低功耗渦街流量計的硬件設計

李 勤

(安徽廣播影視職業技術學院，安徽 合肥 230011)

渦街流量計主要用于工業管道介質流體的流量測量，如氣體、液體、蒸氣等介質．其特點是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數的影響．無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小，儀表參數能長期穩定［1］．當前，要求儀表能夠在野外或者危險場所長期穩定工作的要求越來越迫切，低功耗問題顯得很突出．所以在滿足儀表對功耗苛刻要求的同時，要實現各種復雜參數的測量，就需要考慮控制測量芯片的功耗影響和芯片的性價比，同時還需要選擇合適的高性價比的大容量電池．低功耗渦街流量計就是針對這一具體現實問題而設計的．由于采用4～20 mA輸出方式，要求電源部分及信號處理部分靜態耗電要控制在2 mA以內，單片機處理電路要求靜態耗電在1．5 mA以內．本文介紹了一種采用MSP430F449超低功耗單片機、超低功耗高集成度電子器件、超低功耗LCD液晶顯示器、超低功耗電源電路和信號處理電路等一系列節能設計的渦街流量計處理電路，使儀表可以實現低功耗．如果同時選擇大容量高性價比的電池，那么流量計正常穩定工作的時間可達2年以上．

1 硬件設計

渦街流量計電路的硬件設計應遵循確保性能、縮小外形、方便移動和降低功耗的原則．渦街流量計是一種采用壓電晶體作為檢測元件，輸出與流量成正比的標準信號的流量儀表．該儀表可以直接與DDZ-Ⅲ型儀表系統配套，也可以與計算機及集散系統配套使用，對不同介質的流量參數進行測量［2］．儀表具有結構簡單、通用性好和穩定性高的特點．當流過管道的氣體或液體經過該流量計的流量傳感器后，傳感器將流量信號轉換成電壓信號經過放大處理后送給單片機處理，并進行溫度補償．儀表采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃ ～+250℃的工作溫度范圍內工作．有模擬標準信號，也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種先進、理想的流量儀表［3］．該流量計主要由信號處理電路、功能電路、液晶接口電路、通訊電路、電源電路5部分構成，渦街流量計硬件電路具體如圖1所示．

圖1 渦街流量計硬件框圖

1．1 電源電路設計

1．1．1 串聯穩壓電源設計

穩壓電路用來在交流電源電壓波動或負載變化時穩定直流輸出電壓．采用三極管作為調整管并與負載串聯的穩壓電路稱為串聯型晶體管穩壓電路．穩壓電路的作用是輸入交流電源電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩定．本設計采用CRD恒流二極管實現比較和取樣功能，有效實現低功耗．具體電路如圖2所示．

圖2 CRD串聯穩壓電源

CRD恒流二極管是一種恒定電路電流器件，適用于任何恒流場合，與普通的串聯穩壓電源方案相比有以下優點：

1)電路簡單，只需電源接入恒流二極管穩壓電路即可．電路簡單、體積小，即使空間狹小也可以完全放進去．

2)穩定性高．恒流二極管相當于一個動態電阻，輸出電壓穩定．

3)無EMI干擾問題及低紋波輸出．由于恒流二極管采用了線性電路架構，電路不存在EMI問題及超低紋波輸出．

4)效率高．比使用switching power(電子式電源供應器)的耗能還低，從而提高整個電路的效率．

5)輸出保護．當檢測到輸出電壓升高時CRD自動抑制輸出電流從而保護電源．

6)高、低壓適用．恒流二極管最低耐壓50 V(實際60 V以上)，最高耐壓100 V，高、低壓適用而無需加輔助元件［4］．

實踐證明，采用CRD恒流二極管的串穩電源比普通串穩電源降低功耗20%左右，為有效實現4～20 mA輸出提供了保證．

1．1．2 開關電源設計

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和MOSFET構成．開關穩壓電源的調整管工作在開關狀態，依靠調節調整管導通時間來實現穩壓．由于調整管主要工作在截止和飽和兩種狀態，管耗小，故使穩壓電源的效率明顯提高，可達80%～90%，而且這一效率幾乎不受輸入電壓大小的影響，開關穩壓電源具有很寬的穩壓范圍．電源的主要缺點是輸出電壓中含有較大的紋波．但由于開關電源優點顯著，故發展非常迅速，使用也越來越廣泛．開關電源通常由6大部分組成，工作原理如圖3所示．

圖3 開關電源工作原理框圖

本設計中的渦街流量計采用如圖4所示的開關電源供電，開關調整管Q1和變壓器初級繞組L1參與振蕩過程．當開關調整管Q1工作在飽和導通狀態時，在變壓器初級繞組L1上產生上正下負的感應電動勢，次級繞組L2產生上負下正的感應電動勢，初級繞組L1中的電流逐漸增大;當開關調整管Q1截止時，變壓器初級繞組L1上產生上負下正的感應電動勢，次級繞組L2產生上正下負的感應電動勢，續流二極管VD導通，向負載提供能量，并對電容C17充電．當開關調整管Q1再次導通，續流二極管VD截止時，由電容C17向負載提供能量，從而實現自激振蕩過程．由于電路中采用由 C5、R25、R26、D8組成的串并聯網絡，可濾除開關管集電極的尖峰電壓，對控制回路進行補償及原邊快速復位的作用，能有效地保護開關管不被損壞．

開關電源的使用大大提高了渦街流量計的電源效率，降低了功耗．

圖4 開關電源

1．2 液晶接口電路

1．2．1 LCM103 液晶模塊簡介

LCM103為10位多功能通用型8段式液晶顯示模塊，內含看門狗(WDT)/時鐘發生器．2種頻率的蜂鳴驅動電路，內置顯示RAM，可顯示任意字段筆畫，3～4線串行接口，可與任何單片機、接口進行IC接口．低功耗特性：顯示狀態50 μA(典型值)，省電模式 ＜1 μA，工作電壓 2．4 ～5．2 V．視角對比度可調，顯示清晰，穩定可靠．使用編程簡單，是儀器儀表、手持便攜儀器、電話系列、家用電器、運動器材、醫療保健儀器、智能充電器等的最佳通用型顯示模塊，特別適用于電池供電儀器產品．具體如圖5所示．

圖5 LCM103液晶模塊

該液晶模塊可應用于流量、溫度、壓力等儀表，需要兩行顯示通用儀器儀表，帶14段條碼，可模擬顯示瞬時量，也可座位提示符，將要提示的字符印在條碼右邊的面板上，用以指示某一段右邊字符內容．

模塊上電后，軟件初始化模塊，應延時200 ms以上再送命令．第一寫入模塊專用初始化命令100 0010 0100定義模塊，第二用100 0001 1000命令定義內部RC振蕩方式或100 0001 0100命令定義外部晶體振蕩方式(模塊B處必須焊接32 768 Hz晶體)，第三用100 0000 0001命令開振蕩器，第4用100 0000 0011命令開顯示器．以上四步完成后再送其他命令或顯示數據，對顯示的數據正確與否，可選用讀RAM方式進行校驗．

為實現低功耗的方式，每次讀/寫命令或數據之后，都將/CS、/RD、/WR、DATA 置高電平或懸空．

1．2．2 液晶接口電路設計

液晶模塊是可視化界面的重要組成部分．在該設計中采用了簡單方便實用的3線制串行接口方式，利用 MSP430F449的 P4．0～P4．2來控制液晶模塊進行數據傳輸顯示．

1．3 通訊設計

由于串行通訊方式使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用．在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊．RS-232-C接口(又稱EIA RS-232-C)是目前最常用的一種串行通訊接口．由于該信號與監控單元的距離不遠，所以采用RS232這種成熟的通訊技術就可以很好地滿足工程需要［5］．

2 結語

實踐表明，由于在電路設計中，采用的集成電路工作電壓都介于2．7～3．6 V之間，電流控制在毫伏以下，有的芯片甚至在微伏以下，如主控芯片選用美國TI公司的MSP430F449，這是一款低功耗性能非常優異的微處理器，在4 kHz時的功耗只有2．5 μA;濾波電路利用無源阻容濾波器，顯示采用只有幾十個微安的LCD，這樣大大降低了整個電路的功耗．加上流量計采用壓電晶體傳感器，可在-40～400℃的工作溫度范圍內工作，能適用于條件惡劣的工業現場，可靠性較好，壓力損失小，量程范圍大，精度較高，滿足了儀表能夠在野外或者危險場所長期穩定工作的要求．

［1］戴昌輝．流體流動測量［M］．北京：航空工業出版社，1991．

［2］周慶．實用流量儀表的原理及其應用［M］．北京：國防工業出版社，2008．

［3］徐科軍．基于DSP的渦街流量計和科氏質量流量計二次儀表［J］．石油工業技術監督，2001，29(9) ：18-19．

［4］周興華．恒流二極管及其用法［J］．電子世界，1999，21(6)：22-24．

［5］孔令勇．有線數據通信及其應用［J］．重慶文理學院學報：自然科學版，2008，22(3)：33-34．