP430F149 中，幅值為 的正弦信號(hào)送入 MSP430F1611 中。當(dāng)流量處于正常流速狀態(tài)時(shí)，由 MSP430F149 利用其 I/O 端口的外部中斷功能，對(duì)前置放大電路輸出的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)頻，從而得出當(dāng)前頻率值；當(dāng)流量處于低流速狀態(tài)時(shí)，對(duì)前置放大電路中低通濾波器輸出的疊加了許多干擾的正弦信號(hào)進(jìn)行 A/D 采樣，再利用 MSP430F1611 對(duì) A/D 采樣的結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，從而得出此時(shí)渦街信號(hào)的頻率。最后，在整個(gè)流量范圍內(nèi)，將得出的頻率值以脈沖輸出的方式從 MSP430F149 的端口輸出同時(shí)以模擬電壓值的形式從MSP430F1611 的端口輸出然后通過(guò) AM402 芯片轉(zhuǎn)換為 4～20mA 電流輸出。目 錄摘 要 .............................................................................................................................................11 引言 .............................................................................................................................................1 渦街流量計(jì)概述 .......................................................................................................................1 渦街流量計(jì)的主要問(wèn)題 ...........................................................................................................1 課題研究目的及意義 ...............................................................................................................22 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的總體方案設(shè)計(jì) ......................................................2 渦街流量計(jì)的工作原理 ...........................................................................................................2 渦街信號(hào)的組成 .......................................................................................................................4 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案 ...........................................................5 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的 FFT 頻率計(jì)算方法 ..........................................73 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì) ..............................................................9 整體硬件電路設(shè)計(jì)方案 ...........................................................................................................9 前置放大電路的設(shè)計(jì) ...............................................................................................................9 單片機(jī)計(jì)算及輸出電路的設(shè)計(jì) .............................................................................................16 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) .........................................................................................................19 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的硬件低功耗設(shè)計(jì) .............................................194 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件設(shè)計(jì) ............................................................20 軟件總體設(shè)計(jì)方案 .................................................................................................................20 MSP430F149 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) ..............................................................................................20 MSP430F1611 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) ............................................................................................21 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件低功耗設(shè)計(jì) .............................................235 總結(jié)與展望 ................................................................................................................................24參考文獻(xiàn)： ...................................................................................................................................25謝 辭 ...........................................................................................................................................2611雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)摘 要：鑒于現(xiàn)有渦街流量計(jì)具有的優(yōu)勢(shì)以及存在的不足，本課題研究并且實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)字渦街流量計(jì)。該數(shù)字渦街流量計(jì)采用了雙 MSP430 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，在低流速小流量的情況下，由MSP430F1611 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)頻譜分析算法來(lái)計(jì)算渦街信號(hào)頻率，有效地克服了模擬渦街在小流量下測(cè)量精度不高甚至不能測(cè)量的問(wèn)題，以及具有常規(guī)模擬渦街在高信噪比的情況下測(cè)量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：渦街流量計(jì)、脈沖輸出、電流輸出、MSP4流量下限1 引言 渦街流量計(jì)概述渦街流量計(jì)屬旋渦流量計(jì)類型，它是利用流體振蕩的原理進(jìn)行流量測(cè)量。當(dāng)流體流過(guò)非流線型阻擋體時(shí)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的旋渦，旋渦的產(chǎn)生頻率與流體流速有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)得頻率的變化，就可以得知流體的流量。渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器包括旋渦發(fā)生體（阻流體） 、檢測(cè)元件、儀表表體等；轉(zhuǎn)換器包括前置放大器、濾波整形電路、D／A 轉(zhuǎn)換電路、輸出接口電路、端子、支架和防護(hù)罩等。渦街流量計(jì)有其自身的使用特點(diǎn)。它的輸出為脈沖頻率，其頻率與被測(cè)流體的實(shí)際體積流量成正比，它不受流體密度、壓力、溫度的影響；壓力損失較小，測(cè)量范圍較大；在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)頻率不受流體物性和組分變化的影響，儀表系數(shù)僅與旋渦發(fā)生體形狀和尺寸有關(guān)，為旋渦發(fā)生體的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件。渦街流量計(jì)也存在著一定的局限性。不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量，一般要求雷諾數(shù) Re不低于 2104，故在高粘度、低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制；需要根據(jù)上游側(cè)不同形式的阻流件配置足夠長(zhǎng)的直管段或裝設(shè)流動(dòng)調(diào)整器（整流器） ；不適用于周圍環(huán)境有嚴(yán)重干擾及管道產(chǎn)生振動(dòng)的場(chǎng)所。 渦街流量計(jì)的主要問(wèn)題渦街流量計(jì)主要存在著兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一，易受噪聲干擾。渦街流量計(jì)本質(zhì)上是流體振動(dòng)型流量計(jì)，因此它對(duì)外界振動(dòng)、流體的流動(dòng)狀態(tài)特別敏感，如管道振動(dòng)、管道流體的沖擊力以及由于流體壓力的變化、產(chǎn)生的隨機(jī)脈動(dòng)壓力等，現(xiàn)場(chǎng)的干擾對(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生很大的影響。流場(chǎng)的穩(wěn)定性、均勻性不僅對(duì)卡門渦街的形成和分離有影響，而且對(duì)各種敏感元件的檢測(cè)效果也有直接影響。附加的旋渦干擾了渦街信號(hào)，降低了信噪比。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。因?yàn)樾×髁克a(chǎn)生的橫向升力較小，初始信號(hào)非常微弱，易受流體沖擊振動(dòng)噪聲和管道振動(dòng)噪聲的影響，存在一個(gè)量程下限死區(qū)，從而造成量程比受限，小流量不能測(cè)量。0基于上述問(wèn)題，使得渦街流量計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用中，實(shí)際量程