基于AVR单片机的便携式气体流量计设计与应用

王宗亮，徐杭田，杨占录

（海军潜艇学院 动力系，青岛 266042）

以孔板、喷嘴和文丘利管为代表的差压式流量计以其结构简单、通用性强、价格低廉等优点，曾经在工业中获得广泛的应用。然而由于其自身结构存在一些重大缺点：如流出系数不稳定、线性差、易积污、压损较大、量程比小、要求的直管过长等，因此难以在精度要求较高的场合得到应用。

V型内锥式流量计的出现成功地解决了传统流量计存在的诸多缺陷。它的特点来源于它特殊的设计结构——锥体位于管道中心处，如图1所示。

锥体改良流体的流速分布轮廓使流体加速流动，从而在锥体尾部产生低压。V型内锥通过位于管壁的高压取压孔和锥体尾部的低压取压孔来得出差压值；根据伯努利方程式，依据差压值得出流体的流量。锥体位于管道中心处能够有效改良测量点的流速，保证较高的精度，这样即便上游条件很苛刻也能保证测量的准确性。

图1 内锥式节流装置Fig.1 Throttle equipment of cone type

1 流量的计算

V型内锥流量计属于差压式流量计，其原理是基于封闭管道中能量相互转化的伯努利原理。在稳定流的情况下，管道中的差压与流量的平方成正比。根据伯努利方程和流动连续性原理可得出普遍适用的实际流量公式：

式中：qv为流体的体积流量，单位m3/s；d为工况下节流件的等效开孔直径，单位m；ΔP为差压，单位Pa；ρ1为工况下节流件上游处流体的密度，单位kg/m3；C 为流出系数（实际流量/理论流量），无量纲；ε为被测介质的可膨胀性系数，对于液体ε=1；对气体、蒸汽等可压缩流体ε＜1；β为直径比，无量纲。

对于V型内锥式节流装置，在进行工况下实际流量的计算时，公式中的节流装置内径d和系数β应采用等效的开孔直径和等效的β值进行替换。流体流过V型内锥式节流装置的最小有效面积S为

式中：D为测量管的内径；dv为内锥体的最大外径，如图1所示。

由此可知，式（1）中的 πd2应用 π（D2-dv2）进行替代，β用下式进行替代：

从而可得出V型内锥式气体流量计工况下的实际流量方程为

2 硬件电路设计

装置总体方案如图2所示。

图2 总体方案框图Fig.2 Collectivity project frame chart

阀体按照V型内锥流量计设计制作，流过阀体中的搅拌气体在A处的压力及在A、B处的压差分别由压力传感器和压差传感器检测，检测信号送至Atmega16单片机进行测量、比较和计算，并利用温度传感器进行温度补偿；搅拌气体的流量值由显示电路进行显示，并且当搅拌气体的流量值超过设定值时，由报警电路进行声光报警。

2.1 压力、压差检测电路设计

压力传感器和压差传感器分别选择SMI5502-030-A型和SMI5552-003-D型，如图3和图4所示。SMI微压传感器芯片采用三维膜片结构，用硅刻蚀工艺将产生的应力（压力）集中在传感电阻处，这样在保持总体精度和线性度的同时仍有很高的灵敏度。80%的应力传递到膜片中的梁式区域，而膜片丢失的应力只有20%。除了压阻器所处的四周外，膜片的所有部分都减薄，从而得到膜片的浮凸结构。由于传感器看起来象机械力放大器，因而便于把膜片运动的应力集中在压阻器上，增加的应力极大地提高了信号输出，膜片上的浮凸用做终止层。四周的薄膜有效地将器件密封起来，因此压力不会前后移动。此外，在器件的结构内，离子注入电阻形成压阻式惠斯顿电桥，凹坑减少了器件的总震动质量。

图3 压力测量电路Fig.3 Press measured circuit

图4 压差测量电路Fig.4 Press difference measured circuit

由于压力传感器和压差传感器产生的电压信号比较弱，为保证被测参数的测量精度，需用放大器将小信号放大到与A/D转换器输入电压相匹配的电平，然后才可进行A/D转换。为此，在放大电路中选用了AD620型的运算放大器。AD620是一款具有极低的失调电压（最大50μV）和偏置电流的运算放大器，温度漂移系数小于0.6μV/℃，只需一个外接电阻就可将增益在1～1000之间任意调整。而且，AD620体积小、功耗低的特点，使得它非常适用于电池供电的便携式设备中[1]。

根据AD620的增益计算公式G=49.4 kΩ/RG+1，分别选择5 kΩ和1 kΩ的电阻，可使压力传感器和压差传感器的电压信号分别放大11倍和50倍，很好的满足了A/D转换器对输入电压的要求。

经放大后的压力和压差信号都送至同一模拟量选择开关MC4051B。MC4051B是一种精确的8路模拟量选择开关，它的工作电压为（3～18）V，其功耗非常低，仅有5μW，所以特别适合于电池供电的设备。其开关的速度快，仅为100 ns～150 ns。选择开关对压力和压差信号的输出切换由单片机采用定时中断方式进行控制，输出的压力信号或压差信号送到ICL7135进行AD转换。

2.2 A/D转换电路设计

A/D转换电路如图5所示。

图5 A/D转换电路Fig.5 A/D convert circuit

A/D转换采用ICL7135高精度A/D转换芯片，该芯片采用CMOS工艺制作的单片4 1/2位A/D转换器。在每次A/D转换前，内部电路都自动进行调零操作，在±2000字（2 V满量程）范围内，保证转换精度±1字，具有自动极性转换功能；所有输出端和TTL电路相容；有过量程（OR）和欠量程（UR）标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号；输出为动态扫描BCD码；对外提供六个输入、输出控制信号（R/H，BUSY，STRB，POL，OVRNG，UNDRNG），因此能与异步接收/发送器、微处理器或其它控制电路连接使用。

2.3 微控制器选择

装置采用ATMEL公司生产的ATmega16型AVR单片机。它是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，外观如图6所示。

图6 ATmega16引脚Fig.6 Atmega16 pins

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz（百万条指令每秒/兆赫兹），从而可以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR单片机的I/O接口具有很强的驱动能力，灌电流可直接驱动继电器、LED等器件，从而省去驱动电路，节约装置成本[2]。与其它方案相比，采用ATmegal6型微处理器进行便携式流量计的设计，不仅能够达到较高的测量精度，而且高度集成了测量系统的外围设备，这样很大程度上简化了检测电路的设计，提高了仪表的兼容能力和稳定性，同时具有低成本、低功耗等诸多特点。

2.4 流量显示电路设计

流量显示电路如图7所示。

主要由达林顿晶体管阵列ULN2003、74HC164以及三位一体LED数码管组成，ATmega16单片机先将流量输出数据和脉冲信号送至74HC164进行串行输入并行输出的转换，然后将并行输出信号接至三位一体LED数码管，利用ULN2003驱动LED进行流量显示。

图7 流量显示电路Fig.7 Flux display circuit

3 系统软件设计

单片机软件采用ICCAVR编写，ICCAVR是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发微控制器程序的有力工具，是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境IDE。源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成编译，错误显示在状态窗口中，并且当你用鼠标单击编译错误时，光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行。这个工程管理器还能产生可以直接使用的INTEL HEX格式文件，INTEL HEX格式文件可被大多数的编程器所支持用于下载程序到芯片中去[3]。

主程序流程图如图8所示。

图8 主程序流程图Fig.8 Main program flow chart

4 结语

采用以微控制器ATmega16为核心的新型便携式流量计，具有体积小、精度高、工作可靠、性价比高等特点。V型内锥流量计能改良流体流速分布，使介质经过V型锥后，在下游产生的涡流呈高频的、低幅度的脉动，信号噪音比非常低。因此采用V型内锥流量计的测量误差远比一般差压流量计低。同时，极其稳定的信号使得差压的量程下限比其他差压流量计低。

通过实际使用表明，该流量计具有体积小、重量轻、显示清晰、测量精度高、使用安全方便等特点，能够及时、准确地反映空气搅拌系统的工作情况，性能达到国内先进水平。目前该设备已投入使用50余套，在某军事领域发挥着重要作用。

[1] 程国钢，陈跃琴，崔荔蒙.单片机典型模块开发查询手册[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2] 张华宇，谢凤芹，王立滨，等.AVR单片机开发入门与经典实例[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 沈文，Eagle lee，詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003.