低功耗電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)電磁流量計(jì)大多采用交流 220 V 或直流 24 V 供電，勵(lì)磁電流高達(dá) 250 mA 左右，耗能高，成本高。文中設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F4794 單片機(jī)的低功耗電磁流量計(jì)，采用 3． 6 V 鋰電池供電，勵(lì)磁方式采用三值梯形波勵(lì)磁，勵(lì)磁電流僅為 30 mA。圍繞低功耗詳細(xì)敘述了 DC － DC 升降壓電路、三值梯形波勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路、MSP430F4794 單片機(jī)控制及外圍電路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該電磁流量計(jì)能夠滿足用戶需求。

0.引言

電磁流量計(jì)是一種基于法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表。由于其測(cè)量不受介質(zhì)性能的影響、無(wú)壓力損失和抗腐蝕性等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 。傳統(tǒng)電磁流量計(jì)功率大、耗能高，無(wú)法滿足低功耗的要求，且大多采用低頻兩值矩形波勵(lì)磁，由于矩形波存在電平突變，磁場(chǎng)變化率 dB / dt 過(guò)高，引入微分干擾和同相干擾，同時(shí)兩值勵(lì)磁容易引起零點(diǎn)不穩(wěn)導(dǎo)致電磁流量計(jì)無(wú)法測(cè)量小流量導(dǎo)電液體，測(cè)量范圍受到限制。

本文在對(duì)傳統(tǒng)電磁流量計(jì)大量研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種鋰電池供電的低功耗電磁流量計(jì)，供電電壓為 3． 6 V，勵(lì)磁電流 30 mA，功耗大大降低，相對(duì)于傳統(tǒng)勵(lì)磁方式，采用三值梯形波勵(lì)磁，減小了微分干擾和同相干擾，同時(shí)提高了零點(diǎn)穩(wěn)定性和測(cè)量精度。

1.原理

BSD 外，還包含了微分干擾、同相干擾等各種干擾信號(hào)，根據(jù)以往的資料和經(jīng)驗(yàn)，共模干擾 ec 、串模干擾 ed 和直流干擾 es 可以通過(guò)電路靜電屏蔽、良好接地等方法得到很好的抑制和降低。傳統(tǒng)低頻矩形波勵(lì)磁時(shí)，電平躍變，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 躍變，磁感應(yīng)強(qiáng)度的微分和二次微分趨向于無(wú)窮大，即微分干擾和同相干擾趨向于無(wú)窮大，測(cè)量導(dǎo)電液體時(shí)會(huì)覆蓋有用信號(hào)，影響測(cè)量精度。為了減少躍變引起的干擾，采用新型的低頻三值梯形波勵(lì)磁，勵(lì)磁頻率設(shè)定為 6． 25 Hz，為工頻的 18 ，可對(duì)工頻干擾起到正負(fù)抵消的作用。如圖 1 所示，電流不是陡升或陡降，而是有一定的斜度，減小了因電平突變引入的干擾。每隔 10 s 測(cè)量一次信號(hào)，減少功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖 2 所示，主要由 DC-DC 升降壓電路、勵(lì)磁電路、流量信號(hào)調(diào)理電路以及 MSP430F4794 單片機(jī)等部分構(gòu)成。鋰電池為整個(gè)電路提供電源，選用兩節(jié)一次性鋰電池并聯(lián)使用，型號(hào) EＲ34615H，標(biāo)稱電壓 3． 6 V，標(biāo)稱容量為 19 AH，儲(chǔ)存壽命超過(guò) 10 年; 鋰電池輸出電壓經(jīng) DC-DC 升降壓電路轉(zhuǎn)換成3． 3 V和 ± 5 V 供勵(lì)磁電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、液晶等使用; 勵(lì)磁電路輸出恒定電流給電磁流量傳感器的勵(lì)磁線圈，線圈感生出恒定磁場(chǎng)，流體流過(guò)測(cè)量管道切割磁力線，傳感器的一對(duì)電極感生出電壓; 電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路濾波放大后，由單片機(jī) A / D 采集; 超低功耗的 MSP430F4794 單片機(jī)為系統(tǒng)電路的控制核心，控制勵(lì)磁電路輸出三值梯形波，完成流量信號(hào)的運(yùn)算以及液晶的顯示和按鍵輸入的反饋等。

2． 1 DC-DC 升降壓電路

DC-DC 升降壓電路分為兩種 DC-DC 電路，分別產(chǎn)生 3． 3 V和 ± 5 V，如圖 3 所示。TPS65130 芯片產(chǎn)生 5 V，該芯片在低負(fù)載時(shí)有 Power-Save Mode，由于 ± 5 V 主要使用在放大器上，所以電路中使能此種模式，轉(zhuǎn)換效率達(dá) 90% 以上，同時(shí)該芯片可通過(guò)單片機(jī)的 P1． 0 和 P1． 1 來(lái)使能轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)關(guān)閉轉(zhuǎn)換電路時(shí)，該芯片會(huì)與負(fù)載斷開(kāi)，進(jìn)一步減少功耗。TPS62736 芯片產(chǎn)生3． 3 V，該芯片是超低功耗的降壓轉(zhuǎn)換器，針對(duì) 50 mA 的輸出電流進(jìn)行了優(yōu)化，靜態(tài)電流只有 380 nA，轉(zhuǎn)換效率在 90% 以上，與 TPS65130 一樣可以通過(guò)單片機(jī)的 P1． 3 來(lái)切換芯片的兩種狀態(tài) Buck Mode 和 Standby Mode，Buck Mode 為正常轉(zhuǎn)換狀態(tài)，

Standby Mode 則關(guān)閉轉(zhuǎn)換器以減少功耗，同時(shí)該芯片可以檢測(cè)輸入電壓的高低，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時(shí)，可以通過(guò) P1． 2 向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，從而當(dāng)電池沒(méi)有電的時(shí)候提醒用戶更換。

2． 2 梯形波勵(lì)磁電路

梯形波勵(lì)磁電路如圖 4 所示。電壓 3． 3 V 為 DC-DC 芯片

降壓后得到，傳統(tǒng)電磁流量計(jì)大多采用 24 V 勵(lì)磁，此電路只需要 3． 3 V 是由于采用了 DMC2004 芯片，該芯片內(nèi)部含有 1 個(gè) NMOS 管和 1 個(gè) PMOS 管，開(kāi)啟電壓小于 1 V，當(dāng) Vgs 大于 1． 2 V 時(shí)，NMOS 導(dǎo)通電阻小于 0． 035 Ω，PMOS 的導(dǎo)通電阻小于 0． 065 Ω，耗能少，符合低功耗的要求。

恒流源電路采用低功耗放大器 TLC2252，電流大小為 Uz /Ｒ3 ，該電路取 Ｒ3 =39 Ω，恒流源約為 30 mA． LM385、Ｒ1 和 C1  是

梯形波形成的關(guān)鍵，LM385 為低功耗的參考電壓芯片，C1 充電到參考電壓 1． 235 V，形成梯形的一邊，放電時(shí)形成另一邊。

P2． 0、P2． 1、P2． 2 的邏輯曲線如圖 5 所示。

t1 時(shí)段，P2． 1 高電平，P2． 2 低電平，T2 、T3 導(dǎo)通，T1 、T4 截止，勵(lì)磁線圈 L1 上的電流由 B 到 A( 假設(shè)從 B 到 A 為正) ，T2 、T3 導(dǎo)通的同時(shí)，P2． 0 由低電平變?yōu)楦唠娖?，電?nbsp;C1  開(kāi)始充電，Uz 由 0 近似線性增加，上升速率由 Ｒ1 ，C1 參數(shù)決定，當(dāng)電壓增加到 1． 235 V 時(shí)，LM385 開(kāi)始導(dǎo)通，穩(wěn)定在 1． 235 V，這個(gè)過(guò)程勵(lì)磁線圈電流也由 0 上升到 30 mA，并穩(wěn)定在 30 mA; t2 時(shí)段，P2． 1、P2． 2 電平維持不變，P2． 0 由高電平變成低電平，C1 放電，Uz 線性降低，電流也從 30 mA 降到 0; t3 時(shí)段，P2． 1、P2． 2 都為高電平，T1 、T2 都截止，勵(lì)磁線圈 L1 上的電流為 0; T4 時(shí)段，P2． 1 低電平、P2． 2 高電平，T1 、T4 導(dǎo)通，T2 、T3 截止，勵(lì)磁線圈 L1 上的電流由 A 到 B，T1 、T4 導(dǎo)通的同時(shí)，P2． 0 由低電平變?yōu)楦唠娖?，電?C1 充電，電流從 0 下降到 － 30 mA，并穩(wěn)定在 － 30 mA; t5 時(shí)段，P2． 1、P2． 2 電平維持不變，P2． 0 由高電平變成低電平，C1 放電，Uz 線性降低，電流也從 － 30 mA 上升到 0; t6 時(shí)段，P2．1、P2． 2 都變?yōu)楦唠娖剑琓1 、T2 截止，勵(lì)磁線圈 L1 上的電流又變?yōu)?。經(jīng)過(guò) t1 到 t6 一個(gè)周期，形成了 1—0— － 1—0 的三值梯形波。

2． 3 流量信號(hào)調(diào)理電路

電磁流量傳感器電極兩端輸出的感應(yīng)電壓信號(hào)相當(dāng)微弱，屬于微伏級(jí)信號(hào)，測(cè)量難度大，且感應(yīng)信號(hào)中包含了各種各樣的干擾成分，如式( 1) 中的共模干擾、串模干擾等。本文設(shè)計(jì)了圖 6 所示的流量信號(hào)調(diào)理電路，把流量信號(hào)從干擾中檢測(cè)出來(lái)，電路包括儀用放大電路、低通濾波電路、二次放大電路以及電位提升電路等 。

信號(hào)在進(jìn)入處理電路前使用對(duì)稱的電容進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)濾波，去除夾雜在信號(hào)中的直流分量。傳感器流量信號(hào)內(nèi)阻可達(dá)MΩ 級(jí)別，所以在選用放大器時(shí)應(yīng)選擇輸入電阻高的放大器，同時(shí)為消除共模干擾，電路中使用低功耗的 INA128 儀用放大器來(lái)進(jìn)行放大，INA128 只需要改變電阻 Ｒg 的值就可獲得不同的放大倍數(shù)，但在這里，信號(hào)中仍然含有干擾信號(hào)，所以放大器的放大倍數(shù)不宜取得太高，防止信號(hào)放大失真，為此取 Ｒg 為5 kΩ的精密電阻，設(shè)計(jì)信號(hào)放大倍數(shù)為 11 倍，放大后的信號(hào)中仍含有多種頻率成分的噪聲，在這種情況下就要采用濾波措施，增加系統(tǒng)的信噪比。濾波電路采用單位增益的二階巴特沃斯低通濾波器，在梯形波形勵(lì)磁電路中勵(lì)磁頻率為 6． 25 Hz，所以有用信號(hào)的頻率也應(yīng)該為 6． 25 Hz，在此設(shè)計(jì)的低通濾波器的截止頻率為 33． 9 Hz。二次放大電路采用簡(jiǎn)單的同向放大電路，放大倍數(shù) 100 倍。信號(hào)經(jīng)兩次放大后，仍不滿足 A / D 采樣的要求，所以采用加法電路把電壓提升，在電路中，放大后的信號(hào)與

VＲEF( 由 LM385 得到) 相加，使流量信號(hào)在 0． 6 V 上下波動(dòng)。

2． 4 單片機(jī)及外圍電路

單片機(jī)采用超低功耗的 MSP430F4794，該單片機(jī)有一種活動(dòng)模式和五種低功耗模式，在活動(dòng)模式***大電流 560 μA，

在低功耗模式***小電流可達(dá) 0． 1 μA． 在勵(lì)磁時(shí)，每隔 10 s 單片機(jī)進(jìn)入活動(dòng)模式，且只持續(xù) 160 ms，其它時(shí)間則進(jìn)入低功耗模式。芯片內(nèi)部自帶 16 位的 A / D，測(cè)量精度高。內(nèi)部配備了***大可驅(qū)動(dòng) 160 個(gè)段的 LCD 驅(qū)動(dòng)模塊，與低功耗的段式液晶相連，實(shí)現(xiàn)流量的顯示。電路中設(shè)置了 4 個(gè)按鍵，可以在流量和累計(jì)流量之間切換，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置等。

3.軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括主程序、初始化子程序、中斷子程序、按鍵子程序、液晶顯示子程序等。

圍繞低功耗，程序流程圖如圖 7 所示。程序中每隔 10 s 進(jìn)行一次勵(lì)磁，單片機(jī) A / D 采樣，計(jì)算顯示后單片機(jī)休眠，進(jìn)入低功耗模式。由于傳感器是感性線圈，即使采用三值梯形波勵(lì)磁，在勵(lì)磁電流變化時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，圖 5 中的電壓曲線即為此在程序中 A / D 采樣時(shí)忽略這部分波動(dòng)，只采樣中間的部分，多次采樣取平均值同時(shí)采用動(dòng)態(tài)零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ蟮?**終的勵(lì)磁電壓 U = ( u1 － u2 ) － ( u12 － u11 ) ，這種方法可以消除動(dòng)態(tài)的零點(diǎn)漂移，提高了測(cè)量精度。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，使用的實(shí)驗(yàn)裝置可以調(diào)節(jié)流速，一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)的液體質(zhì)量可以稱重，通過(guò)計(jì)算來(lái)標(biāo)定流速和累積流量，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量管的直徑為 50 mm，得到以下幾組數(shù)據(jù)，通過(guò) Matlab 軟件生成曲線，如圖 8 所示。從圖中可以看出，在流量較大時(shí)測(cè)量誤差控制在 0． 5% 以內(nèi)，在流量較小時(shí)誤差也控制在 3% 以內(nèi)，該方案在保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了儀表的低功耗。