流量采集電路的設計

黃晗 徐冰輝 江澤裔 孫超 朱璽 李雅麗

摘要： 本文分析了國內現階段，使用IC卡、遠傳燃氣表、集中抄表、無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）遠傳抄表等管道燃氣計費管理系統，在不同階段發揮了一定積極作用，但是它們都基于機械式傳動燃氣計量表，脫離不了機械構件受安裝精度和環境溫度等的影響?；诨ヂ摼W、無線通信技術等技術，智能燃氣無線傳輸管理系統成為了人們研究的熱點問題。本文設計一種基于流量壓力傳感器、 脫離機械構件的燃氣流量采集電路，它是智能燃氣無線傳輸管理系統中重要的組成部分，可提高燃氣計費系統運行效率和處理精確度。

關鍵詞：單片機 采集電路 串行通信

中圖分類號：TB937 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1.引言

隨著科技經濟的快速發展，城市居民生活現代化水平和管道燃氣普及度的提高，燃氣使用抄表、計費和收費工作量也與日俱增。現有的人工抄表；用戶購買磁卡、IC卡收費；通過遠程通信系統（如公用電話網、電力線載波、數據網等）自動獲取遠程儀表數據的方式，以及采用無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）[1]等方式 ，已經跟不上現在發展的需要。IC卡燃氣表，是在現成的機械式燃氣表的計量機構上，通過光電或霍爾元件等傳感器，將天然氣的流量轉為電信號輸入單片機進行計量，利于燃氣企業的資金回收，減少人工查表收費中的弊端等問題[2]，但是用戶要先買后用，而且受一次購氣數量、IC卡營業站的工作時間和地點等的限制，給用戶購氣帶來諸多不便。自上世紀九十年代末開始，燃氣公司不同程度地對遠傳燃氣表和集中抄表系統進行了積極嘗試，采用有源脈沖式遠傳燃氣表+通訊采集器的系統結構，但是系統存在的計量準確性低、系統可靠性差、維護工作量大等問題，直接影響了燃氣表的推廣應用。2005年后，推出全新的無源接觸式直讀表（電阻式）和無源非接觸式直讀表（光電式）[3]等，但是它們都基于機械式傳動燃氣計量表，脫離不了機械構件受安裝精度和環境溫度等的影響。隨著互聯網、zigbee無線通信技術、集成電路技術的發展，基于單片機等智能化系統在工業生產控制管理中廣泛應用，本文設計一種基于單片機、氣體流量傳感器，實現燃氣流量采集電路。

2.系統電路構成

燃氣采集傳輸系統，由氣體流量傳感器、信號調理電路、采樣保持器電路、A/D轉換電路、電源電路、時鐘電路、單片機顯示電路、串行通信電路等組成，如圖1所示。

圖1系統框圖

3.采集電路的設計

本文選用SDP1000熱傳導式差壓傳感器，量程為-5～125Pa（0.5inch H2O ，-20～500 Pa（2 inch H2O），工作電壓5V，輸出電壓為0.25～4V，精度和分辨率可達 0.05 Pa，受溫度等因素影響小，運行安全可靠。

信號調理電路選用RC低通濾波電路，以達到信號提取的精度要求。在流量采集調理電路中利用6個放大器及電阻構成了求差式放大電路，選擇合適的電阻值可將SDP1000輸出的模擬電壓0.25-4V，轉換為ADC0809所需0～5V的輸入電壓。

采樣保持器電路：由于輸入模擬信號是連續變化的，而A/D轉換器要完成一次模擬數字轉換需要一定的時間，為使在A/D轉換期間，保持采樣輸入信號的大小不變而設計。電路由電容CH和兩級輸入緩沖器A1、A2和控制開關S1組成，A1為高增益放大器。該電路工作先后經歷兩種工作模式：采樣和保持，采樣保持器可以通過模擬控制信號來選擇工作模式[4]。

A/D轉換電路：由括采樣、量化、編碼三部分組成，將輸入的模擬量轉換為數字量，為數碼顯示和串行通信鑒定基礎。

時鐘電路和復位電路：AT89C51時鐘電路主要由12Hz晶振、30pF電容組成。單片機系統工作需要外部提供時鐘晶振才能啟動工作，此外為了使系統工作穩定往往要加上一定的濾波電容，避免由于噪聲干擾而死機。

ADC0809與單片機AT89C51連接電路：本系統將單片機AT89C51與ADC0809直接連接，通過P2口傳遞數字信號，P1口發送控制信號，從而實現單片機AT89C51與ADC0809的連接，具體連接方式如圖2所示。

圖2 單片機AT89C51與ADC809連接

單片機串行通信電路：由于計算機的串行接口屬于RS-232C標準，接口信號的電平不能和單片機的串行接口直接相連。利用芯片MAX232可以作為電平轉換器實現單片機與計算機的通信。

LED顯示電路：通過程序控制，將單片機處理后的數據，顯示在LED數碼管上。本燃氣流量采集傳輸系統，選用了4位軟件譯碼動態LED顯示方式。

4. 電路制作及實驗檢測

用軟件Protel，畫出燃氣流量采集傳輸系統的電路原理圖，然后需要對原理圖各個元器件進行封裝，部分元器件需要自己設計其封裝圖比如SDP1000、74LS02、AT89C51等，最后生成PCB圖即可生成PCB版圖，在PCB版圖中，需要對元器件調整排列布局，使得各元器件之間的連線盡可能的方便簡單。由于元件庫有些元件和需要的不一致，在生成PCB圖時會產生錯誤，所以在生成版圖后要檢查線路的連接是否和原電路圖相對應，核對無誤，把圖打印在相片紙上。本燃氣流量采集傳輸系統的PCB版圖如圖3所示。在生成PCB圖后，利用Photoshop軟件將圖片進行鏡像處理并打印在透明的相片紙上，最后在覆銅板上制成了印刷電路板。氣體流量傳感器輸出的模擬電壓采用直流模擬電壓代替進行實驗檢測。當整個系統實物通電后，給調理電路加上+5V、+12V電壓后調節輸入的模擬電壓，當緩慢改變氣體流量即增大輸入電壓時，測量結果與計算仿真基本一致。

本文設計的基于壓力傳感器的燃氣流量采集電路，可以擺脫傳統的燃氣表的機械傳動構件，克服了機械構件受外力、安裝精度和環境溫度等的影響，而且能夠擺脫復雜的機械傳動系統，可提高燃氣計費系統運行效率和處理精確度。為進一步借助互聯網、zigbee無線通信等技術，構建新型的、智能化的、高效率的燃氣計量、收費和綜合管理系統提供了基礎。

參考文獻：

[1] 任彩峰：IC 卡在燃氣計量系統的應用.科技資訊.2008，No.23

[2] 劉福玉 李文玉：光電直讀式遠傳燃氣表及集中抄表系統.科技信息.2012.25

[3] 徐曉丹.基于WEB服務IC卡燃氣售氣管理系統的設計與實現.電腦開發與應用.2010.25（3）

[4] 于秀麗，歐陽斌林，宋錫強.智能IC卡預付費燃氣表的電控系統設計[N].東北農業大學學報.2004