【正文】 基于MSP430單片機(jī)的氣體渦輪流量計(jì)設(shè)計(jì)摘 要:流量測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、生物技術(shù)、軍事工程和科學(xué)研究等領(lǐng)域占據(jù)重要位置，因此，流量測(cè)量?jī)x表的研究和開發(fā)應(yīng)用有著深遠(yuǎn)的意義。渦輪流量計(jì)是流量測(cè)量?jī)x表中不可缺少的一員，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善。按照模塊化設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)硬件部分分為不同的功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。本著小型化、智能化的原則，設(shè)計(jì)中采用TI公司的高性能、微功耗MSP430F147單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了氣體流量的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，提高了儀表的測(cè)量精度。在外圍器件選型和軟件編制過程中進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，極大地降低了儀表的功耗，使流量計(jì)具有較高的可靠性。通訊方面可以選擇RS485和HART總線方式，方便了儀表與上位機(jī)的連接。LCD顯示和鍵盤方便了用戶的操作。軟件部分采用了模塊化的編程，介紹了各模塊的實(shí)現(xiàn)方法，最后組合起來進(jìn)行調(diào)試。通過試驗(yàn)，本系統(tǒng)初步達(dá)到了流量計(jì)量的目的，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理，功能完善，硬件和軟件設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求。關(guān)鍵詞：渦輪流量計(jì)；MSP430；流量補(bǔ)償；HART總線；溫壓傳感器Design of gas turbing flowmeterbased on the MSP430abstractAbstract:Flow measurement occupy an important position in industrial production,energymeasures,environmental,protection,transportation,biotechnology,engineering,military science and other ,there are farreaching significance research and development applications in flow measurement Flowmeter is an indispensable instrument,which are continuously developed and improved with the development of modern puter technology. System hardware were designed through divided into different functional modules. Through use of TI39。s MSP430F147 microcontroller as the core, make the gas pensation in realtime and improve the accuracy of the measurement. In the course of design, reduce the power consumption of the instrument greatly, and make the flowmeter have a high bouth has R485 and the HART bus, so connect to PC very conveniently. User can operate the turbine flowmeter easily, through LCD display and keyboard. Introducting the method of the module that how to Implementat and bination of debugging experiments result has showed that the system has the features of rational structure and perfect function.Key words:turbine flowmeter。MSP430。flow pensation。HART bus。pressureSensor.目 錄1 緒論 1 引言 1 氣體流量計(jì)的分類 1 渦輪流量計(jì)的工作原理 2 渦輪流量計(jì)的特點(diǎn) 2 本文研究?jī)?nèi)容 32 溫壓補(bǔ)償技術(shù)的研究 4 溫壓補(bǔ)償?shù)谋匾?4 補(bǔ)償原理 43 渦輪流量硬件電路設(shè)計(jì) 5 渦輪流量計(jì)硬件整體結(jié)構(gòu) 5 單片機(jī)的選取 5 超低功耗 5 強(qiáng)大的處理能力 6 高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊 6 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 7 電源電路 8 流量測(cè)量電路 9 霍爾開關(guān)工作原理 9 流量測(cè)量原理及電路 9 溫壓檢測(cè)電路 10 溫壓傳感器的選取 11 2MS5535B的特性與功能 11 模塊圖與連接 12 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 13 顯示部分 14 按鍵設(shè)計(jì) 15 RS485通訊部分 16 存儲(chǔ)單元 174 渦輪流量計(jì)積算儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19 軟件總體構(gòu)成 19 軟件開發(fā)環(huán)境 19 流量計(jì)系統(tǒng)總體概述 20 渦輪脈沖采集部分 22 實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序模塊 23 I2C總線的概念 23 I2C的位傳輸和起始信號(hào) 24 顯示程序模塊 25 HART通訊模塊程序 27 單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)模塊的操作 27 系統(tǒng)其他輔助程序的應(yīng)用 29 流量計(jì)的硬件和軟件調(diào)試 295 結(jié)論 31參考文獻(xiàn)...........................................................321 緒論 引言在物資量計(jì)量領(lǐng)域中，流體流量的檢測(cè)與控制是各行各業(yè)加強(qiáng)物料管理、能源管理，進(jìn)行物資交接、財(cái)務(wù)結(jié)算，經(jīng)濟(jì)核算，效益分析與評(píng)價(jià)及至決策的重要依據(jù)；也是企業(yè)監(jiān)控生產(chǎn)過程，使其保護(hù)優(yōu)質(zhì)、高效、安全、平穩(wěn)運(yùn)行和改善環(huán)境的重要手段。從某種意義上講：計(jì)量就是眼睛，計(jì)量就是金錢，計(jì)量就是效益?，F(xiàn)代企業(yè)對(duì)流量計(jì)量的要求越來越高，主要反映在滿足準(zhǔn)確性、可靠性、及時(shí)性和自動(dòng)化水平的程度等方面，計(jì)量的準(zhǔn)確可靠性愈來愈受到社會(huì)各界的關(guān)注。氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式儀表。它具有壓力損失小、精確度高、始動(dòng)流量低，抗振與抗脈動(dòng)流性能好等特點(diǎn)。廣泛使用于石油、化工、電力工業(yè)鍋爐等燃?xì)庥?jì)量和燃?xì)庹{(diào)壓站、輸配氣管網(wǎng)天然氣、城市天然氣計(jì)量等領(lǐng)域并可廣泛用于貿(mào)易計(jì)量。目前，國(guó)內(nèi)在氣體流量計(jì)特別是氣體渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)、制造與鑒定技術(shù)及設(shè)備裝備水平方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美國(guó)家。而且國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的渦輪流量計(jì)產(chǎn)品大多只有簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)顯示器，客戶無法直接從管路中氣體流動(dòng)狀況了解流量計(jì)實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)性能與質(zhì)量也不能與國(guó)外氣體流量計(jì)相比。隨著中國(guó)與國(guó)際市場(chǎng)接軌的步伐加快，低精度流量計(jì)的使用會(huì)受到越來越大的限制，而高精度流量計(jì)將需求旺盛。 氣體流量計(jì)的分類為了滿足各種測(cè)量的需要，幾百年來人們根據(jù)不同的測(cè)量原理，研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不同類型的流量計(jì)，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式等。各種類型的流量計(jì)量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨(dú)到之處又存在局限性。為達(dá)到較好的測(cè)量效果，需要針對(duì)不同的測(cè)量領(lǐng)域，不同的測(cè)量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號(hào)的流量計(jì)。工業(yè)計(jì)量中常用的幾種氣體流量計(jì)有： 差壓式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)渦輪流量計(jì)、時(shí)差式超聲波流量計(jì)、科式質(zhì)量流量計(jì)等。 渦輪流量計(jì)的工作原理氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，如圖1所示，它是由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成；被測(cè)流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)即可求出瞬時(shí)流量和累積流量。渦輪變送器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動(dòng)，并沖擊渦輪葉片時(shí)，便有KQ= f，其中：Q是流經(jīng)變送器的流量（L/s）；f是電脈沖頻率；k是儀表系數(shù)，次/升。管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動(dòng)的電勢(shì)信號(hào)，此脈動(dòng)信號(hào)的頻率與被測(cè)流體的流量成正比，k是渦輪變送器的重要特性參數(shù)，它是代表每立方米流量有幾個(gè)脈沖，或者每升流量有幾個(gè)脈沖，不同的儀表有不同的k。渦輪變送器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。渦輪顯示儀器前置放大磁電轉(zhuǎn)換protel dxp 傳感器圖1 渦輪流量原理圖 The scheme of of heat meter 渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)在各種流量計(jì)中渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)是可以得到最佳重復(fù)性的少數(shù)儀表。二者相比，渦輪流量計(jì)又具有自己的特點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工零部件少、質(zhì)量輕、維修方便、成本低的特點(diǎn)。渦輪流量計(jì)還具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、壓力損失小、惰性小、溫度范圍廣及數(shù)字信號(hào)輸出等優(yōu)點(diǎn)。像這樣的技術(shù)參數(shù)其他流量計(jì)則是難以達(dá)到的。因此渦輪流量計(jì)在工業(yè)上應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最迅速。除了在石油、化工、電力工業(yè)中用來測(cè)量水、油品、燃?xì)獾裙芰髁髁考笆称饭I(yè)中測(cè)量牛奶、酒類等流量外，由于其兼有測(cè)量準(zhǔn)確度高和重復(fù)性好的特點(diǎn)，故還可以作為校驗(yàn)其它流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表。渦輪流量計(jì)雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于渦輪必須與流體接觸并轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)被測(cè)流體的潔凈度要求高。流體的溫度、粘度、密度對(duì)儀表指示值也有較大影響。而且由于有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，會(huì)帶來軸承的磨損，使儀表的使用年限受到影響。因此，必須注意根據(jù)被測(cè)流體的具體情況恰當(dāng)?shù)倪x擇變送器型式及其附屬設(shè)備，如附加適當(dāng)?shù)倪^濾器等保護(hù)設(shè)備。 本文研究?jī)?nèi)容本文研究的是一種新型渦輪流量計(jì)。它的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了功能強(qiáng)大的CPU，使得外圍芯片減少，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無可動(dòng)部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，另外，系統(tǒng)的功耗低、速度快，這些都是本設(shè)計(jì)的考慮要點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。流量積算系統(tǒng)是流量計(jì)的二次儀表，它接收一次儀表、變送器的信號(hào)，進(jìn)行處理和運(yùn)算，并將計(jì)算的結(jié)果由顯示、積算單元進(jìn)行顯示和累積。近年來生產(chǎn)的工業(yè)流量計(jì)都是由一次儀表、變送裝置及二次儀表構(gòu)成的一個(gè)流量測(cè)量系統(tǒng)。流量顯示積算在流量測(cè)量系統(tǒng)中起著極其重要的作用，從某種意義上講，它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣代表了整個(gè)流量計(jì)的質(zhì)量好壞。對(duì)于流動(dòng)工況波動(dòng)或不斷變化的各種工業(yè)流體介質(zhì)，沒有高性能、高運(yùn)算精度的流量顯示積算系統(tǒng)，不可能準(zhǔn)確測(cè)量流量。一個(gè)智能流量積算系統(tǒng)就是要充分利用單片機(jī)體積小、功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)并配合一些外圍器件，通過編制合理的軟件程序完成流量高精度的積算的較先進(jìn)的一種計(jì)量系統(tǒng)。它可以充分利用系統(tǒng)的軟、硬件資源，方便完成高精度的補(bǔ)償運(yùn)算，并根據(jù)配接的流量傳感器類型通過良好的人機(jī)界面完成參數(shù)設(shè)置，調(diào)用不同的數(shù)學(xué)模型完成相應(yīng)的積算。本論文重點(diǎn)就在于講述一個(gè)智能流量積算系統(tǒng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì)。2 溫壓補(bǔ)償技術(shù)的研究 溫壓補(bǔ)償?shù)谋匾运^流量計(jì)量的補(bǔ)償，就是對(duì)流量計(jì)讀數(shù)的系統(tǒng)誤差的修正。流量檢測(cè)裝置的系統(tǒng)誤差，多數(shù)是流體性質(zhì)及條件（如溫度、壓力、成分及流量范圍等）變化引起的，流量計(jì)輸出信號(hào)與被測(cè)流量之間的刻度關(guān)系只能依據(jù)某一特定工藝狀況來確定，如果流量計(jì)的實(shí)際刻度系數(shù)己經(jīng)發(fā)生變化，這時(shí)仍按原刻度關(guān)系讀取流量，就必然會(huì)產(chǎn)生誤差。由于氣體的可壓縮性，決定了它的流量測(cè)量比液體復(fù)雜，儀表的輸出信號(hào)除了輸入信號(hào)有關(guān)，還與氣體密度有關(guān)，而氣體的密度又是溫度和壓力的函數(shù)。所以，氣體的流量測(cè)量普遍存在溫度與壓力的補(bǔ)償問題。采用渦輪流量計(jì)（速度法）測(cè)量氣體流量從它的計(jì)算公式上看，流體的體積流量與密度無關(guān)，也就是與溫度、壓力沒什么關(guān)系。但實(shí)際上此時(shí)測(cè)得的流量是針對(duì)某一工況下的流量值，而氣體流量計(jì)讀數(shù)一般以標(biāo)準(zhǔn)體積流量表示，因此就存在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)狀況(非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積換算問題。即使采用質(zhì)量流量表示也要先變換到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量再乘以標(biāo)準(zhǔn)氣體的密度。因此，速度法測(cè)量氣體流量也需要進(jìn)行溫度、壓力的補(bǔ)償。 補(bǔ)償原理氣體渦輪流量計(jì)溫壓補(bǔ)償?shù)脑砭褪前压r條件（非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）下所測(cè)的體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀況(20℃,）下的體積流量。對(duì)于氣體來說氣體體密度是溫度T和壓力P的函數(shù)，當(dāng)流體壓力、溫度變化較大時(shí)，將引起密度的較大變化。密度的不同也就顯示了不同的工況條件下測(cè)得的相同體積則可能代表了不同的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。測(cè)流量也可以測(cè)量流體的密度，但通常測(cè)量流體的溫度和壓力要比測(cè)量介質(zhì)的密度更