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智能純凈水流量計(jì)的功能概況及硬件與程序設(shè)計(jì)
點(diǎn)擊次數(shù)：2896 發(fā)布時(shí)間：2021-09-08 01:52:44
摘要：純凈水流量計(jì)廣泛應(yīng)用于流量測量領(lǐng)域，本文針對純凈水流量計(jì)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于DSP智能純凈水流量計(jì)，它能夠?qū)崟r(shí)采集脈沖信號，并顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)還能通過RS485通信將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至上位機(jī)。智能純凈水流量計(jì)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(jì)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(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用的流量計(jì)量等裝置中。由于純凈水流量計(jì)能夠直接輸出脈沖，且純凈水流量計(jì)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(shí)時(shí)對儀表系數(shù)進(jìn)行修正，則需要對純凈水流量計(jì)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(jì)功能概況
純凈水流量計(jì)屬于速度式流量測量計(jì)，其工作原理是在流體管道內(nèi)安裝渦輪，利用流體流動時(shí)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(shí)，安裝在計(jì)量儀表殼體的電磁感應(yīng)接收器實(shí)時(shí)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(jì)算出管道的實(shí)時(shí)流量。純凈水流量計(jì)其內(nèi)部機(jī)械機(jī)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(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果顯示在液晶屏上，同時(shí)還能夠通過RS485通信向上位機(jī)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(jì)的硬件設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(jī)界面，點(diǎn)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(diǎn)。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(jī)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(jī)*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(diǎn)處理單元，6個(gè)直接內(nèi)存存取通道，支持EMIF，McBSP和ADC，配備總計(jì)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(diǎn)運(yùn)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(fèi)過多時(shí)間和精力，與其他DSP相比，整體性能提高了一倍，并與定點(diǎn)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(jì)的程序設(shè)計(jì)
3.1微處理器功能程序設(shè)計(jì)
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(shí)器/計(jì)數(shù)器、通信端口及基本的時(shí)鐘設(shè)置。程序每秒對接收到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其除以儀表系數(shù)后的結(jié)果作為瞬時(shí)流量，同時(shí)在時(shí)間上對瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，計(jì)算出兩種流量后，將其實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存，**等待上位機(jī)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(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。圖6為微處理器功能設(shè)計(jì)流程圖。
3.2流速修正算法
純凈水流量計(jì)中流速對儀表系數(shù)有著很大的影響，這部分誤差會*大影響*終計(jì)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(shí)，需對純凈水流量計(jì)進(jìn)行重新標(biāo)定。針對這個(gè)問題，在不同流速下，測量了純凈水流量計(jì)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(shí)，采用式（1）進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)流量超過1.1L/s時(shí)，保持儀表系數(shù)恒為69.9。
4結(jié)論
筆者設(shè)計(jì)一種基于DSP的智能純凈水流量計(jì)，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(shí)時(shí)顯示經(jīng)過系統(tǒng)修正的瞬時(shí)流量和累積流量，同時(shí)還可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至上位機(jī)。此智能純凈水流量計(jì)功能強(qiáng)大，測量精度高，有廣闊的應(yīng)用前景。
純凈水流量計(jì)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(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)及民用的流量計(jì)量等裝置中。由于純凈水流量計(jì)能夠直接輸出脈沖，且純凈水流量計(jì)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(shí)時(shí)對儀表系數(shù)進(jìn)行修正，則需要對純凈水流量計(jì)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(jì)功能概況
純凈水流量計(jì)屬于速度式流量測量計(jì)，其工作原理是在流體管道內(nèi)安裝渦輪，利用流體流動時(shí)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(shí)，安裝在計(jì)量儀表殼體的電磁感應(yīng)接收器實(shí)時(shí)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(jì)算出管道的實(shí)時(shí)流量。純凈水流量計(jì)其內(nèi)部機(jī)械機(jī)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(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果顯示在液晶屏上，同時(shí)還能夠通過RS485通信向上位機(jī)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(jì)的硬件設(shè)計(jì)
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(diǎn)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(jī)界面，點(diǎn)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(diǎn)。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(jī)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(jī)*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(diǎn)處理單元，6個(gè)直接內(nèi)存存取通道，支持EMIF，McBSP和ADC，配備總計(jì)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(diǎn)運(yùn)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(fèi)過多時(shí)間和精力，與其他DSP相比，整體性能提高了一倍，并與定點(diǎn)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(jì)的程序設(shè)計(jì)
3.1微處理器功能程序設(shè)計(jì)
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(shí)器/計(jì)數(shù)器、通信端口及基本的時(shí)鐘設(shè)置。程序每秒對接收到的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，其除以儀表系數(shù)后的結(jié)果作為瞬時(shí)流量，同時(shí)在時(shí)間上對瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，計(jì)算出兩種流量后，將其實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存，**等待上位機(jī)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(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。圖6為微處理器功能設(shè)計(jì)流程圖。
3.2流速修正算法
純凈水流量計(jì)中流速對儀表系數(shù)有著很大的影響，這部分誤差會*大影響*終計(jì)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(shí)，需對純凈水流量計(jì)進(jìn)行重新標(biāo)定。針對這個(gè)問題，在不同流速下，測量了純凈水流量計(jì)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(shí)，采用式（1）進(jìn)行計(jì)算；當(dāng)流量超過1.1L/s時(shí)，保持儀表系數(shù)恒為69.9。
4結(jié)論
筆者設(shè)計(jì)一種基于DSP的智能純凈水流量計(jì)，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(shí)時(shí)顯示經(jīng)過系統(tǒng)修正的瞬時(shí)流量和累積流量，同時(shí)還可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至上位機(jī)。此智能純凈水流量計(jì)功能強(qiáng)大，測量精度高，有廣闊的應(yīng)用前景。