基于单片机的无磁传感水表的设计

来源：个人技术集锦

　　　　　　　　　传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)　　　　　　　　　2006年第25卷第3期54

基于单片机的无磁传感水表的设计

黎洪生,张　英

(武汉理工大学自动化学院,湖北武汉430070)

摘　要:介绍了一种新型低功耗无磁水表的设计。对水量的各种测量方法进行了比较分析,并详细叙述了无磁传感器利用LC振荡电路来测量水量的原理。主控器采用目前国际上功耗最低的MSP430FW427单片机,该单片机能够利用内部流量扫描模块(SCANIF)有效地转换振荡波形,不需要外部流量检测IC,提高测量的精度和灵敏度。重点说明了如何利用MSP430FW单片机实现水量检测的原理和相关部分的软件、硬件设计及系统低功耗的实现方法。关键词:LC振荡;无磁水表;低功耗中图分类号:TP273　　　文献标识码:B　　　文章编号:1000-9787(2006)03-0054-03

Designofnonmagneticwatermeterbasedonchip

microcomputer

LIHong2sheng,ZHANGYing

(SchoolofAutomation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Abstract:Designofanewtypeofwatermeterwithnonmagneticandlowpowerisdescribed.Allkindsofflowmeasurementsareanalyzed,andtheprincipleofthenonmagneticsensorwhichusesLCoscillatingcircuittomeasurewaterflowarediscussedindetail.TheMSP430FW427isusedascontrolMCU.ThefunctionisrealizedbytheSCANIFmodulewithoutICcircuitexternal,whichimprovestheprecisionandsensitivityofflowmeasurement.Therealizationofthefluidflowmeasurementandthecorrelativedesignofhardwareandsoftwareareintroduced.Keywords:LCoscillatingcircuit;watermeterwithnonmagnetic;lowpower

0　引　言

计量和判断水流。在一般的振荡电路中,首先,让电容器充满电,然后,通过开关切换将电容器单独串联到和电感器组成的回路中。如果忽略电感器的电阻和回路的所有损耗,则构成一个无损耗的LC回路的理想情况,这时,将在回路中产生自由振荡。根据能量守恒定律可知,这时,电感器的磁能应等于电容器放电前的电能。理想情况下的LC回路的自由振荡将无休止的进行下去。

而实际上的振荡总是有衰减的,利用振荡衰减程度的不同判断当前传感器所处的状态,就可以达到测量水量的目的。具体实现是通过在机表中安装一个随着水的流动而转动的圆盘,如图1所示,这个圆盘上有一半是镀有导电性能良好的金属,而另一半是没有镀金属的。当流体流动带动转盘转动时,电感在转盘表面的位置也随的转盘转动而交替变化[2]。单片机控制系统的主CPU采用MSP430FW427,其内部扫描模块(SCANIF)能够在低功耗下自动检测转盘的旋转运动。SCANIF模块由三部分组成:模拟前端

(AFE)、信号处理状态机(PSM)、定时状态机(TSM)。定

水资源危机导致整个社会对水的重视程度越来越高,使得水资源管理信息系统的建立显得非常重要[1]。水量的计量与采集是水资源系统可靠性与稳定性的基本保证,随着近年来传感器技术地不断发展以及应用领域不断拓宽,水量的测量方法也越来越多。早期的流量计多是采用干簧管、霍尔元件、韦根传感器,但由于干黄管固有的机械特性、使用寿命及抗振性受到影响;而霍尔元件是电流太大,也存在低或高流速的频率响应问题;韦根传感器存在磁阻大的缺点,极易吸附住叶轮增加始动流量,且价格太贵。以上几种传感器都是带有磁特性的电子元件,在磁场作用下发出脉冲信息,因此,不可避免地会受到磁干扰。而本文设计的无磁传感水表是利用LC振荡电路进行采样,而不是利用电磁原理记录水量,可以克服上述传感器的一些缺点,有其一定的应用推广价值。

1　利用LC振荡来计量水量的原理

用LC传感器来测量水量利用的就是LC振荡原理来

收稿日期:2005-11-03

第3期　　　　　　　　　　　　　　黎洪生等:基于单片机的无磁传感水表的设计　　　　　　　　　　　　　　　55时状态机用来控制模拟前端和信号处理状态机;模拟前端用来激励LC传感器、检测信号电平,并把信号转换为数字形式,这些数字信号进入信号处理状态机,然后,由信号处理状态机计算出转动(流体流量)和它的方向。

为MCU能够分辨的0或1信号,检测方法是直接对衰减振荡期间的电压进行比较分析,在LC激励电路断开后,延时一个规定的时间tdelay,等振荡衰减到可以测量区别后,再在规定的tgate时间内把振荡电压和一个预先给定的基准电压

Vref进行比较,能够大于这个基准电压的视为高,始终低于

这个基准电压的视为低,这个基准电压是由MCU的集成

DAC给出的。测量示意图如图2。用一个LC回路仅仅只

图1　用2个LC传感器旋转测量的原理图

Fig1　Principlediagramofrotationmeasurementusing

twoLCsensors

能测量到水在流动而无法知道流向,用2个LC回路才能够测量出流动的方向,通过LC传感器1或者LC传感器2新状态和旧状态的高低电平的变化判断旋转的方向。图3是转换后呈现的时序图。　　单片机内部扫描模块的模拟前端定时给LC回路激励脉冲信号,使其具有一定的能量以后,再断开激励电路,这时,LC电路就会产生阻尼振荡,振荡总产生在镀金属的半边圆盘上或者没镀金属的半边圆盘上。由于能量的损失振荡总是在不断地衰减的,衰减振荡遵循以下公式

-t

V(t)=V0・e・cosωt,

式中　V(t)为振荡电压,V;ω为衰减振荡中角频率,rad/s;

V0为激励电压,V;δ为阻尼系数;阻尼振荡中的角频率ω

图3　旋转测量的转换结果

Fig3　Changeresultofrotationmeasurement

取决于阻尼系数,即

ω=

ω20,0-δ<ω

　　如果以逆时针旋转为正向,可以把当传感器1和传感器2从状态d改变到状态a时认为是水量增加1个单位,把从状态b改变到状态a时认为是水量减少1个单位。把前一次状态到当前状态转变的所有可能及相应的运动状态列成状态表,存储在MSP430FW427存储器中,信号处理状态机则根据采集到的传感器状态对应状态表中给出的每种情况计算出转盘转动的方向和转动圈数N,再由Q(L)=

N/K(其中,K为仪表常数,且K=N/L)得出流过仪表的水

ω0=式中　

1LC,为LC回路的谐振的角频率。可以看出:

如果镀了可导电金属的圆盘部分处于电感线圈的磁场内,由于可导电金属的存在影响了阻尼系数δ的大小,衰减振荡的频率将受到影响,衰减明显会更快些,振荡波形如图2所示。

量Q,从而达到计量水量的目的。

2　无磁传感水表的系统设计

2.1　硬件设计

使用MSP430FW427单片机开发的无磁传感水表的系统硬件原理框图如图4,主要包括MSP430FW427单片机、无磁传感检测电路、LCD显示电路、电源管理电路、IC卡读写电路及阀门执行电路等。

图2　波形测量示意图

Fig2　Schemeofwaveformmeasurement

图4　系统硬件原理图

Fig4　Principlediagramofsystemhardware

　　MSP430FW427利用SCANIF把不同的振荡波形转换

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　　系统直接采用单片机的内部流量扫描模块(SCAN

IF),不需要外部流量检测IC,流量采集部分只需要一个安

进行相应的数据处理后,就自动进入关断模式,此时的系统处于节能低功耗模式(LPM3),晶振、LCD驱动器、16位定时器和内部流量扫描模块(ScanIF)继续工作,而CPU停止活动,直至外部中断事件使其从睡眠状态唤醒,进入活动模式。

3　试验结果

装在机表中的转盘和几个电感器、电容器就可以。不同的电容器和电感器组合会产生不同的共振频率,采样时间最好控制在能够明显区分衰减与不衰减电压变化最大时的附近。通过测试比较,若电容采用1nF,电感采用47μH,测量的频率设置为13.73ms,可以达到较准确的测量结果。软件、硬件设计简单,且系统稳定。LCD显示部分采用

4-MUX的驱动方式,利用MSP430FW427自身驱动LCD96

在常温下,以自来水作为标定介质,采用容积法对无磁传感水表进行了测试,通过比较标准计量筒和被测表所测量的水量来检定被测表在各测量点的测量误差,即

a.标准计量筒记录的水量Q0;b.被测表记录的水量Q;

c.误差δ=(Q-Q0)/Q0×100%;段来完成与单片机系统的显示接口,以显示用水量信息、水表的工作状态及其他的一些必要信息等。电源管理电路主要是为了降低功耗、延长电池使用寿命而设计的。当单片机检测到电池电压小于某一特定值时,将触发低电检测中断。IC卡读写电路是采用SIEMENS的SLE4442的逻辑加密卡作为通信方式。通过IC卡在管理系统和下位机之间传输重要数据。阀门执行电路可用步进电机、直流电机、电磁阀等加上驱动电路来实现。用直流电机控制水龙头阀门的开和关,通过堵断电流判断电机是否已到位。

d.测试水量分别设定为10,20,30,50,100L,分别测量5次,并计算出每次的流量误差,取其算术平均值作为该流

量点的测量误差。试验结果如表1所示。

表1　无磁传感水表试验结果

Tab1　Experimentalresultofnonmagneticwatermeter

标准水量Q0

(L)10203050100

10.30720.12930.13349.555

实测水量Q

(L)

10.074

9.962

10.01910.05620.09219.88829.92230.156

测量误差δ

(%)0.6300.5560.125

2.2　软件设计

MSP430系列单片机是一种超低功耗控制器,可以在1.8～3.6V的低电源电压情况下工作,它的每一系列根据

20.07419.92529.89230.08550.14849.944

不同的需要由不同的模块组成。针对不同的超低功耗应用开发出了不同功耗的工作模式。其超低功耗的各种实现是通过各模式的智能化运行管理和CPU的状态组合而得到的[3]。

结合该单片机的低功耗特点系统软件由主程序和中断处理程序组成,主程序流程如图5所示。主程序在初始化后,进入一个无限循环的睡眠状态。当外围模块的中断程序被触发后,主程序马上苏醒过来,进入相应的中断处理子程序,之后,再进入睡眠状态[4]。在进行流量检测的过程中,系统处于单步模式,LC传感器每完成一次流量测量并

49.44450.259-0.260

0.366

101.356100.85099.156101.19599.264

4　结　论

采用TI公司MSP30FW427芯片制作的无磁水表,具有功耗低(静态电流小于4μA)、测量流量范围宽、精度高、稳定性和一致性好的特点,尤其在小流量下,亦保持了很高的测量精度,同时,不受各类水锈、杂质的影响,特别适合在水质较差的供热环境下长期使用,而不影响测量精度,是当今流量检测系统设计的方向,可广泛应用于水资源管理信息系统中。参考文献:

[1]　樊　军.水表大规模更新的时代已经来临[J].给水排水,

2005,(1):7.

[2]　金海龙,潘　勇.新型智能热量表的开发研究[J].传感技术

学报,2005,6(2):350-352.

[3]　胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].

北京:北京航空航天大学出版社,2002.9-23,46-83.

[4]　胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北

京:北京航空航天大学出版社,2003:56-177.

作者简介:

图5　主程序流程图

Fig5　Flowchartofmainprogram

黎洪生(1961-),男,湖北洪湖人,教授,博士生导师,主要研究嵌入式控制与分布式控制,基于网络的远程控制与智能诊断,智能控制智能仪表。

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