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1、基于MSP430单片机的气体涡轮流量计设计摘 要:流量测量在工业生产、能源计量、环境保护、交通运输、生物技术、军事工程和科学研究等领域占据重要位置，因此，流量测量仪表的研究和开发应用有着深远的意义。涡轮流量计是流量测量仪表中不可缺少的一员，随着现代计算机技术的发展而不断发展和完善。按照模块化设计方法，将系统硬件部分分为不同的功能模块分别进行设计。本着小型化、智能化的原则，设计中采用TI公司的高性能、微功耗MSP430F147单片机作为控制核心，实现了气体流量的实时补偿，提高了仪表的测量精度。在外围器件选型和软件编制过程中进行低功耗设计，极大地降低了仪表的功耗，使流量计具有较高的可靠性。通讯方面
2、可以选择RS-485和HART总线方式，方便了仪表与上位机的连接。LCD显示和键盘方便了用户的操作。软件部分采用了模块化的编程，介绍了各模块的实现方法，最后组合起来进行调试。通过试验，本系统初步达到了流量计量的目的，系统的结构合理，功能完善，硬件和软件设计达到了预期要求。关键词：涡轮流量计；MSP430；流量补偿；HART总线；温压传感器Design of gas turbing flowmeterbased on the MSP430abstractAbstract:Flow measurement occupy an important position in industrial pro
3、duction,energymeasures,environmental,protection,transportation,biotechnology,engineering,military science and other fields.Therefore,there are far-reaching significance research and development applications in flow measurement instrument.Turbine Flowmeter is an indispensable instrument,which are con
4、tinuously developed and improved with the development of modern computer technology. System hardware were designed through divided into different functional modules. Through use of TIs MSP430F147 microcontroller as the core, make the gas compensation in real-time and improve the accuracy of the meas
5、urement. In the course of design, reduce the power consumption of the instrument greatly, and make the flowmeter have a high reliability.It bouth has R485 and the HART bus, so connect to PC very conveniently. User can operate the turbine flowmeter easily, through LCD display and keyboard. Introducti
6、ng the method of the module that how to Implementat and combination of debugging finally.The experiments result has showed that the system has the features of rational structure and perfect function.Key words:turbine flowmeter;MSP430;flow compensation;HART bus;pressureSensor.目 录1 绪论11.1 引言11.2 气体流量计
7、的分类11.3 涡轮流量计的工作原理21.4 涡轮流量计的特点21.5 本文研究内容32 温压补偿技术的研究42.1 温压补偿的必要性42.2 补偿原理43 涡轮流量硬件电路设计53.1 涡轮流量计硬件整体结构53.2 单片机的选取53.2.1 超低功耗53.2.2 强大的处理能力63.2.3 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块63.2.4 系统工作稳定73.3 电源电路83.4 流量测量电路93.4.1 霍尔开关工作原理93.4.2 流量测量原理及电路93.5 温压检测电路103.5.1 温压传感器的选取113.5.2 2MS5535B的特性与功能113.5.3 模块图与连接123.6 实时
8、时钟133.7 显示部分143.8 按键设计153.9 RS-485通讯部分163.10 存储单元174 涡轮流量计积算仪系统软件设计194.1 软件总体构成194.2 软件开发环境194.3 流量计系统总体概述204.4 涡轮脉冲采集部分224.5 实时时钟程序模块234.5.1 I2C总线的概念234.5.2 I2C的位传输和起始信号244.6 显示程序模块254.7 HART通讯模块程序274.8 单片机对存储模块的操作274.9 系统其他辅助程序的应用294.10 流量计的硬件和软件调试295 结论31参考文献.32推进学校内涵建设深化年各项工作和“三乐两校”主题教育活动的开展，进一步
9、繁荣校园文化，搭建具有时代特征大学生特点的文化艺术活动平台，促进学院间师生的友谊1 绪论1.1 引言在物资量计量领域中，流体流量的检测与控制是各行各业加强物料管理、能源管理，进行物资交接、财务结算，经济核算，效益分析与评价及至决策的重要依据；也是企业监控生产过程，使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。从某种意义上讲：计量就是眼睛，计量就是金钱，计量就是效益。现代企业对流量计量的要求越来越高，主要反映在满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度等方面，计量的准确可靠性愈来愈受到社会各界的关注。气体涡轮流量计是一种速度式仪表。它具有压力损失小、精确度高、始动流量低，抗振与抗脉动
10、流性能好等特点。广泛使用于石油、化工、电力工业锅炉等燃气计量和燃气调压站、输配气管网天然气、城市天然气计量等领域并可广泛用于贸易计量。目前，国内在气体流量计特别是气体涡轮流量计的设计、制造与鉴定技术及设备装备水平方面远远落后于欧美国家。而且国内所生产的涡轮流量计产品大多只有简单的计数显示器，客户无法直接从管路中气体流动状况了解流量计实际运行情况，同时性能与质量也不能与国外气体流量计相比。随着中国与国际市场接轨的步伐加快，低精度流量计的使用会受到越来越大的限制，而高精度流量计将需求旺盛。1.2 气体流量计的分类为了满足各种测量的需要，几百年来人们根据不同的测量原理，研究开发制造出了数十种不同类型
11、的流量计，大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。各种类型的流量计量原理、结构不同既有独到之处又存在局限性。为达到较好的测量效果，需要针对不同的测量领域，不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计。工业计量中常用的几种气体流量计有： 差压式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、旋进涡轮流量计、时差式超声波流量计、科式质量流量计等。1.3 涡轮流量计的工作原理气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图1所示，它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮
12、的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有KQ= f，其中：Q是流经变送器的流量（L/s）；f是电脉冲频率；k是仪表系数，次/升。管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪
13、表有不同的k。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。涡轮显示仪器前置放大磁电转换protel 2004.iso传感器图1 涡轮流量原理图Fig.1 The scheme of of heat meter1.4 涡轮流量计的特点在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。因此涡轮流量计在工业上应用最
14、广泛，发展最迅速。除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁净度要求高。流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。1.5 本文研究内容本文研究的是一种新型涡轮流量计。它的优点在于，采用了功能强大的CPU，使得外围芯片减少，整个
15、系统结构简单，无可动部件，系统稳定性高，另外，系统的功耗低、速度快，这些都是本设计的考虑要点及实现目标。流量积算系统是流量计的二次仪表，它接收一次仪表、变送器的信号，进行处理和运算，并将计算的结果由显示、积算单元进行显示和累积。近年来生产的工业流量计都是由一次仪表、变送装置及二次仪表构成的一个流量测量系统。流量显示积算在流量测量系统中起着极其重要的作用，从某种意义上讲，它的质量优劣代表了整个流量计的质量好坏。对于流动工况波动或不断变化的各种工业流体介质，没有高性能、高运算精度的流量显示积算系统，不可能准确测量流量。一个智能流量积算系统就是要充分利用单片机体积小、功能强大、价格便宜、可靠性高等优点并配合一些外围器件，通过编制合理的软件程序完成流量高精度的积算的较先进的一种计量系统。它可以充分利用系统的软、硬件资源，方便完成高精度的补偿运算，并根据配接的流量传感器类型通过良好的人机界面完成参数设置，调用不同的数学模型完成相应的积算。本论文重点就在于讲述一个智能流量积算系统的硬件以及软件设计。2 温压补偿技术的研究2.1 温压补偿的必要性
