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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)：3030 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(cè)量領(lǐng)域，本文針對(duì)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(hào)，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(cè)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(huì)隨流速的變化而變化，易于使智能儀表對(duì)其脈沖流量信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，如果智能儀表不能實(shí)時(shí)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正，則需要對(duì)純凈水流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，否則將產(chǎn)生較大測(cè)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(cè)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)引起的磁場(chǎng)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(hào)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(hào)有一定的噪聲信號(hào)，并且電壓只有幾十毫伏，所以在將信號(hào)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(dòng)態(tài)顯示各種圖形、漢字以及各種符號(hào)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(tái)上位機(jī)*多可以和現(xiàn)場(chǎng)32臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)儀表系數(shù)有著很大的影響，這部分誤差會(huì)*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(duì)純凈水流量計(jì)進(jìn)行重新標(biāo)定。針對(duì)這個(gè)問題，在不同流速下，測(cè)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(duì)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(hào)經(jīng)過調(diào)理電路輸入到微處理器中，并在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(cè)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(huì)隨流速的變化而變化，易于使智能儀表對(duì)其脈沖流量信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，如果智能儀表不能實(shí)時(shí)對(duì)儀表系數(shù)進(jìn)行修正，則需要對(duì)純凈水流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，否則將產(chǎn)生較大測(cè)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(cè)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的推力使渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)引起的磁場(chǎng)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(hào)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(hào)有一定的噪聲信號(hào)，并且電壓只有幾十毫伏，所以在將信號(hào)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(dòng)態(tài)顯示各種圖形、漢字以及各種符號(hào)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(tái)上位機(jī)*多可以和現(xiàn)場(chǎng)32臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)儀表系數(shù)有著很大的影響，這部分誤差會(huì)*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(duì)純凈水流量計(jì)進(jìn)行重新標(biāo)定。針對(duì)這個(gè)問題，在不同流速下，測(cè)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(duì)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(hào)經(jīng)過調(diào)理電路輸入到微處理器中，并在現(xiàn)場(chǎng)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(cè)量精度高，有廣闊的應(yīng)用前景。