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电容式涡街流量计二次仪表电路的设计


文章日期:2017-08-17|阅读数:


摘要:设计了电容式涡街流量计二次仪表的电路部分,其中包括前置放大电路、滤波电路、整形电路组成的信号调理电路,以 MSP430F149 单片机为核心的按键接口电路,LCD 显示接口电路,以及该二次仪表供电电路的设计。实验证明,该电路能够实现对电容式涡街流量信号的控制、处理功能。
  电容式涡街流量计是涡街流量计中***有发展前途的一种,它安装简单,维护方便,无需装导压管和固定支架,可减少故障点。它广泛用于管道中液体、气体和蒸汽的测量,具有良好的通用性和互换性,能满足用户不同的检测要求,因此研究电容式涡街流量计将具有极其重要的现实意义。
  设计了电容式涡街流量计二次仪表电路,该电路以 MSP430F149 单片机为核心,设计了信号调理电路,低功耗微处理器系统,二次仪表供电电路。该电路具有低成本、低功耗、高精度的特点,具有广阔的市场应用前景。

1、二次仪表电路的工作过程:
  电容式涡街流量传感器把检测到的涡街信号,经过信 号调 理 电路 处 理后,送 到 MSP430F149 的P1. 1 口,利用该 I / O 口具有的定时器 A 捕获中断功能,同时利用定时器 B 模块,读入捕获的时间,获得信号的频率,再根据仪表参数,可以计算出瞬时流量值、累积流量值,送到指定的 RAM 数据缓冲区供LCD 实时显示。

2、信号调理电路设计:
  环行电路输出的信号低于毫伏级,需要对采集到的信号进行放大处理。可以通过恒流源式双入单出差动放大电路,该电路能抑制零点漂移,电路如图 1( a) 所示; 传感器得到的信号夹杂着噪声信号,为消除噪声的干扰,设计滤波电路,该电路采用无限增益多路反馈二阶滤波电路,该电路过渡带窄,能改善涡街信号的频率特性,滤波电路如图 1( b) 所示; 信号放大滤波电路后,为便于单片机计数,需要对信号进行整形处理。整形电路通过施密特触发器电路产生方波信号,电路如图 1( c) 所示;通过设置可调电位器 R8 的阻值,设定门限电压,将输入信号转换成脉冲信号输入单片机的 P1. 1 端口。利用 P1. 1 端口可以设置为捕获方式获取流量信号频率。

3、低功耗微处理器系统设计:
3. 1、键盘接口电路:

  现场测量仪表在使用时,需要根据不同管道直径、流体介质、温度、气压、黏滞系数等改变或修正相关参数,来计算体积流量或质量流量,所以仪表必须有可以现场修正的键盘[1,2]。设计采用独立式键盘来修改相关参数值,键盘电路主要利用 MSP430单片机的 I/O 端口来进行设计。它的 6 组端口的每组 8 个 I/O 管脚可以单独设置成输入或者输出,且每个都可独立读写。如图 2 所示为键盘接口电路,利用 P2 端口的每个管脚还可以单独设置为中断或只读口分别与 P2. 0 ~ P2. 4 依次连接。按键功能分别是返回键、右移键、增 1 键、左移键、修改键。当修改键有按键动作时触发键盘中断,其它键按下不响应中断。当进入中断后按下其它任意键使得对应P2 口由 100 Ω 和 1 kΩ 两个电阻对 3. 3 V 分压为高电平 3 V,弹起键时对应 P2 口为低电平 0,以此作为键盘扫描判断。
图 1 信号调理电路


3. 2、显示电路:
  采用低功耗点阵式字符液晶显示器 NO-KIA5110 的 48 × 84,这是一种串行输入数据点阵式液晶,所占用的单片机 I/O 口数量较少,另外此液晶具有低电压供电方式,可选择 3. 3 Vcc 和 5 Vcc 的电压供电。液晶内部采用 PCD8544,设计为 48 行84 列的图形显示,所有的显示功能集成在一块芯片上,包括 LCD 电压及偏置电压发生器,只须很少外部元件且功耗小正常显示时的工作电流在 200 μA以下,且具有掉电模式。这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中[3,4]。电路结构如图 3 所示,只有 2、3、4 脚同单片机 P4. 0、P4. 1、P4. 2 相连,使用内部振荡器时令 6 脚接高电平,8 引脚所接电容是起延时作用,它影响掉电时屏幕上信息消失速度快慢,通常选 0. 1 μF ~ 10 μF。
图 2 键盘接口电路

图 2 键盘接口电路
图 3 液晶显示接口电路

图 3 液晶显示接口电路

4、二次仪表供电电路设计:
  MSP430 系列单片机的工作电源一般是 1. 8 V~ 3. 6 V,并且功耗极低,电池电压通过 W7805 转换成 + 5 V 电源。如图 4 所示,该芯片输入 5 V,输出电压为 3. 3 V,电流为 800 m A,完全能满足大多数低功耗应用场合的要求,也能满足本系统的功耗要求。
图 4 电源模块电路
图 4 电源模块电路

5、结论:
  设计了电容式涡街流量计二次仪表的电路,该电路由信号调理电路、低功耗微处理器系统、二次仪表供电电路组成。实验验证了该电路的正确性和可靠性,而且该电路还具有结构简单、价格低廉的优点,具有广阔的市场应用前景。


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