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電容式渦街流量計(jì)二次儀表電路的設(shè)計(jì)

摘要:設(shè)計(jì)了電容式渦街流量計(jì)二次儀表的電路部分,其中包括前置放大電路、濾波電路、整形電路組成的信號調(diào)理電路,以 MSP430F149 單片機(jī)為核心的按鍵接口電路,LCD 顯示接口電路,以及該二次儀表供電電路的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明,該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對電容式渦街流量信號的控制、處理功能。
  電容式渦街流量計(jì)是渦街流量計(jì)中***有發(fā)展前途的一種,它安裝簡單,維護(hù)方便,無需裝導(dǎo)壓管和固定支架,可減少故障點(diǎn)。它廣泛用于管道中液體、氣體和蒸汽的測量,具有良好的通用性和互換性,能滿足用戶不同的檢測要求,因此研究電容式渦街流量計(jì)將具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
  設(shè)計(jì)了電容式渦街流量計(jì)二次儀表電路,該電路以 MSP430F149 單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路,低功耗微處理器系統(tǒng),二次儀表供電電路。該電路具有低成本、低功耗、高精度的特點(diǎn),具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

1、二次儀表電路的工作過程:

  電容式渦街流量傳感器把檢測到的渦街信號,經(jīng)過信 號調(diào) 理 電路 處 理后,送 到 MSP430F149 的P1. 1 口,利用該 I / O 口具有的定時(shí)器 A 捕獲中斷功能,同時(shí)利用定時(shí)器 B 模塊,讀入捕獲的時(shí)間,獲得信號的頻率,再根據(jù)儀表參數(shù),可以計(jì)算出瞬時(shí)流量值、累積流量值,送到指定的 RAM 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供LCD 實(shí)時(shí)顯示。

2、信號調(diào)理電路設(shè)計(jì):

  環(huán)行電路輸出的信號低于毫伏級,需要對采集到的信號進(jìn)行放大處理。可以通過恒流源式雙入單出差動(dòng)放大電路,該電路能抑制零點(diǎn)漂移,電路如圖 1( a) 所示; 傳感器得到的信號夾雜著噪聲信號,為消除噪聲的干擾,設(shè)計(jì)濾波電路,該電路采用無限增益多路反饋二階濾波電路,該電路過渡帶窄,能改善渦街信號的頻率特性,濾波電路如圖 1( b) 所示; 信號放大濾波電路后,為便于單片機(jī)計(jì)數(shù),需要對信號進(jìn)行整形處理。整形電路通過施密特觸發(fā)器電路產(chǎn)生方波信號,電路如圖 1( c) 所示;通過設(shè)置可調(diào)電位器 R8 的阻值,設(shè)定門限電壓,將輸入信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸入單片機(jī)的 P1. 1 端口。利用 P1. 1 端口可以設(shè)置為捕獲方式獲取流量信號頻率。

3、低功耗微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì):
3. 1、鍵盤接口電路:

  現(xiàn)場測量儀表在使用時(shí),需要根據(jù)不同管道直徑、流體介質(zhì)、溫度、氣壓、黏滯系數(shù)等改變或修正相關(guān)參數(shù),來計(jì)算體積流量或質(zhì)量流量,所以儀表必須有可以現(xiàn)場修正的鍵盤[1,2]。設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤來修改相關(guān)參數(shù)值,鍵盤電路主要利用 MSP430單片機(jī)的 I/O 端口來進(jìn)行設(shè)計(jì)。它的 6 組端口的每組 8 個(gè) I/O 管腳可以單獨(dú)設(shè)置成輸入或者輸出,且每個(gè)都可獨(dú)立讀寫。如圖 2 所示為鍵盤接口電路,利用 P2 端口的每個(gè)管腳還可以單獨(dú)設(shè)置為中斷或只讀口分別與 P2. 0 ~ P2. 4 依次連接。按鍵功能分別是返回鍵、右移鍵、增 1 鍵、左移鍵、修改鍵。當(dāng)修改鍵有按鍵動(dòng)作時(shí)觸發(fā)鍵盤中斷,其它鍵按下不響應(yīng)中斷。當(dāng)進(jìn)入中斷后按下其它任意鍵使得對應(yīng)P2 口由 100 Ω 和 1 kΩ 兩個(gè)電阻對 3. 3 V 分壓為高電平 3 V,彈起鍵時(shí)對應(yīng) P2 口為低電平 0,以此作為鍵盤掃描判斷。
圖 1 信號調(diào)理電路

3. 2、顯示電路:
  采用低功耗點(diǎn)陣式字符液晶顯示器 NO-KIA5110 的 48 × 84,這是一種串行輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)陣式液晶,所占用的單片機(jī) I/O 口數(shù)量較少,另外此液晶具有低電壓供電方式,可選擇 3. 3 Vcc 和 5 Vcc 的電壓供電。液晶內(nèi)部采用 PCD8544,設(shè)計(jì)為 48 行84 列的圖形顯示,所有的顯示功能集成在一塊芯片上,包括 LCD 電壓及偏置電壓發(fā)生器,只須很少外部元件且功耗小正常顯示時(shí)的工作電流在 200 μA以下,且具有掉電模式。這些特點(diǎn)非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(shè)備中[3,4]。電路結(jié)構(gòu)如圖 3 所示,只有 2、3、4 腳同單片機(jī) P4. 0、P4. 1、P4. 2 相連,使用內(nèi)部振蕩器時(shí)令 6 腳接高電平,8 引腳所接電容是起延時(shí)作用,它影響掉電時(shí)屏幕上信息消失速度快慢,通常選 0. 1 μF ~ 10 μF。
圖 2 鍵盤接口電路

圖 2 鍵盤接口電路
圖 3 液晶顯示接口電路

圖 3 液晶顯示接口電路

4、二次儀表供電電路設(shè)計(jì):
  MSP430 系列單片機(jī)的工作電源一般是 1. 8 V~ 3. 6 V,并且功耗極低,電池電壓通過 W7805 轉(zhuǎn)換成 + 5 V 電源。如圖 4 所示,該芯片輸入 5 V,輸出電壓為 3. 3 V,電流為 800 m A,完全能滿足大多數(shù)低功耗應(yīng)用場合的要求,也能滿足本系統(tǒng)的功耗要求。
圖 4 電源模塊電路
圖 4 電源模塊電路

5、結(jié)論:
  設(shè)計(jì)了電容式渦街流量計(jì)二次儀表的電路,該電路由信號調(diào)理電路、低功耗微處理器系統(tǒng)、二次儀表供電電路組成。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電路的正確性和可靠性,而且該電路還具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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