智能純凈水流量計的功能概況及硬件與程序設(shè)計
點擊次數(shù)：3598 發(fā)布時間：2021-09-08 01:52:44
摘要：純凈水流量計廣泛應(yīng)用于流量測量領(lǐng)域，本文針對純凈水流量計的特點設(shè)計了一種基于DSP智能純凈水流量計，它能夠?qū)崟r采集脈沖信號，并顯示在液晶顯示屏上，同時還能通過RS485通信將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至上位機。智能純凈水流量計內(nèi)置儀表系數(shù)修正算法，能夠消除流變化導(dǎo)致儀表系數(shù)變化而產(chǎn)生的誤差。
純凈水流量計廣泛用于流量測量領(lǐng)域，具有安裝簡便、精度較高、能夠直接進(jìn)行脈沖輸出等特點，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用的流量計量等裝置中。由于純凈水流量計能夠直接輸出脈沖，且純凈水流量計的儀表系數(shù)會隨流速的變化而變化，易于使智能儀表對其脈沖流量信號進(jìn)行現(xiàn)場處理，如果智能儀表不能實時對儀表系數(shù)進(jìn)行修正，則需要對純凈水流量計進(jìn)行標(biāo)定，否則將產(chǎn)生較大測量誤差。
1純凈水流量計功能概況
純凈水流量計屬于速度式流量測量計，其工作原理是在流體管道內(nèi)安裝渦輪，利用流體流動時產(chǎn)生的推力使渦輪葉片轉(zhuǎn)動，渦輪的轉(zhuǎn)速和流體的流速將成正比例關(guān)系，同時，安裝在計量儀表殼體的電磁感應(yīng)接收器實時接收由葉輪轉(zhuǎn)動引起的磁場變化而產(chǎn)生的脈沖，智能儀表收集到脈沖之后進(jìn)行濾波放大，即可通過簡單的比例關(guān)系計算出管道的實時流量。純凈水流量計其內(nèi)部機械機構(gòu)見圖1。
智能儀表以DSP為處理器，它采集到渦輪流量傳感器傳送的脈沖信號后通過濾波放大后在處理器內(nèi)進(jìn)行運算，并將運算結(jié)果顯示在液晶屏上，同時還能夠通過RS485通信向上位機遠(yuǎn)傳流量信息。圖2為渦輪流量智能儀表的內(nèi)部功能模塊結(jié)構(gòu)圖。
2智能純凈水流量計的硬件設(shè)計
2.1渦輪脈沖輸入調(diào)理電路
由于渦輪流量傳感器產(chǎn)生的電脈沖信號有一定的噪聲信號，并且電壓只有幾十毫伏，所以在將信號輸入到DSP處理器之前進(jìn)行濾波、整形和放大。*82頁圖3為渦輪脈沖輸入調(diào)理電路。
2.2液晶顯示
液晶選擇12864點陣式液晶，它能夠動態(tài)顯示各種圖形、漢字以及各種符號信息，為各種電子產(chǎn)品提供了友好的人機界面，點陣式圖形液晶顯示屏具有工作電壓低、功耗低、可視面積大、體積小、無電磁干擾、數(shù)字接口、使用壽命長等特點。圖4為液晶顯示電路原理圖。
2.3RS485通信
RS485接口組成半雙工網(wǎng)絡(luò)，選擇兩線制與上位機電腦相連，采用屏蔽雙絞線傳輸。通信系統(tǒng)整體為總線式結(jié)構(gòu)，這樣1臺上位機*多可以和現(xiàn)場32臺智能儀表相連。采用MAX485芯片完成電壓轉(zhuǎn)換，圖5為RS485通信電路原理圖。
2.4DSP微處理器
TMS320F28335具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個直接內(nèi)存存取通道，支持EMIF，McBSP和ADC，配備總計18路PWM波輸出端口，其中有6路為專用超高精度的PWM輸出，12位16通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元。由于TMS320F28335具備浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多時間和精力，與其他DSP相比，整體性能提高了一倍，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化了軟件開發(fā)，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。
3智能純凈水流量計的程序設(shè)計
3.1微處理器功能程序設(shè)計
上電后程序?qū)SP的硬件資源進(jìn)行初始化，包括中斷系統(tǒng)、GPIO口、定時器/計數(shù)器、通信端口及基本的時鐘設(shè)置。程序每秒對接收到的脈沖進(jìn)行計數(shù)，其除以儀表系數(shù)后的結(jié)果作為瞬時流量，同時在時間上對瞬時流量進(jìn)行累積，計算出兩種流量后，將其實時顯示在液晶顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)保存，**等待上位機電腦對數(shù)據(jù)的讀取。通信采用MODBUS協(xié)議，波特率為9600b/s，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。圖6為微處理器功能設(shè)計流程圖。
3.2流速修正算法
純凈水流量計中流速對儀表系數(shù)有著很大的影響，這部分誤差會極大影響*終計量的精確度，傳統(tǒng)的做法是當(dāng)流速發(fā)生較大的持續(xù)變化時，需對純凈水流量計進(jìn)行重新標(biāo)定。針對這個問題，在不同流速下，測量了純凈水流量計的儀表系數(shù)（見表1）。
繼續(xù)增大流量，儀表系數(shù)基本保持不變，故對0.4～1L/s內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，得到擬合函數(shù)
Y=5+52.16X+16.9X2-116.22X3+83.34X4.（1）
其中自變量為流量，因變量為儀表系數(shù)。當(dāng)流量介于0.4～1L/s時，采用式（1）進(jìn)行計算；當(dāng)流量超過1.1L/s時，保持儀表系數(shù)恒為69.9。
4結(jié)論
筆者設(shè)計一種基于DSP的智能純凈水流量計，它能夠?qū)u輪流量傳感器的脈沖信號經(jīng)過調(diào)理電路輸入到微處理器中，并在現(xiàn)場實時顯示經(jīng)過系統(tǒng)修正的瞬時流量和累積流量，同時還可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至上位機。此智能純凈水流量計功能強大，測量精度高，有廣闊的應(yīng)用前景。
純凈水流量計廣泛用于流量測量領(lǐng)域，具有安裝簡便、精度較高、能夠直接進(jìn)行脈沖輸出等特點，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用的流量計量等裝置中。由于純凈水流量計能夠直接輸出脈沖，且純凈水流量計的儀表系數(shù)會隨流速的變化而變化，易于使智能儀表對其脈沖流量信號進(jìn)行現(xiàn)場處理，如果智能儀表不能實時對儀表系數(shù)進(jìn)行修正，則需要對純凈水流量計進(jìn)行標(biāo)定，否則將產(chǎn)生較大測量誤差。
1純凈水流量計功能概況
純凈水流量計屬于速度式流量測量計，其工作原理是在流體管道內(nèi)安裝渦輪，利用流體流動時產(chǎn)生的推力使渦輪葉片轉(zhuǎn)動，渦輪的轉(zhuǎn)速和流體的流速將成正比例關(guān)系，同時，安裝在計量儀表殼體的電磁感應(yīng)接收器實時接收由葉輪轉(zhuǎn)動引起的磁場變化而產(chǎn)生的脈沖，智能儀表收集到脈沖之后進(jìn)行濾波放大，即可通過簡單的比例關(guān)系計算出管道的實時流量。純凈水流量計其內(nèi)部機械機構(gòu)見圖1。
智能儀表以DSP為處理器，它采集到渦輪流量傳感器傳送的脈沖信號后通過濾波放大后在處理器內(nèi)進(jìn)行運算，并將運算結(jié)果顯示在液晶屏上，同時還能夠通過RS485通信向上位機遠(yuǎn)傳流量信息。圖2為渦輪流量智能儀表的內(nèi)部功能模塊結(jié)構(gòu)圖。
2智能純凈水流量計的硬件設(shè)計
2.1渦輪脈沖輸入調(diào)理電路
由于渦輪流量傳感器產(chǎn)生的電脈沖信號有一定的噪聲信號，并且電壓只有幾十毫伏，所以在將信號輸入到DSP處理器之前進(jìn)行濾波、整形和放大。*82頁圖3為渦輪脈沖輸入調(diào)理電路。
2.2液晶顯示
液晶選擇12864點陣式液晶，它能夠動態(tài)顯示各種圖形、漢字以及各種符號信息，為各種電子產(chǎn)品提供了友好的人機界面，點陣式圖形液晶顯示屏具有工作電壓低、功耗低、可視面積大、體積小、無電磁干擾、數(shù)字接口、使用壽命長等特點。圖4為液晶顯示電路原理圖。
2.3RS485通信
RS485接口組成半雙工網(wǎng)絡(luò)，選擇兩線制與上位機電腦相連，采用屏蔽雙絞線傳輸。通信系統(tǒng)整體為總線式結(jié)構(gòu)，這樣1臺上位機*多可以和現(xiàn)場32臺智能儀表相連。采用MAX485芯片完成電壓轉(zhuǎn)換，圖5為RS485通信電路原理圖。
2.4DSP微處理器
TMS320F28335具有150MHz高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個直接內(nèi)存存取通道，支持EMIF，McBSP和ADC，配備總計18路PWM波輸出端口，其中有6路為專用超高精度的PWM輸出，12位16通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元。由于TMS320F28335具備浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多時間和精力，與其他DSP相比，整體性能提高了一倍，并與定點C28x控制器軟件兼容，從而簡化了軟件開發(fā)，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。
3智能純凈水流量計的程序設(shè)計
3.1微處理器功能程序設(shè)計
上電后程序?qū)SP的硬件資源進(jìn)行初始化，包括中斷系統(tǒng)、GPIO口、定時器/計數(shù)器、通信端口及基本的時鐘設(shè)置。程序每秒對接收到的脈沖進(jìn)行計數(shù)，其除以儀表系數(shù)后的結(jié)果作為瞬時流量，同時在時間上對瞬時流量進(jìn)行累積，計算出兩種流量后，將其實時顯示在液晶顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)保存，**等待上位機電腦對數(shù)據(jù)的讀取。通信采用MODBUS協(xié)議，波特率為9600b/s，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。圖6為微處理器功能設(shè)計流程圖。
3.2流速修正算法
純凈水流量計中流速對儀表系數(shù)有著很大的影響，這部分誤差會極大影響*終計量的精確度，傳統(tǒng)的做法是當(dāng)流速發(fā)生較大的持續(xù)變化時，需對純凈水流量計進(jìn)行重新標(biāo)定。針對這個問題，在不同流速下，測量了純凈水流量計的儀表系數(shù)（見表1）。
繼續(xù)增大流量，儀表系數(shù)基本保持不變，故對0.4～1L/s內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合，得到擬合函數(shù)
Y=5+52.16X+16.9X2-116.22X3+83.34X4.（1）
其中自變量為流量，因變量為儀表系數(shù)。當(dāng)流量介于0.4～1L/s時，采用式（1）進(jìn)行計算；當(dāng)流量超過1.1L/s時，保持儀表系數(shù)恒為69.9。
4結(jié)論
筆者設(shè)計一種基于DSP的智能純凈水流量計，它能夠?qū)u輪流量傳感器的脈沖信號經(jīng)過調(diào)理電路輸入到微處理器中，并在現(xiàn)場實時顯示經(jīng)過系統(tǒng)修正的瞬時流量和累積流量，同時還可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至上位機。此智能純凈水流量計功能強大，測量精度高，有廣闊的應(yīng)用前景。