【正文】 這對于渦街流量計拓寬其應用領域具有一定的實際意義。當有定時中斷或外部中斷產(chǎn)生時，單片機立即從 LPM3 喚醒，進入到相應的中斷入口程序中去。因此， D/A 輸出函數(shù)是非常關鍵的函數(shù)?？墒沁@樣計算出的 Km 值是個整數(shù)值，這肯定會影響精確度。本課題設置的 Timer_A 的觸發(fā)頻率為 1000Hz，所以 A/D 采樣頻率為 1000Hz。首先發(fā)送指令 0xBB 給 MSP430F1611 單片機，接收到 MSP430F149 單片機的回應指令 0xFB 后，發(fā)送頻率值給 MSP430F1611 單片機 [10]。同時也采用了多次捕獲取平均值的方法使脈沖計頻更加準確。 （ 3）適當加大管腳中用到的上拉、下拉電阻值。 由于本課題設計的數(shù)字渦街流量計要具有 4～ 20mA 遠傳功能，因此降低功耗就成為至關重要的問題了。 根據(jù) MSP430F149 單片機的特點，選用帶有定時中 斷功能的 ，由于 MSP430F149 電源電壓定為＋ ，而三線制脈沖輸出的供電電壓范圍為 0～ 12V，故增加了一片 LM258 雙運放芯片。 ADC12 是 12 位精度的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，具有高速、通用的特點，它具有帶有采樣 /保持功能的 ADC 內(nèi)核、可控制的轉(zhuǎn)換存儲、可控制的參考電平發(fā)生器、可控制的采樣及轉(zhuǎn)換時序電路五大功能模塊，均可獨立配置。 (9)多達60KB FLASH ROM 和 2KB RAM(其中 MSP430F1611 單片機具有 10KB RAM)。 MSP430 單片機的主要特點如下： (1)低電源電壓范圍： ～ 。 163 9 0R 1 52 2 KR 1 7 1 .3 MR 1 42 2 K23467U 4 CT L V 2 2 4 5D1 1 N 4 1 4 8D2 1 N 4 1 4 8C 2 2C 2 4C A P 2C 2 3 圖 9 限幅器電路原理圖 施密特觸發(fā)器的設計 施密特觸發(fā)器（ Schmitt Trigger）是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路，它其實是具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器，由于對輸入輸出信號具有遲滯作用，所以能夠有效地防止由噪聲產(chǎn)生地振蕩。 由于電荷放大器的輸出電壓一般在幾十 mV 左右，不足以推動流量檢測電路，還需進一步放大；由運放 U3B、 U3A、電阻 R R可變電阻 W1 和電容 C1 C20 組成的低通濾波器具有電壓放大的作用，且 增益可調(diào)。高頻電磁輻射干擾大多來自空間電磁場的作用，因頻率較高且與渦 街的頻帶（一般為幾 Hz 到幾千 Hz）相差較遠，可以通過金屬防護罩屏蔽和低通濾波的方法加以解除。考慮到電容負反饋對直流工作點相當于開環(huán)，使放大器的零點漂移增大，因此在C1 C18 處分別并聯(lián)反饋電阻 R6和 R7來提供穩(wěn)定的直流工作點，抑制放大器的零漂。 下面分電荷放大、電壓參考、低通濾波、限幅、施密特觸發(fā)整形五個環(huán)節(jié)分別進行詳細介紹。 8 C15680nFC16680nFC17C18R5 5.6M(6.5)R66.8MR76.8M2 3467U3CTLV22542 3467U3BTlV22542 3467U3ATLV2254R8300KR9 5.1KR10220C19C20W1 100KSine Signal16 390R1522KR171.3MR1422K2 3467U4CTLV2245D11N4148D21N4148C22C24CAP2C23R2110KR1839KR19300K2 3467U4BTLV2245W2 100K2 3467U4ATLV2254R235.1KR2239KAVCC3.3Pulse Signal23467U3DTLV2254R11200KR1347R12200KC2110nFAVCC3.32 3467U4DTLV2254 圖 4 整體硬件電路圖 具體算法實現(xiàn)如下： 設實際渦街流量信號為 x(n)＝ asin(2π n f/fs)，其中， a為信號幅度， f 為信號頻率，令 X0(k)該信號點的 FFT 系數(shù)， k0=N f0/fs 為信號真實頻率位置，當 f0≥ fs/N 時，根據(jù)正負幅度譜的嚴格對稱 性，只需對其正頻部分進行分析。設第 K(K=1， 2，?， 1024)個功率譜為最大值 ,那么實際渦街的真實頻率為 : NKff S /? （ 9） 其中： fs—— 采樣頻率； N—— 采樣點數(shù) (本課題選取 N＝ 1024)。 雙 MSP430 單片機結 構數(shù)字渦街流量計的 FFT 頻率計算方法 FFT 算法簡介 FFT 是 DFT 的快速計算方法， DFT 是連續(xù)傅里葉變換的離散形式，離散信號 x(nT)的傅里葉變換可以表示為： 1,.2,1,0,)()( 10 ???? ??? NkWnxkX Nn nkN （ 6） 式中， NjN eW /2??? ，成為蝶形因子。 本課題設計的雙 MSP430 單片機數(shù)字渦街流量計采用了普通模擬渦街流量計的前置放大電路，包括電荷放大器、低通濾波器、限幅器和施密特觸發(fā)器；上述的前置處理電路產(chǎn)生的兩種信號分別送到兩個單片機中，其中幅值為 的脈沖信號送入 MSP430F149 中，幅值為 的正弦信號送入 MSP430F1611 中。理想的渦街信號經(jīng)電荷放大器和低通濾波器后應該是一個規(guī)則的正弦波信號，但是，在工況下低流速的渦街信號則基本被噪聲淹沒，如圖 1所示的實際工況下采集的受擾的渦街信號波形圖。下面從三點加以介紹： 由于在工業(yè)現(xiàn)場電力線及電力設備密集， 大量的電磁干擾就會影響到渦街流量計信號處理電路，這種干擾主要分為三類：高頻電磁輻射干擾、交直流電源干擾和低頻電磁干擾。此時， Qv 與 f 不再是線性比例關系，即式（ 4）不能成立。由式（ 3）可知，渦街頻率與來流的平均流速成正比，那么根據(jù)流動的連續(xù)性理論易知：渦街頻率與來流的體積流量成正比關系；且其比例系數(shù)在很寬的流量范圍內(nèi)為定值。隨著流體沿漩渦發(fā)生體流動的 速度逐漸加快，雷諾數(shù) Re 逐漸增大，當 Re 達到 40左右時，由于漩渦發(fā)生體后半部分附面層中的流體團受到更大的阻滯，就會在漩渦發(fā)生體下游產(chǎn)生兩列旋轉(zhuǎn)方向相反、平行參差排列的渦列，這就是所謂的“卡門渦街” [1][2]。其實質(zhì)性原因在于低流速下測量的困難，所以擴大量程比的問題轉(zhuǎn)化成為了擴大渦街流量計測量下限的問題了，也成為渦街流量計研究的十分重要的研究課題之一。 渦街流量計的主要問題 渦街流量計主要存在著兩個關鍵性問題：第一，易受噪聲干擾。 關鍵詞： 渦街流量計、脈沖輸出、電流輸出、 MSP4流量下限 1 引言 渦街流量計概述 渦街流量計屬旋渦流量計類型，它是利用流體振蕩的原理進行流量測量。 三、課題設計方案 [主要說明：研究（設計）的基本內(nèi)容、觀點及擬采取的研究途徑和方法。 二、本選題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 渦街流量計是最年輕的一類流量計 ,但發(fā)展迅速 ,目前已成為通用的一類流量計。同時隨著新的信號處理技術及新的信號傳輸技術的應用 ,流量計將向高度智能化方向發(fā)展。而在低流速下，渦街測量就凸顯出了它的不足，渦街信號的信噪比很低，有用信號幾乎被噪聲淹沒。第二，難以準確測量低流速流量。普通的渦街流量計采用模擬信號處理方法，在正常流量范圍內(nèi)，渦街流量信號穩(wěn)定、測量準確、實時性好；而在小流量下，渦街有用信號微弱、提取困難，導致實際測量下限比較高。 流量計伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有必要逐步完善其性能 ,而技術的進步也讓流量計的完善成為可能。 目 錄 摘 要 ............................................................................................................................................. 1 1 引言 ............................................................................................................................................. 1 渦街流量計概述 ....................................................................................................................... 1 渦街流量計的主要問題 ........................................................................................................... 1 課題研究目的及意義 ............................................................................................................... 0 2 雙 MSP430 單片機結構數(shù)字渦街流量計的總體方案設計 ...................................................... 0 渦街流量計的工作原理 ........................................................................................................... 0 渦街信號的組成 ....................................................................................................................... 2 雙 MSP430 單片機結構數(shù)字渦街流量計的設計方案 ........................................................... 3 雙 MSP430 單片機結構數(shù)字渦街流量計的 FFT 頻率計算方法 .......................................... 5 3 雙 MSP430 單片機結構數(shù)字渦街流量計的硬件設計 .............................................................. 6 整體硬件電路設計方案 ........................................................................................................... 6 前置放大電路的設計 ............................................................................................................... 7 單片機計算及輸出電路的設計 ............................................................................................. 14 電源電壓轉(zhuǎn)換電路設計 ......................................................................................................... 17 雙 MSP430 單片機結構數(shù)字渦街流量計的硬件低功耗設計 ............................................. 17 4 雙 MSP430 單片機結構數(shù)字渦街流量計的軟件設計 .........................