基于MSC1211 的電磁流量計的硬件設(shè)計
基于MSC1211 的電磁流量計的硬件設(shè)計
摘要: 介紹了電磁流量計的測量原理, 給出了硬件設(shè)計的總體框圖, 詳細闡述了勵磁信號電路、信號處理電路、顯示鍵盤以及通訊接口的設(shè)計。電路設(shè)計以高性能的混合信號芯片MSC1211 為核心, 從而簡化了外圍硬件電路的設(shè)計, 實現(xiàn)了液體流量的測量和累積。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、高精度和低功耗等特點。
關(guān)鍵詞: 電磁流量計; 三值方波勵磁; MSC1211
1 .. 電磁流量計工作原理
電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律的原理來測量導電液體體積流量的儀器。宏觀上把導電液體看成導體, 液體的流動看成導體做切割磁力線運動。當導體在磁場中做切割磁力線運動時, 在導體的兩端就會產(chǎn)生感應電動勢。電動勢e 的方向由右手定則確定, 大小為: e= BDv 式中: B 為磁場強度; D 為垂直切割磁力線的導體長度; v 為流體的平均速度。因此, 流體的體積流量為Q= ..D2 4 v= ..De 4B 所以當測量管和磁場一定時, 只要測得感應電動勢e , 即可算出體積流量Q.
2 .. 硬件電路設(shè)計
在結(jié)構(gòu)上, 智能電磁流量計由電磁流量傳感器和轉(zhuǎn)換器2 部分組成。傳感器安裝在工業(yè)過程管道上, 它的作用是將流進管道內(nèi)的液體體積流量線性地變換成感應電勢信號, 并通過傳輸線將此信號送到轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器安裝在離傳感器不太遠的地方, 它將傳感器送來的流量信號進行放大, 并轉(zhuǎn)換成與流量信號成正比的標準電信號輸出, 以進行顯示、累積和調(diào)節(jié)控制。具體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
2..1 .. 勵磁信號電路
勵磁系統(tǒng)決定了傳感器的工作磁場, 是轉(zhuǎn)換電路中非常重圖1 .. 測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖要的部分, 關(guān)系到磁場的穩(wěn)定與變換精度。使用交流勵磁的電磁流量傳感器產(chǎn)生的正交干擾與頻率成正比, 而影響零點的同相干擾與頻率的平方成正比, 因此低頻磁場有利于降低正交干擾和同相干擾。采用低頻三值方波勵磁方式, 頻率選為12..5 Hz, 使這些干擾基本被忽略, 有利于零點測量自校, 并提高儀表的準確度, 同時采用周期間歇性工作, 以降低功耗。勵磁電路由場效應管及控制電路構(gòu)成。直接利用MSC1211 的P2 口可以控制場效應管的通斷以輸出勵磁電壓。場效應管采用2 對互補增強型功率NMOS、PMOS 管分別連接勵磁線圈的2 個輸入端。P2 口作為通用I/ O 口時, 可以被配置成4 種不同的I/ O 類型: 標準8051 模式、CMOS 輸出模式、開漏極輸出模式、輸入模式?？梢栽O(shè)置成CMOS 輸出模式而直接驅(qū)動場效應管。通過設(shè)置P2. 4、P2. 5 電平的高低來控制場效應管的通斷, 如圖2 所示, 從而實現(xiàn)三值方波的輸出。
2..2 .. 信號處理電路
信號處理電路由前置放大電路和濾波電路組成。前置放大要有很高的輸入阻抗和共模抑制比, 它的作用是將傳感器兩圖2 .. 勵磁信號電路圖電極間的電勢差放大, 而對電極與地間的同相干擾進行抑制。采用OP07 作為前置放大, 放大倍數(shù)為10 倍, 經(jīng)前置放大后差動信號變換為單端信號, 其輸出幅度較小, 依然不能直接輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路, 必須經(jīng)過再次放大, 由于測量電路器件本身存在噪聲以及其他干擾, 而輸入信號較小, 因此加入二階低通濾波電路來抑制雜散信號。在電路設(shè)計中, 選取合適的電容、電阻值, 確保有很好的低通濾波效果。電路如圖3 所示。圖3.. 信號的前置放大與濾波電路.. .. 單片機是單極性電壓供電, 輸入信號為0~ 5 V, 所以交流信號的負值電壓不能直接進入A/ D 轉(zhuǎn)換器, 需采用整流電路將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性電壓進入單片機進行后續(xù)處理。
2..3 .. MCU 單元
MSC1211 有2 個標準UART 接口, 32 個多功能數(shù)字I/ O 口、3 個通用定時/ 計數(shù)器, 看門狗電路、低電壓檢測電路、片內(nèi)自動上電復位電路、四通道16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器等, 數(shù)據(jù)處理能力滿足要求, 適合于該電磁流量計的設(shè)計。單片機系統(tǒng)主要控制勵磁電流的輸出, 再次放大整流后信號, 要進行A/ D 轉(zhuǎn)換、分析處理以輸出到顯示屏。通過V/ I 轉(zhuǎn)換電路輸出4~ 20 mA 標準信號, 并通過RS- 232 接口與計算機進行數(shù)據(jù)通訊。因為電磁流量轉(zhuǎn)換器測量的信號是低速緩慢變化的, 因而MSC1211 內(nèi)部集成的24 位.. - .. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器可滿數(shù)轉(zhuǎn)換的要求。24 位.. - .. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器部分由多路模擬開關(guān)、可編程增益放大器、基準電壓源、二階.. - .. 調(diào)制器和數(shù)字濾波器等組成。設(shè)置采樣頻率為200 Hz, 通過求和/ 移位寄存器, 取每4 個A/ D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的平均值作為轉(zhuǎn)換值進行流量的計算。
2..4 .. 顯示鍵盤電路
顯示屏采用液晶顯示器, 以降低系統(tǒng)功耗。LCD 屏幕上僅顯示數(shù)字和字符, 在顯示屏外部用文字提示顯示內(nèi)容。顯示屏采用字符點陣液晶模塊, 同時, 顯示屏的連接采用了4 位數(shù)據(jù)線的形式, 有效節(jié)省了單片機的I/ O 引腳資源。鍵盤采用4 個按鍵, 分別是設(shè)置、+ 、- 、確定鍵。要設(shè)置參數(shù)時, 在正常測量狀態(tài)按設(shè)置鍵進入, 通過+ 、- 鍵在各參數(shù)間進行切換, 按確定鍵進入具體數(shù)值的設(shè)置, 主要是設(shè)置時間和報警的瞬時流量上下限, 通過+ 、- 來完成數(shù)值+ 1、- 1 操作, 完成后按確定, 此時按下設(shè)置鍵退回參數(shù)選擇, 再次按下設(shè)置鍵回到正常測量狀態(tài)。因此采用了獨立式按鍵, 每個鍵單獨占有1 根I/ O 口線。
2..5 .. 信號輸出與通訊接口
智能電磁流量計共有3 種輸出形式: 標準電流輸出、頻率輸出、報警輸出。電磁流量計的瞬時流量和總流量計算后, 在完成自身顯示的同時, 還需傳送到控制室。標準電流輸出采用4~ 20 mA 形式, 是通過MSC1211 自帶的16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器把測量值轉(zhuǎn)換成電壓輸出, 并通過V/ I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電流輸出。輸出電流上下限的確定通過軟件編程來設(shè)定。頻率輸出是一定占空比的脈沖信號, 作為累計總量使用。該設(shè)計通過外接定時器來實現(xiàn)頻率的輸出。流量計還具備了上下限報警輸出、空管報警輸出功能。當流量輸出超過/ 低于用戶設(shè)定的上限/ 下*, 顯示屏顯示.. 報警.. 字樣, 同時通過單片機的引腳輸出信號點亮上限/ 下限報警指示燈來提醒用戶。RS- 232 串口用來傳送時間、瞬時流量、累計流量、歷史數(shù)據(jù)以及各設(shè)定參數(shù)。設(shè)計過程中, 選用單+ 5 V 電源供電的電平轉(zhuǎn)換電路MAX232 進行RS- 232 電平轉(zhuǎn)換, 并連接到9 芯的D 型插座。
3.. 結(jié)束語
該電磁流量計由于采用了高性能的MSC1211 為核心的硬件系統(tǒng), 簡化了外圍接口電路的設(shè)計, 提高了系統(tǒng)的性價比和模數(shù)轉(zhuǎn)換精度; 利用三值方波作為勵磁電流抑制了噪聲, 提高了儀表的準確度; 通過單片機系統(tǒng)實現(xiàn)了流量的測量與累計, 同時具備了串行通信功能, 可以滿足工業(yè)測量的要求。
參考文獻: [ 1] .. 蔡武昌, 馬中元. 電磁流量計. 北京: 中國石化出版社, 2003. [ 2] .. 鄧宏彬.MSC121X 系統(tǒng)級單片機原理與應用. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004. [ 3] .. 蘇凱.MCS- 51 系列單片機系統(tǒng)原理與設(shè)計. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2003. [ 4] .. 鄧湘, 彭黎輝, 姚丹亞, 等. 兩線制低功耗流量顯示儀設(shè)計. 儀表技術(shù)與傳感器, 2003( 11) : 8- 9. --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：
