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轮流量计积算仪硬件电路设计


文章日期:2018-02-07|阅读数:


  涡轮流量计积算仪的测量系统设计为低功耗单片微机系统,整台仪表采用电池或直流电源供电,降低电路功耗是本设计系统的首要核心问题。低功耗单片微机系统的硬件电路设计以低功耗为主要指标,除了选用各种低功耗的器件和芯片外,还在满足速度等指标的前提下,进行降低功耗的硬件电路设计和软件设计,以使单片微机系统运行的功耗***小。 

1、积算仪系统硬件电路构成:
  涡轮流量计硬件电路图主要由以下五个部分组成:电源电路、信号处理及 CPU电路、显示电路、键盘电路、比较电路。其整体硬件电路系统结构框图如图 3-1所示。 
图3-1 涡轮流量计积算仪系统结构

图3-1 涡轮流量计积算仪系统结构 
  测量系统工作流程如下:被测流体经过传感器,在检测线圈中磁通随之发生周期性变化,产生的周期性的感应电势,即电脉冲信号,被送入以单片机为中心的信号处理单元,进行计算、积算、存储和显示。整体电路连接参见系统电路原理图 3-9 所示。 

2、电源电路:
  电源电路的作用主要是给测量系统供电,本测量系统的电源由两个独立电源组成,可以独立进行工作,互不依赖。并且采用电池供电,电池是纯净电源,能有效降低系统的干扰。电源电路的连接如图3-2所示。
图3-2 电源电路图

图3-2 电源电路图 
   本测量系统所设计的电源模块如图3-2所示:左侧为3.6V电池,右侧为24V直流电源,两电源通过D1及D2两个二极管隔离。当有24V供电时,通过D5、D4两个稳压管稳压到4V给系统供电时,右则电压4V高于电池电压,此时D2导通,D1截止,电池将无电流输出,以保证电池的长期工作,从而节省了电池的使用电量。图中所示的电阻R1(2.7K)在电源电路中起限流的作用,以保证系统安全。 

3、比较电路:
  系统采用一个外部比较电路对脉冲信号进行比较,输出想要得到的脉冲信号。 比较器电路选用了LM258单电源运算放大器,其管脚配置如图3-3所示: 
  图3-3 LM258DIP8封装

图3-3 LM258DIP8封装 
选择LM258主要基于以下考虑:
①  输入电压范围宽;
②  低成本;
③  满足脉冲比较放大的功能[7];
比较器电路的连接如图3-4所示。 
 图3-4  比较器电路连接图

 图3-4  比较器电路连接图 
  电路的参考电压接比较器的同相端,脉冲信号接比较器的反相端,当脉冲信号电压大于参考电压时,输出饱和高电压;当脉冲信号电压小于参考电压时,比较器输出端截止,输出低电平。 

4、信号处理及 CPU:
  传感器输出的脉冲信号,送至信号处理即 CPU 系统,进行计数、计算、累积。单片机是信号处理电路的核心,是整个系统的关键部分,在整个硬件电路中起着举足轻重的作用。 
它的主要功能包括:
  对传感器的输出脉冲信号计数;
  人机交互;
  流量积算;
  LCD 显示控制;
  数据存储。 
  在硬件电路设计时,需要根据流量仪表整体性能的要求来选择适当型号的单片机。本测量系统进行的数学运算不多,整套仪表侧重于降低功耗,提高运行速度,从这一点出发,选用了 Philips 公司生产的 P89LPC922 作为本测量系统的 CPU。它的管脚配置如图 3-5 所示,P89LPC922 的内部功能模块见图 3-6 所示。 
  图3-5 管脚配置图
  图3-5 管脚配置图 
 图3-6 P89LPC922的内部功能模块图
 图3-6 P89LPC922的内部功能模块图 

4.1、LPC900 FLASH 单片机介绍:
   LPC900 FLASH 单片机,是 PHILIPS 公司推出的一款高性能、微功耗 51 内核单片机,主要集成了字节方式的 IC 总线、SPI 总线、增强型 UART 接口、比较器、实时时钟、EPROM、AD/DA 转换器、ISP/IAP 在线编程和应用中编程等一系列有特色的功能部件。LPC900 系列单片机提供从 8 脚 DIP 到 28 脚的 PLCC 等丰富的封装形式,可以满足各种对成本、线路板空间有限制而又要求高性能、高可靠性的应用。且其具有高速率(6 倍于普通 51 单片机),低功耗(完全掉电模式功耗低于 1u A),高稳定性,小封装,多功能(内嵌众多流行的功能模块),多选择等特点(该系列有多款不同封装,不同价位,不同功能的型号供用户选择)。  
   适合于许多要求高集成度、低成本的场合。可以满足多方面的性能要求。P89LPC920/921/922/9221 采用了高性能的处理器结构,指令执行时间只需 2 到 4个时钟周期。P89LPC920/921/922/9221 集成了许多系统级的功能,这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本[8]。 

4.2、P89LPC922  型号的选择:
  选择P89LPC922主要是基于以下考虑:

1.  功耗低。 本测量系统要求3.6V/3AH电池可工作1年以上,P89LPC922可以根据需求设置低功耗工作状态,P89LPC920/921/922设计***大工作频率为12MHz(  CCLK)。但是如果CCLK为8MHz或更低,CLKLP位(AUXR1.7)可置位以降低功耗。此外,在任何一次复位后,CLKLP都为0以允许实现***高性能。如果CCLK运行在8MHz或更低的频率时,该位可以在软件中置位。 
2.  速度快。 P89LPC920/921/922采用增强型80C51 CPU,其运行速度是标准80C51的6倍。一个机器周期由2个CPU时钟周期组成,大多数指令执行时间为1到2个机器周期。当操作频率为18MHz时,除乘法和除法指令外,高速80C51 CPU的指令执行时间为111~222ns。同一时钟频率下,其速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能,这样无疑又降低了功耗和EMI。 
3.  键盘中断。 P89LPC922芯片的I/O口具有键盘中断功能,该功能主要用于当P0口等于或不等于特定的模式时产生一个中断。该功能还可用于总线地址识别或对键盘的识别。用户可通过SFR将端口配置为不同的用途。
4.  脉冲检测计数。 P89LPC920/921/922/9221有2个模拟比较器,输入和输出选项允许将比较器配置成为不同模式。当正向输入(二个可选择脚之一)电压大于反向输入时(可选择外部管脚输入或内部参考电压),输出信号为“1” (可从寄存器读出和/或输出到管脚),反之则输出为“0”。每个比较器都可配置为当输出发生改变时产生中断,其较低工作电压为VDD=2.4V。本测量系统采用外部参考电压,利用比较器的功能,记录来自传感器的脉冲信号个数,以此来计算流体的流量值。
5.  流量累计及定时显示。 P89LPC920/921/922/9221具有一个简单的实时时钟。它允许用户在器件其它部分掉电时能够继续运行一个的定时器。实时时钟可以作为一个中断或一个唤醒源。实时时钟可用作1个由7位预分频器组成的23位倒计数器或1个可装载的16位倒计数器。当定时时钟变为0后,计数器被重装载,并设置RTCF标志。该定时器的时钟源可以是CPU时钟(CCLK)或者XTAL振荡器(前提是XTAL振荡器不作为CPU的时钟源)。如果XTAL振荡器作为CPU时钟源,
  RTC将使用CCLK作为它的时钟源。只有上电复位才能将实时时钟及其相关的寄存器复位为默认状态[9]。 
  综上所述,可以看出P89LPC922单片机满足了本测量系统低功耗、高速度、高性能的要求,适合用作涡轮流量计积算仪系统的CPU。另外。P89LPC920/921/922集成了许多系统级的功能,这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。 

5、LCD 选择:
  显示模块是人机接口的一个重要组成部分,友好的显示界面能够方便操作者的读数和进行参数设定。其接线图见图3-9系统原理图。
  本测量系统的显示模块选用了长沙太阳人电子有限公司的微功耗SMS0501C液晶显示模块,其主要显示参数如下: 
显示容量:5位数字+2组汉字 模块工作电压:2.7~5.5V      工作电流:20u A(3.0),
100u A(5.0V)          字高:12.0mm          视角:12:00      显示方式:反射式正显示      接口方式:二线式串行接口 环境相对湿度:<85%      工作温度:-10~+50摄氏度     存储温度:-20~+60摄氏度
 
接口信号说明[10]:   VDD:电源正极                      D1:串行数据输入   CLK:串行移位脉冲输入   VSS:电源地 
  图3-7  液晶外观图
  图3-7  液晶外观图 
地址映射表:

6、键盘电路:
  在计算流量之前,系统必须对所用参数进行设置;在测出流体的流量后,智能流量检测仪表还应该将所得到的瞬时流量、累积流量等数据进行实时显示,以便于操作人员能够及时了解流量的变动情况。为了能够向仪表系统输入数据、传输命令,智能检测仪表一般还根据实际需要配备了键盘。 
  同时,在流量积算系统中由于要显示的数据位数较多,而单片机要实时的采集和处理现场数据,因此显示不能占用太多单片机的时间,这就要求设计键盘电路。 
  在本测量仪表中,我们采用4个按键来对仪表进行数据及命令的输入,其接口电路如图3-8所示,电路中,S1(OK)表示确认键,它用于确认已完成的设置;S2(CH)表示改变键,改变参数设置或功能显示;S3(RT)表示右移键,它使设置位产生“从左到右”的位移循环变化;S4(PB)表示返回键。键盘的作用主要用于参数设定、功能切换、控制流量显示。其优点是:操作简单、直观;键盘是实现系统智能化的关键。 
  图 3-8  键盘电路图

  图 3-8  键盘电路图 
  由电路所示,单片机的P0.0,P0.1,P0.2及P0.3,4个I/O口用来作为按键输入接口,每个按键各接一个1M的上拉电阻并起着限流作用,保证按键按下时电流仅为1u A。当某个按键按下时,对应端口为低电平,反之则为高电平。软件可以直接读取该端口状态值,从而对按键作出相应的判断。

7、硬件电路原理图:
  下图为本测量系统整体硬件设计原理图,主要的部分电路我们在以上几节已经讲述过,在此不再重复。 
 图 3-9  系统原理图
 图 3-9  系统原理图 

8、PCB 图:
图  3-10  系统 PCB 版图
图  3-10  系统 PCB 版图 

本章小结:
  本章详细介绍了本测量系统的硬件电路设计部分,首先对电路的总体构成框架进行了介绍,使我们对系统有了一个整体的认识和了解,然后进一步分别对系统各部分电路的功能以及考虑的要点进行了详细的分析和介绍,使我们懂得了系统各部分所起的作用以及设计思想,其中包括:电源电路、信号放大电路、信号处理电路以及键盘电路。 


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