基于单片机的智能旋进旋涡流量计

辽宁机电职业技术学院信息工程系，辽宁丹东 118009

一、引言

智能旋进旋涡流量计是速度式流量计中的一种，它预先对流动介质进行导流和加速，特别适合对管道煤气、石油液化汽等流速低、粘度大、密度小的介质测量，因此广泛应用于石油、化工、电力、冶金、煤炭等行业各种气体的计量。

但是该类型的流量计对噪声或振动等干扰信号较为敏感,仪表的可靠性和稳定性需要大幅提高,因此提出使用新型流量计,采用最新设计的变送信号放大采集电路，具有抗干扰能力强、计数脉冲输出干净的技术优点，并且在情况异常时自动报警。该系统以MSP430F449单片机为核心，融合了无线传输技术，具有集成度高、低功耗及高精度等特点。通过理论分析和实验证明，这种流量计实现了低功耗基础上的高精度测量，具有很好的市场前景[1][2]。

二、智能旋进旋涡流量计硬件原理

1、智能旋进旋涡流量计组成结构图及工作原理

智能旋进旋涡流量计由传感器和流量积算仪组成。流量计实物及结构图如图1所示。在管道部分传感器部分主要由壳体 (文丘利管)、旋涡发生体、频率感测件(压电晶体)、导流体组成，流量积算仪部分由微处理器MSP430F449（在显示仪内部）、压力传感器、面板、温度传感器等部件组成[2]。

（1）智能流量传感器结构及工作原理

传感器部分结构如图2所示，包括旋涡发生器、检测元件、导流体和壳体。旋涡发生器由特定螺旋形叶片组成，它固定在壳体收缩段前端，强迫流体产生强烈的旋涡流。检测元件安装在靠近扩张管的喉部，用热敏、压电、应变、电容或光纤等检测元件可测出旋涡进动的频率信号。导流体固定在流量计表体出口，其作用是消除旋涡流，以减小下游流态对仪表测量的影响。壳体设计成一定形状的流道，使旋涡形成，固定和保护安装在内部的零部件，并通过法兰与管道相连接[3]。

当被测气体沿管道中轴到达仪表上游入口时，其固定于端部的扇型叶片首先迫使气体进行旋转运动，然后再由旋涡发生体形成旋涡流。由于气体本身具有的动能，旋涡流继续在文丘利管中向前旋进，在到达文氏管的收缩段时由于节流作用使得旋涡流动能增加、流速加大，当进入扩散段后，又因回流的作用流体就被迫进行二次旋转。产生的旋涡频率再经频率感测元件(压电晶体)检测、转换及前置放大器的放大、滤波和整形等一系列过程之后，旋涡频率就被转变成了与被测介质流速大小成正比的脉冲信号，然后再与温度、压力等检测信号一起被送往微处理器进行积算处理，最后在LCD 上显示出测量结果(标准状况下的瞬时流量、累计流量及温度、压力数据)[4][5]。

（2）智能流量积算仪电路原理图

智能流量积算仪是以MSP430F449为核心，一种可以集流量、温度、压力检测功能于一体的显示仪表，原理框图如图3所示。单片机接收来自二级放大器的流量脉冲信号和经A/D转换器得到的压力、温度信号，经过运算最终得到温度、压力、瞬时流量和累积流量值，并存贮在EEPROM中，同时，在LCD上显示上述数据。流量显示既可显示标况流量，也可显示工况流量，这由内部设定的参数决定。当内部供电电池电压低于2.5V时，在LCD上会出现闪烁的电池符号，以提醒及时更换电池。

仪表上部有多个功能健，键、键和<+>键可对内部参数进行设置，键可以进行数据传输。积算仪与用户设备可通过以下三种方式进行数据传输：脉冲放大输出、4～20mA输出和RS485通讯[5]。

2、MSP430F449单片机

本系统采用的微处理芯片为德州仪器公司生产的16位MSP430F449，它是一种低工作电压1.8～3.6V、超低功耗，活动模式280μA@1MHz，2.2V；待机模式1.1μA；掉电模式（RAM 数据保持）0.1μA。有5种节电模式。从待机到唤醒的响应时间不超过6μs。MSP430F449 的封装形式为100 引脚的PLASTIC100-PIN QFP，有丰富的片内资源，8路、12位A/D 转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性；带有3 个或7 个捕获/比较器的16 位定时器：定时器A 和定时器B；2个串行通讯模块USART0/1，可软件选择UART/SPI 模式；片内比较器配合其他器件可构成单斜边A/D 转换器；可编程电压监测器（SVS）；可在线串行编程，不需要外部编程电压；驱动液晶能力可达160 段；可编程的保险熔丝可保护设计者代码；FLASH 存储器多达60KB，RAM多达2KB[6]。

3、电源模块

本系统采用的电源模块为采用7136电压稳压模块，电路图如图4，其中UI为MSP430F449单片机。

4、流量信号处理模块

为消除干扰，提高抗电磁能力，压电晶体的信号经过多次放大和过滤，得到稳定可靠的流量信号，电路图如图5。流量信号经过处理变成RS232串行信号，进行单片机MSP430F44串行口的P4.0/UTXD1，P4.1/URXD1。经过电路的一级放大滤过电路去干扰，放大形成正弦波形信号，再通过二级放大整形电路，形成没有干扰信号的方波信号。

5、液晶显示模块

显示部分采用44引脚的液晶模块BYDO18，可以显示电压、温度、压力、瞬时流量、累积流量，通过三个按键可以设置相关参数。

6、温度、压力模块

温度模块采用美国霍尼韦尔国际（Honeywell International）公司生产的温度传感器HEL777-A-U-1，温度范围为 -55°C～150°C，温度系数为 0.00375Ω/°C，塑料封装，具有较高的灵敏度和信噪比，是理想的空气温度传感元件。

压力模块采用麦克传感器股份有限公司生产的防腐TH型压阻式压力敏感元件，型号为MPM280，测量范围为0～100kPa…7MPa，适用于有较强腐蚀性介质的压力检测。经过A/D转换变成I2C总线的信号送入单片机接口。

7、通信模块

流量积算仪与计算机可通过以下三种方式进行数据传输：脉冲放大输出、4～20mA输出和RS485通讯，这里只给了RS485通信接口电路，如图6。

8、无线通信模块

使用深圳市华奥通通信技术有限公司 HAC-TS433G 系列微功率无线数传模块，可以将数据通过无线方面传输到计算机的RS232或RS485接口，微功率发射，最大发射功率15mW；无需申请频点，工作频率范围 430～452MHz。 高抗干扰能力和低误码率，传输距离远，在开阔视距情况下，天线放置高度位置>2m，可靠传输距离可达1800m (BER=10-3/1200bps)。

三、软件设计原理

软件采用C语言编写，MSP430系列单片机使用IAR Workbench系统，它的编译器提供C语言的标准特性，还具有许多为MSP430单片机专门设计的开发工具。是一款集编辑、编译、调试、下载于一体的集成开发环境。

系统的应用程序主要是由主程序和中断处理程序组成，其中主程序又由多个子程序所组成。主程序包括：系统初始化子程序、电池测试子程序、数据处理子程序、循环显示子程序等；中断处理子程序包括：流量检测子程序、温度压力检测子程序、流量补偿算法子程序、按键输入子程序、存储配置数据子程序、通讯子程序等[7]。

主程序完成仪表的整个管理和控制工作,流程图如图所示如图7。

流量计初次上电时系统初始化，显示当前时间，历史流量数据，压力、温度和电池电量。用户可以选择数据清零或保持不变。如果电池电量过低，系统报警，显示“电量不足”符号，提示用户更换电池。

在无操作的情况下延时一段时间后自动关闭显示，进入低功耗模式3(LMP3)。当发生中断事件，从低功耗模式中被唤醒，并判断是何种中断事件，进而进入中断处理程序。中断程序流程图如图8所示。

若是时钟信号唤醒，则通过漩涡转速、温度、压力值计算出标况下的气体流量，通过软件补偿计算，消除压损。并将流量值和当前时间存入中24C16中，然后流量计重新进入低功耗模式。

若是有按键按下，则通过中断唤醒后单片机调用按键子程序，根据按下的功能键显示当前的瞬时流量、累积流量、温度、压力、运行时间等信息。若按下多次按下确定键或在一段时间内无按键按下则又进入低功耗模式。

若是用户通过按键选择通讯，系统将调用相应的通讯子程序自动将当前或是历史流量信息发送给上位机。

若是流量传感器报警，流量计报警并关闭电动阀，存储报警标志，延时一段时间后进入低功耗模式[8]。

四、试验测试数据

流量计在软硬件调试完成后应进行实际测量的实验。实验中通过修改程序把压力值固定在1.0MPa,温度输入值则固定在25℃,然后进行实际测量。测得的数据如表1所示。

一般精度高的流量计基本误差为(±0.5%～±1%），本文设计的流量计经过软件补偿计算后，符合1.0级精度，达到国外同类产品的相等水平。

整功耗经过现场测试，休眠时小于20μA，工作时小于20mA，三块5号电池，可以使用三年以上。

五、结束语

本论文结合流量计的发展和流量积算仪表的技术要求，设计出实用的智能旋进旋涡流量计系统。在系统的硬件电路设计中，采用了TI公司的MSP430F449单片机，通过微处理技术，将流量、温度、压力检测、通信功能等于一体，使用新型多级信号处理放大电路和独特的滤波电路，有效地剔除了各种干扰信号。在软件方面进行温度、压力、压缩因子自动补偿，消除压损。整机功耗极低，能凭内电池长期供电运行，与同类产品相比较，外型轻巧，操作方便，具有很高的实用性和可靠性。

表1 流量测试数据