[导读] 文中介绍新型金属管浮子流量计的设计。为降低功耗，采用以MSP430单片机为核心的系统结构。详细介绍信号检测、温压补偿、液晶显示、人机界面、累计存储模块，并列出软件低功耗设计要点和程序主流程。现场使用效果良好。
1 引言
流量是工业生产过程中的一个重要参数，在低雷诺数流体的测量中广泛采用浮子流量计来实现，其具有结构简单、工作可靠、压损小且稳定等诸多优点，一直广泛用于气体、液体的流量测量和自动控制系统中。金属管浮子流量计则多用于测量高温、高压及腐蚀性介质。
本文以最大限度地降低整机功耗和实现较高的精度和可靠性为目标，设计一种电池型金属管浮子流量计。根据体积流量与浮子高度的非线性关系[1]，采用新型电容角位移传感器[2]测量浮子高度，克服传统金属管浮子流量计存在的机械磨损和机械迟滞的缺点。转换器部分则选用16位MSP430F43X单片机作为系统核心进行流量计算与控制，不但保证了测量精度，而且利用其超低功耗的特性极大地延长电池的使用寿命。同时，为满足用户的使用需要，系统还设计了现场显示、累计流量存储、键盘管理的人机交互界面，实现仪表的智能化。本文所设计的电池型金属管浮予流量计结构简单，成本较低，现场使用效果良好。
2 硬件设计
系统硬件的总体结构框图如图1所示。
浮子信号检测采用文献口中的新型电容角位移传感器，精度可达1.5级，功耗较低，实时性好，可靠性高，并可将流量检测结果（字格式）转换为高低两个字节串行输出，故可与单片机的USART口直接相连，使用十分方便。
温压检测
由于实际使用中被测流体密度和操作状态的改变，必须对检测到的流量进行修正。温度传感器选用TMP36温度传感器，量程范围较宽（-40℃~125℃），输出为电压信号，接一级运放放大后便可直接作为单片机的A/D口输入。压力传感器采用154N型扩散硅压力传感器，测量精度为1‰，具有较好的线性度和低功耗特性，能够实现零位校准和温度补偿。
单片机及人机接口
此部分是实现金属管浮子流量计低功耗和智能处理的关键。相比于MCS和PIC等系列，MSP430系列单片机，是超低功耗、功能强大、高集成度的16位单片机。本系统选用的是MSP430F435，工作电压范围1.8V~3.6V；5种节电模式，每1MHz功耗电流0.1μA~400μA，同时能够在实现液晶显示的情况下只耗电0.8μA；片内16KB的Flash存储器和512KB的RAM；12位A/D转换器；6组8位I/O口，包括通用I/O口、UART口以及特殊信号I/O口；驱动液晶能力可达160段[3]。
如图1所示，系统采用电池直接供电的方式。单片机串行通讯口USARTO与电容角位移传感器采用三针（P2.5/URXD0发送，P2.4/UTXD0接收，P2.3下降沿控制）直接相连的异步模式传输数据，其传输格式为：前导码，流量高字节，流量低字节，和校验。为传输可靠，波特率设为2400bps。温度、压力传感器输出的检测信号作为单片机的两路A/D转换器输入（P6.0/A0，P6.1/A1）对流量值进行修正。显示部分则利用MSP430F435内部集成的160段液晶驱动器驱动一个152段的液晶显示，COM0~COM3作为液晶公共端，S0~S37与液晶引脚直接相连。同时，根据工业现场实际需要，系统还设计了友好的人机界面。P1.5~P1.7口接用户界面可视的3键键盘，用户通过对它置入不同的参数来达到与仪表进行“交流”的目的，如：键入被测介质工况下的密度、温度、压力，想要设置的流量显示精度、单位等条件，流量计便会自动按照所置入的条件更改当前的设置或做相应的处理。
累计存储
为了保存累计流量，单片机的P3口外扩了一个EEPROM93LC66（P3.4- 使能EEPROM，P3.5- EEPROM时钟，P3.6- 数据写入，P3.7- 数据读出）。93LC66可存储512字节的数据，读写操作时使用的是字格式，写入次数典型值为100万次，有工作和休眠两种方式，交替使用以降低功耗。
3 软件设计
低功耗设计
为降低系统功耗，仅靠硬件的设计还不够，必须有相应的软件配合。
① 对模块的工作进行控制，即当不进行温压检测、无角位移传感器信号输入和按键中断产生时，关闭CPU和MCLK使单片机进入LPM3低功耗模式。
② 系统基础时钟模块选择32768Hz低频时钟源。
③ 由于程序能快速启动，充分利用中断方式唤醒系统待机状态，如：与角位移传感器通信时采用中断接收方式，按键采用P1口的外部中断功能。
主程序流程
上电后，先进行初始化完成各控制寄存器初始配置和保存的累计流量数据的读取及转化，然后启动1S定时中断，之后进入低功耗模式3，直至有中断为止。系统主流程图如图2所示。
本文设计的金属管浮子流量计具有较低的功耗和较高的稳定性，满度误差控制在1.5%以内，并已开始在工业现场使用，获得了很好的效果。