基于MSC1211 的电磁流量计的硬件设计
基于MSC1211 的电磁流量计的硬件设计
摘要: 介绍了电磁流量计的测量原理, 给出了硬件设计的总体框图, 详细阐述了励磁信号电路、信号处理电路、显示键盘以及通讯接口的设计。电路设计以高性能的混合信号芯片MSC1211 为核心, 从而简化了外围硬件电路的设计, 实现了液体流量的测量和累积。系统具有结构简单、高精度和低功耗等特点。
关键词: 电磁流量计; 三值方波励磁; MSC1211
1 .. 电磁流量计工作原理
电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律的原理来测量导电液体体积流量的仪器。宏观上把导电液体看成导体, 液体的流动看成导体做切割磁力线运动。当导体在磁场中做切割磁力线运动时, 在导体的两端就会产生感应电动势。电动势e 的方向由右手定则确定, 大小为: e= BDv 式中: B 为磁场强度; D 为垂直切割磁力线的导体长度; v 为流体的平均速度。因此, 流体的体积流量为Q= ..D2 4 v= ..De 4B 所以当测量管和磁场一定时, 只要测得感应电动势e , 即可算出体积流量Q.
2 .. 硬件电路设计
在结构上, 智能电磁流量计由电磁流量传感器和转换器2 部分组成。传感器安装在工业过程管道上, 它的作用是将流进管道内的液体体积流量线性地变换成感应电势信号, 并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方, 它将传感器送来的流量信号进行放大, 并转换成与流量信号成正比的标准电信号输出, 以进行显示、累积和调节控制。具体硬件结构框图如图1 所示。
2..1 .. 励磁信号电路
励磁系统决定了传感器的工作磁场, 是转换电路中非常重图1 .. 测量系统硬件结构图要的部分, 关系到磁场的稳定与变换精度。使用交流励磁的电磁流量传感器产生的正交干扰与频率成正比, 而影响零点的同相干扰与频率的平方成正比, 因此低频磁场有利于降低正交干扰和同相干扰。采用低频三值方波励磁方式, 频率选为12..5 Hz, 使这些干扰基本被忽略, 有利于零点测量自校, 并提高仪表的准确度, 同时采用周期间歇性工作, 以降低功耗。励磁电路由场效应管及控制电路构成。直接利用MSC1211 的P2 口可以控制场效应管的通断以输出励磁电压。场效应管采用2 对互补增强型功率NMOS、PMOS 管分别连接励磁线圈的2 个输入端。P2 口作为通用I/ O 口时, 可以被配置成4 种不同的I/ O 类型: 标准8051 模式、CMOS 输出模式、开漏极输出模式、输入模式。可以设置成CMOS 输出模式而直接驱动场效应管。通过设置P2. 4、P2. 5 电平的高低来控制场效应管的通断, 如图2 所示, 从而实现三值方波的输出。
2..2 .. 信号处理电路
信号处理电路由前置放大电路和滤波电路组成。前置放大要有很高的输入阻抗和共模抑制比, 它的作用是将传感器两图2 .. 励磁信号电路图电极间的电势差放大, 而对电极与地间的同相干扰进行抑制。采用OP07 作为前置放大, 放大倍数为10 倍, 经前置放大后差动信号变换为单端信号, 其输出幅度较小, 依然不能直接输入到模数转换电路, 必须经过再次放大, 由于测量电路器件本身存在噪声以及其他干扰, 而输入信号较小, 因此加入二阶低通滤波电路来抑制杂散信号。在电路设计中, 选取合适的电容、电阻值, 确保有很好的低通滤波效果。电路如图3 所示。图3.. 信号的前置放大与滤波电路.. .. 单片机是单极性电压供电, 输入信号为0~ 5 V, 所以交流信号的负值电压不能直接进入A/ D 转换器, 需采用整流电路将交流信号转变为正极性电压进入单片机进行后续处理。
2..3 .. MCU 单元
MSC1211 有2 个标准UART 接口, 32 个多功能数字I/ O 口、3 个通用定时/ 计数器, 看门狗电路、低电压检测电路、片内自动上电复位电路、四通道16 位数模转换器等, 数据处理能力满足要求, 适合于该电磁流量计的设计。单片机系统主要控制励磁电流的输出, 再次放大整流后信号, 要进行A/ D 转换、分析处理以输出到显示屏。通过V/ I 转换电路输出4~ 20 mA 标准信号, 并通过RS- 232 接口与计算机进行数据通讯。因为电磁流量转换器测量的信号是低速缓慢变化的, 因而MSC1211 内部集成的24 位.. - .. 模数转换器可满数转换的要求。24 位.. - .. 模数转换器部分由多路模拟开关、可编程增益放大器、基准电压源、二阶.. - .. 调制器和数字滤波器等组成。设置采样频率为200 Hz, 通过求和/ 移位寄存器, 取每4 个A/ D 转换结果的平均值作为转换值进行流量的计算。
2..4 .. 显示键盘电路
显示屏采用液晶显示器, 以降低系统功耗。LCD 屏幕上仅显示数字和字符, 在显示屏外部用文字提示显示内容。显示屏采用字符点阵液晶模块, 同时, 显示屏的连接采用了4 位数据线的形式, 有效节省了单片机的I/ O 引脚资源。键盘采用4 个按键, 分别是设置、+ 、- 、确定键。要设置参数时, 在正常测量状态按设置键进入, 通过+ 、- 键在各参数间进行切换, 按确定键进入具体数值的设置, 主要是设置时间和报警的瞬时流量上下限, 通过+ 、- 来完成数值+ 1、- 1 操作, 完成后按确定, 此时按下设置键退回参数选择, 再次按下设置键回到正常测量状态。因此采用了独立式按键, 每个键单独占有1 根I/ O 口线。
2..5 .. 信号输出与通讯接口
智能电磁流量计共有3 种输出形式: 标准电流输出、频率输出、报警输出。电磁流量计的瞬时流量和总流量计算后, 在完成自身显示的同时, 还需传送到控制室。标准电流输出采用4~ 20 mA 形式, 是通过MSC1211 自带的16 位数模转换器把测量值转换成电压输出, 并通过V/ I 转换电路转换为电流输出。输出电流上下限的确定通过软件编程来设定。频率输出是一定占空比的脉冲信号, 作为累计总量使用。该设计通过外接定时器来实现频率的输出。流量计还具备了上下限报警输出、空管报警输出功能。当流量输出超过/ 低于用户设定的上限/ 下*, 显示屏显示.. 报警.. 字样, 同时通过单片机的引脚输出信号点亮上限/ 下限报警指示灯来提醒用户。RS- 232 串口用来传送时间、瞬时流量、累计流量、历史数据以及各设定参数。设计过程中, 选用单+ 5 V 电源供电的电平转换电路MAX232 进行RS- 232 电平转换, 并连接到9 芯的D 型插座。
3.. 结束语
该电磁流量计由于采用了高性能的MSC1211 为核心的硬件系统, 简化了外围接口电路的设计, 提高了系统的性价比和模数转换精度; 利用三值方波作为励磁电流抑制了噪声, 提高了仪表的准确度; 通过单片机系统实现了流量的测量与累计, 同时具备了串行通信功能, 可以满足工业测量的要求。
参考文献: [ 1] .. 蔡武昌, 马中元. 电磁流量计. 北京: 中国石化出版社, 2003. [ 2] .. 邓宏彬.MSC121X 系统级单片机原理与应用. 北京: 机械工业出版社, 2004. [ 3] .. 苏凯.MCS- 51 系列单片机系统原理与设计. 北京: 冶金工业出版社, 2003. [ 4] .. 邓湘, 彭黎辉, 姚丹亚, 等. 两线制低功耗流量显示仪设计. 仪表技术与传感器, 2003( 11) : 8- 9. --扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
