低功耗涡街流量计的硬件设计
低功耗涡街流量计的硬件设计
关键词：多功能低功耗；流量计；二次流量；测量显示；MSP430F449
Abstract: Lowpower vortex consumption flowratemeter is applied to battery power with a temperature compensationof single-phase fluid measurement, It is a low power consumption and standard industrial instrument which is suitable for the pulse or frequency of the two-wire sensor output, measurement and display of the second flowrate. The flowrate meter is designed by using TI'sultra-low power MSP430F449 MCU,It has a battery charger, liquid crystal display, multi-output mode and power-down data protection storage features.
1 引言
涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。当前，要求仪表能够在野外或者危险场所长期稳定工作的要求越来越迫切，低功耗问题显得很突出。所以在满足仪表对功耗的苛刻要求的同时，还要实现各种复杂参数的测量，就需要考虑控制测量芯片的功耗影响和芯片的性价比， 同时还需要选择合适的高性价比的大容量电池。低功耗涡街流量计就是针对这一具体现实问题而设计的。由于采用4-20mA输出方式，要求电源部分及信号处理部分静态耗电要控制在2mA以内，单片机处理电路要求静态耗电在1.5mA以内，本文介绍了一种采用MSP430F449 超低功耗单片机、超低功耗高集成度电子器件和超低功耗LCD 液晶显示器以及超低功耗电源电路和信号处理电路等一系列的节能设计的涡街流量计处理电路， 使仪表可以实现低功耗，如同时选择大容量高性价比的电池，那么流量计正常稳定工作的时间可达2年以上。
2 硬件设计
涡街流量计电路的硬件设计应遵循确保性能、缩小外形、方便移动、降低功耗的原则。涡街流量计是一种采用压电晶体作为检测元件，输出与流量成正比的标准信号的流量仪表。该仪表可以直接与ＤＤＺ－Ⅲ型仪表系统配套，也可以与计算机及集散系统配套使用，对不同介质的流量参数进行测量。仪表具有结构简单、通用性好和稳定性高的特点.当流过管道的气体或液体经过该流量计的流量传感器后，传感器将流量信号转换成电压信号经过放大处理后送给单片机处理，并进行温度补偿，仪表采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的流量仪表。该流量计主要由信号处理电路、功能电路、液晶接口电路、通讯电路、电源电路五部分构成。
图1 涡街流量计硬件框图
2.1电源电路设计
2.1.1串联稳压电源设计
稳压电路用来在交流电源电压波动或负载变化时稳定直流输出电压。采用三极管作为调整管并与负载串联的稳压电路，称为串联型晶体管稳压电路；稳压电路的作用是输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。本设计采用CRD恒流二极管实现比较，取样功能，有效实现低功耗。具体电路如图2所示。
CRD恒流二极管是一种恒定电路电流器件，应用于任何恒流场合，与普通的串联稳压电源方案相比有以下优点：
1、电路简单
只需电源接入恒流二极管稳压电路即可。电路简单、体积小，即使是空间狭小也可以完全放进去。
2、稳定性高
恒流二极管相当于一个动态电阻，输出电压稳定。
3、无EMI干扰问题及低纹波输出
由于恒流二极管采用了线性电路架构，电路不存在EMI问题及超低纹波输出。
4、效率高
比使用switching power(电子式电源供应器)的耗能还低，从而提高整个电路的效率。
5、输出保护
当检测到输出电压升高时CRD自动抑制输出电流从而保护电源。
6、 高、低压适用
恒流二极管最低耐压50V（实际60V以上），最高耐压100V，高、低压适用而无需加辅助元件［4］。
实践证明，采用CRD恒流二极管的串稳电源比普通串稳电源降低功耗20%左右，对有效实现4-20mA输出提供了保证。
图2 CRD串联稳压电源
2.1.2开关电源设计
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关稳压电源的调整管工作在开关状态，，依靠调节调整管导通时间来实现稳压。由于调整管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗小，故使稳压电源的效率明显提高，可达80%~90%，而且这一效率几乎不受输入电压大小的影响，即开关稳压电源很宽的稳压范围。电源的主要缺点是输出电压中含有较大的纹波。但由于开关电源优点显著，故发展非常迅速，使用也越来越广泛。开关电源通常由六大部分组成，如图3所示。
图3 开关电源工作原理框图
本设计中的涡街流量计采用如图4所示的开关电源供电，开关调整管Q1和变压器初级绕组L1参与振荡过程。当开关调整管Q1工作在饱和导通状态时，在变压器初级绕组L1上产生上正下负的感应电动势，次级绕组L2产生上负下正的感应电动势，初级绕组L1中的电流逐渐增大；当开关调整管Q1截止时，变压器初级绕组L1上产生上负下正的感应电动势，次级绕组L2产生上正下负的感应电动势，续流二极管vD导通，向负载提供能量，并对电容C17充电。当开关调整管Q1再次导通，续流二极管vD截止时，由电容C17向负载提供能量，从而实现自激振荡过程，由于电路中采用由C5,R25,R26,D8组成的串并联网络，可滤除开关管集电极的尖峰电压，对控制回路进行补偿及原边快速复位的作用,能有效的保护开关管不被损坏。
开关电源的使用实现大大提高了涡街流量计的电源效率，降低了功耗。
图4 开关电源
2.3 液晶接口电路
2.3.1 LCM103液晶模块简介
LCM103为10位多功能通用型8段式液晶显示模块，内含看门狗（WDT）/时钟发生器。2种频率的蜂鸣驱动电路,内置显示RAM，可显示任意字段笔画，3-4线串行接口，可与任何单片机、接口IC接口，低功耗特性：显示状态50μA（典型值），省电模式〈1μA，工作电压2.4~5.2V，视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单，是仪器仪表，手持便携仪器，电话系列，家用电器，运动器材，医疗保健仪器，智能充电器等的最佳通用型显示模块，特别适用于电池供电仪器产品［5］。具体如图5所示。
图5 LCM103液晶模块
应用：流量，温度，压力等仪表，需要两行显示通用仪器仪表，带14段条码，可模拟显示瞬时量，也可座位提示符，将要提示的字符印在条码右边的面板上，用以指示某一段右边字符内容。
模块上电后，软件初始化模块，应延时200ms以上再送命令，第一写入模块专用初始化命令 100 0010 0100定义模块，第二100 0001 1000 定义内部RC振荡方式或100 0001 0100定义外部品体振荡方式（模块B处必须焊32768Hz 晶体），第三100 0000 0001开振荡器，第四100 0000 0011 开显示器，以上四步完成后再送其他命令或显示数据，对显示的数据正确与否，可选用读RAM方进行校验.
为实现低功耗的方式，每次读/写命令或数据之后，都将/CS,/RD,/WR,DATA置高电平或悬空。
2.3.2 液晶接口电路设计
液晶模块是可视化界面的重要组成部分。在该设计中采用了简单方便实用的3 线制串行接口方式，利用MSP430的P4.0~P4.2 来控制液晶模块进行数据传输显示。
2.4 通讯设计
由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。由于该信号与监控单元的距离不远， 所以采用RS232 这种成熟的通讯技术就可以很好的满足工程需要。
实践表明，由于在电路设计中，采用的集成电路工作电压都介于2．7～ 3．6 V之间，电流控制在毫伏以下，有的芯片甚至在微伏以下，如主控芯片选用美国TI公司的MSP430F449，这是一款低功耗性能非常优异的微处理器，在4 kHz时的功耗只有2．5μA；滤波电路利用无源阻容滤波器，显示采用只有几十个微安的LCD，这样大大降低了整个电路的功耗。加上流量计采用压电晶体传感器，可在一40 ～400度的工作温度范围内工作，能适用于条件恶劣的工业现场，可靠性较好、压力损失小、量程范围大、精度较高。满足了要求仪表能够在野外或者危险场所长期稳定工作的要求
参考文献：
[1] 戴昌辉.流体流动测量.北京:航空工业出版社,1991,25.
[2] 周庆. 实用流量仪表的原理及其应用.北京:国防工业出版社，2008，36[3] 徐科军.基于DSP的涡街流量计和科氏质量流量计二次仪表.石油工业技术监督. 2001, 18(7).
[4] 日本石冢公司.恒流二极管手册. 2-12
[5] 北京青云科技公司.LCM103液晶模块手册. 3-5
本文编号：43377
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