【正文】 其 A/D采樣端口采集經(jīng)電荷放大、低通濾波處理后的正弦信號(hào)，然后進(jìn)行 FFT 運(yùn)算和功率譜分析從而得出此時(shí)的渦街信號(hào)頻率值，然后 MSP430F1611 把頻率值轉(zhuǎn)化為電壓值，又將電壓值經(jīng)過(guò) AM402 轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 電流輸出。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。 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，本課題提出了一種新型脈沖電 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 大部分的脈沖輸出型渦街流量計(jì)都是基于電荷放大電路、濾波電路、整形電路和脈沖輸出電路組成的一套模擬電路的模擬渦街流量計(jì)。由于管道上下游存在著各種阻力件如閥門、彎頭、 T 形管、擴(kuò)張管和收縮管等，這些器件對(duì)管道的影響有兩個(gè)方面：（ 1）影響管道內(nèi)的壓力分部，導(dǎo)致管道的壓力分布不均勻，從而導(dǎo)致管道內(nèi)流速分部不均勻；（ 2）會(huì)產(chǎn)生流體擾動(dòng)和雜亂的漩渦流。其中高頻電磁輻射干擾主要是通過(guò)空間電磁場(chǎng)作用到信號(hào)處理電路的；交直流電源干擾來(lái)自于電源間的相互影響；低頻電磁干擾是對(duì)渦街流量計(jì)的最主要的電磁干擾，低頻電磁干擾的來(lái)源非常復(fù)雜，它與渦街安裝位置、安裝方式、接地方式、接地位置、屏蔽情況及放大器的特性等有關(guān)，如：金屬屏蔽罩屏蔽空間電磁輻射的能力是有限的，不能抵御頻率 50Hz以下的電磁場(chǎng)；壓電敏感元件的接地點(diǎn)（表殼）與處理電路的接地點(diǎn)如果存在跨步電流 ，就會(huì)在地線兩端產(chǎn)生 50Hz 的跨步電壓干擾；當(dāng)電源干擾存在，而處理電路的共模抑制比較低時(shí)，就會(huì)在電路中引入 50Hz 的電源共模干擾。其中噪聲可分為三部分：電磁干擾、流場(chǎng)干擾和管道振動(dòng)干擾。因此，渦街流量計(jì)實(shí)際測(cè)量的量 程下限遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論值。這決定了渦街流量計(jì)的下列優(yōu)點(diǎn)：（ 1）渦街流量計(jì)具有線性的儀表系數(shù)，而儀表系數(shù)的取值僅由管道口徑、發(fā)生體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定；（ 2）同一臺(tái)渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)是一定的，那么就可以用最方便、廉價(jià)的介質(zhì)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行這一原理被用來(lái)研制渦街流量計(jì)，測(cè)量封閉管道內(nèi)流體的流量。 值得注意的是，并非在任何條件下產(chǎn)生的渦街都是穩(wěn)定的，由于漩渦之間的相互影響，其形成通常是不穩(wěn)定的。 其中雷諾數(shù) Re的定義為： ?vL?Re （ 1） 式中γ —— 工作狀態(tài)下流體的運(yùn)動(dòng)粘度； ν —— 來(lái)流的平均流速； L—— 為流束的定型尺寸。 2 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) 渦街流量計(jì)的工作原理 本文先從渦街流量計(jì)的產(chǎn)生、渦街現(xiàn)象解釋以及渦街信號(hào)的測(cè)量三個(gè)方面來(lái)闡述渦街信號(hào)檢測(cè)的基本工作原理。 課題研究目的及意義 根據(jù)目前渦 街流量計(jì)的研究現(xiàn)狀，課題的目的是將數(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。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。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。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。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。 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................................. 1 1 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 ............................................................................................................... 0 2 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) ...................................................... 0 渦街流量計(jì)的工作原理 ........................................................................................................... 0 渦街信號(hào)的組成 ....................................................................................................................... 2 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 ........................................................... 3 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 .......................................... 5 3 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) .............................................................. 6 整體硬件電路設(shè)計(jì)方案 ........................................................................................................... 6 前置放大電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................................... 7 單片機(jī)計(jì)算及輸出電路的設(shè)計(jì) ............................................................................................. 14 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 17 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) ............................................. 17 4 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) ............................................................ 18 軟件總體設(shè)計(jì)方案 ................................................................................................................. 18 MSP430F149 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) .............................................................................................. 18 MSP430F1611 單片機(jī)程序設(shè)計(jì) ............................................................................................ 19 雙 MSP430 單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì)的軟件低功耗設(shè)計(jì) ............................................. 21 5 總結(jié)與展望 ................................................................................................................................ 22 參考文獻(xiàn)： ................................................................................................................................... 23 謝 辭 ........................................................................................................................................... 24 ] 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)。 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。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。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。 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。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。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。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)。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。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。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)。 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)。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。 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。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。 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。渦街流量計(jì)有其自身的使用特點(diǎn)。 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。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。其實(shí)質(zhì)性原因在于低流速下測(cè)量的困難，所以擴(kuò)大量程比的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為了擴(kuò)大渦街流量計(jì)測(cè)量下限的問(wèn)題了，也成為渦街流量計(jì)研究的十分重要的研究課題之一。該數(shù)字渦街流量計(jì)采用了雙 MSP430