發(fā)布時間：2016-05-09 20:53

低功耗渦街流量計的硬件設(shè)計

摘要：低功耗渦街流量計適用于電池供電的并具有溫度補償?shù)膯蜗嗔黧w測量，是適合于脈沖、頻率傳感器輸出的兩線制、低功耗二次流量測量顯示的標準工業(yè)儀表。該流量計采用超低功耗TI公司的MSP430F449 系列單片機設(shè)計，具有電池充電、液晶顯示、多輸出方式和掉電數(shù)據(jù)保護存儲等功能。
關(guān)鍵詞：多功能低功耗；流量計；二次流量；測量顯示；MSP430F449

Abstract: Lowpower vortex consumption flowratemeter is applied to battery power with a temperature compensationof single-phase fluid measurement, It is a low power consumption and standard industrial instrument which is suitable for the pulse or  frequency of the two-wire sensor output, measurement and display of the second flowrate. The flowrate meter is designed by using TI'sultra-low power MSP430F449 MCU,It has a battery charger, liquid crystal display, multi-output mode and power-down data protection  storage features.

1 引言

渦街流量計主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測量,如氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)。其特點是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動機械零件，因此可靠性高,維護量小。儀表參數(shù)能長期穩(wěn)定。當(dāng)前，要求儀表能夠在野外或者危險場所長期穩(wěn)定工作的要求越來越迫切，低功耗問題顯得很突出。所以在滿足儀表對功耗的苛刻要求的同時，還要實現(xiàn)各種復(fù)雜參數(shù)的測量，就需要考慮控制測量芯片的功耗影響和芯片的性價比， 同時還需要選擇合適的高性價比的大容量電池。低功耗渦街流量計就是針對這一具體現(xiàn)實問題而設(shè)計的。由于采用4-20mA輸出方式，要求電源部分及信號處理部分靜態(tài)耗電要控制在2mA以內(nèi)，單片機處理電路要求靜態(tài)耗電在1.5mA以內(nèi)，本文介紹了一種采用MSP430F449 超低功耗單片機、超低功耗高集成度電子器件和超低功耗LCD 液晶顯示器以及超低功耗電源電路和信號處理電路等一系列的節(jié)能設(shè)計的渦街流量計處理電路， 使儀表可以實現(xiàn)低功耗，如同時選擇大容量高性價比的電池，那么流量計正常穩(wěn)定工作的時間可達2年以上。

2 硬件設(shè)計

渦街流量計電路的硬件設(shè)計應(yīng)遵循確保性能、縮小外形、方便移動、降低功耗的原則。渦街流量計是一種采用壓電晶體作為檢測元件，輸出與流量成正比的標準信號的流量儀表。該儀表可以直接與ＤＤＺ－Ⅲ型儀表系統(tǒng)配套，也可以與計算機及集散系統(tǒng)配套使用，對不同介質(zhì)的流量參數(shù)進行測量。儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好和穩(wěn)定性高的特點.當(dāng)流過管道的氣體或液體經(jīng)過該流量計的流量傳感器后，傳感器將流量信號轉(zhuǎn)換成電壓信號經(jīng)過放大處理后送給單片機處理，并進行溫度補償，儀表采用壓電應(yīng)力式傳感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。有模擬標準信號,也有數(shù)字脈沖信號輸出,容易與計算機等數(shù)字系統(tǒng)配套使用,是一種比較先進、理想的流量儀表。該流量計主要由信號處理電路、功能電路、液晶接口電路、通訊電路、電源電路五部分構(gòu)成。

圖1  渦街流量計硬件框圖


2.1電源電路設(shè)計

2.1.1串聯(lián)穩(wěn)壓電源設(shè)計
穩(wěn)壓電路用來在交流電源電壓波動或負載變化時穩(wěn)定直流輸出電壓。采用三極管作為調(diào)整管并與負載串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，稱為串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路；穩(wěn)壓電路的作用是輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。本設(shè)計采用CRD恒流二極管實現(xiàn)比較，取樣功能，有效實現(xiàn)低功耗。具體電路如圖2所示。
CRD恒流二極管是一種恒定電路電流器件，應(yīng)用于任何恒流場合，與普通的串聯(lián)穩(wěn)壓電源方案相比有以下優(yōu)點：
1、電路簡單      
只需電源接入恒流二極管穩(wěn)壓電路即可。電路簡單、體積小，即使是空間狹小也可以完全放進去。
2、穩(wěn)定性高     
    恒流二極管相當(dāng)于一個動態(tài)電阻，輸出電壓穩(wěn)定。
3、無EMI干擾問題及低紋波輸出
    由于恒流二極管采用了線性電路架構(gòu)，電路不存在EMI問題及超低紋波輸出。
4、效率高
    比使用switching power(電子式電源供應(yīng)器)的耗能還低，從而提高整個電路的效率。
5、輸出保護  
當(dāng)檢測到輸出電壓升高時CRD自動抑制輸出電流從而保護電源。
6、 高、低壓適用 
    恒流二極管最低耐壓50V（實際60V以上），最高耐壓100V，高、低壓適用而無需加輔助元件［4］。
實踐證明，采用CRD恒流二極管的串穩(wěn)電源比普通串穩(wěn)電源降低功耗20%左右，對有效實現(xiàn)4-20mA輸出提供了保證。
 

                 圖2    CRD串聯(lián)穩(wěn)壓電源


2.1.2開關(guān)電源設(shè)計
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，，依靠調(diào)節(jié)調(diào)整管導(dǎo)通時間來實現(xiàn)穩(wěn)壓。由于調(diào)整管主要工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，管耗小，故使穩(wěn)壓電源的效率明顯提高，可達80%~90%，而且這一效率幾乎不受輸入電壓大小的影響，即開關(guān)穩(wěn)壓電源很寬的穩(wěn)壓范圍。電源的主要缺點是輸出電壓中含有較大的紋波。但由于開關(guān)電源優(yōu)點顯著，故發(fā)展非常迅速，使用也越來越廣泛。開關(guān)電源通常由六大部分組成，如圖3所示。
 

圖3 開關(guān)電源工作原理框圖
本設(shè)計中的渦街流量計采用如圖4所示的開關(guān)電源供電，開關(guān)調(diào)整管Q1和變壓器初級繞組L1參與振蕩過程。當(dāng)開關(guān)調(diào)整管Q1工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)時，在變壓器初級繞組L1上產(chǎn)生上正下負的感應(yīng)電動勢，次級繞組L2產(chǎn)生上負下正的感應(yīng)電動勢，初級繞組L1中的電流逐漸增大；當(dāng)開關(guān)調(diào)整管Q1截止時，變壓器初級繞組L1上產(chǎn)生上負下正的感應(yīng)電動勢，次級繞組L2產(chǎn)生上正下負的感應(yīng)電動勢，續(xù)流二極管vD導(dǎo)通，向負載提供能量，并對電容C17充電。當(dāng)開關(guān)調(diào)整管Q1再次導(dǎo)通，續(xù)流二極管vD截止時，由電容C17向負載提供能量，從而實現(xiàn)自激振蕩過程，由于電路中采用由C5,R25,R26,D8組成的串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可濾除開關(guān)管集電極的尖峰電壓，對控制回路進行補償及原邊快速復(fù)位的作用,能有效的保護開關(guān)管不被損壞。
開關(guān)電源的使用實現(xiàn)大大提高了渦街流量計的電源效率，降低了功耗。
 

圖4   開關(guān)電源
2.3 液晶接口電路
2.3.1 LCM103液晶模塊簡介
LCM103為10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊，內(nèi)含看門狗（WDT）/時鐘發(fā)生器。2種頻率的蜂鳴驅(qū)動電路,內(nèi)置顯示RAM，可顯示任意字段筆畫，3-4線串行接口，可與任何單片機、接口IC接口，低功耗特性：顯示狀態(tài)50μA（典型值），省電模式〈1μA，工作電壓2.4~5.2V，視角對比度可調(diào)，顯示清晰，穩(wěn)定可靠，使用編程簡單，是儀器儀表，手持便攜儀器，電話系列，家用電器，運動器材，醫(yī)療保健儀器，智能充電器等的最佳通用型顯示模塊，特別適用于電池供電儀器產(chǎn)品［5］。具體如圖5所示。
 

                               圖5  LCM103液晶模塊
應(yīng)用：流量，溫度，壓力等儀表，需要兩行顯示通用儀器儀表，帶14段條碼，可模擬顯示瞬時量，也可座位提示符，將要提示的字符印在條碼右邊的面板上，用以指示某一段右邊字符內(nèi)容。
模塊上電后，軟件初始化模塊，應(yīng)延時200ms以上再送命令，第一寫入模塊專用初始化命令 100 0010 0100定義模塊，第二100 0001 1000 定義內(nèi)部RC振蕩方式或100 0001 0100定義外部品體振蕩方式（模塊B處必須焊32768Hz 晶體），第三100 0000 0001開振蕩器，第四100 0000 0011 開顯示器，以上四步完成后再送其他命令或顯示數(shù)據(jù)，對顯示的數(shù)據(jù)正確與否，可選用讀RAM方進行校驗.
為實現(xiàn)低功耗的方式，每次讀/寫命令或數(shù)據(jù)之后，都將/CS,/RD,/WR,DATA置高電平或懸空。
2.3.2 液晶接口電路設(shè)計
液晶模塊是可視化界面的重要組成部分。在該設(shè)計中采用了簡單方便實用的3 線制串行接口方式，利用MSP430的P4.0~P4.2 來控制液晶模塊進行數(shù)據(jù)傳輸顯示。
2.4 通訊設(shè)計
由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同 的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。RS-232-C 接口（又稱 EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。由于該信號與監(jiān)控單元的距離不遠， 所以采用RS232 這種成熟的通訊技術(shù)就可以很好的滿足工程需要。

3 結(jié)束語

實踐表明，由于在電路設(shè)計中，采用的集成電路工作電壓都介于2．7～ 3．6 V之間，電流控制在毫伏以下，有的芯片甚至在微伏以下，如主控芯片選用美國TI公司的MSP430F449，這是一款低功耗性能非常優(yōu)異的微處理器，在4 kHz時的功耗只有2．5μA；濾波電路利用無源阻容濾波器，顯示采用只有幾十個微安的LCD，這樣大大降低了整個電路的功耗。加上流量計采用壓電晶體傳感器，可在一40 ～400度的工作溫度范圍內(nèi)工作，能適用于條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，可靠性較好、壓力損失小、量程范圍大、精度較高。滿足了要求儀表能夠在野外或者危險場所長期穩(wěn)定工作的要求

參考文獻：

[1] 戴昌輝.流體流動測量.北京:航空工業(yè)出版社,1991,25.

[2] 周慶. 實用流量儀表的原理及其應(yīng)用.北京:國防工業(yè)出版社，2008，36
[3] 徐科軍.基于DSP的渦街流量計和科氏質(zhì)量流量計二次儀表.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督. 2001, 18(7).
[4] 日本石冢公司.恒流二極管手冊. 2-12
[5] 北京青云科技公司.LCM103液晶模塊手冊.  3-5

本文編號：43377