【正文】 而到達(dá)測(cè)量管道內(nèi)流量的目的 [3]。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。 渦街信號(hào)的測(cè)量 大量實(shí)驗(yàn)證明：在二維流動(dòng)狀態(tài)下（阻流體具有規(guī)則截面，且可視為無(wú)限長(zhǎng)），當(dāng)滿足渦街穩(wěn)定的條件時(shí)，渦街的單側(cè)旋渦脫落頻率（簡(jiǎn)稱渦街頻率） f 與阻流體兩側(cè)的平均流速 v之間具有以下關(guān)系： dvStf ? (3) 其中 為 d阻流體迎流面的最大寬度； St為斯特羅哈爾數(shù)，它是一個(gè)無(wú)量綱常數(shù)；當(dāng)發(fā)生體的幾何形狀確定時(shí)，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)（一般在 3 102～ 2 105），斯特羅哈爾數(shù)是一個(gè)常數(shù)，對(duì)于三角柱形漩渦發(fā)生體， St＝ ，對(duì)于圓柱體形漩渦發(fā)生體， St＝ 。 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。 1 由流體力學(xué)理論可知，雷諾數(shù) 的大小反映了流體的流動(dòng)特性。 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。在流動(dòng)的流體中放置一根與流向垂直的非流線性柱形體（如三角柱，圓柱等），稱之為漩渦發(fā)生體。 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。 本課題研究并且實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)數(shù)字渦街流量計(jì)。 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。 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)際量程與理論值相差甚遠(yuǎn)（實(shí)際量程比只能達(dá)到 10： 1，而理論值可到達(dá) 100： 1）。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。附加的旋渦干擾了渦街信 號(hào)，降低了信噪比。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。不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量，一般要求雷諾數(shù) Re 不低于 2 104，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。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。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。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。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)。 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 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。 ] 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)。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。 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。 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)。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。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)。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。 2020 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。 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)。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。第二，難以準(zhǔn)確測(cè)量低流速流量。 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)。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。 雙 MSP430單片機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)字渦街流量計(jì) 2020 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)。