[導讀] 文中介紹新型金屬管浮子流量計的設計。為降低功耗，采用以MSP430單片機為核心的系統結構。詳細介紹信號檢測、溫壓補償、液晶顯示、人機界面、累計存儲模塊，并列出軟件低功耗設計要點和程序主流程。現場使用效果良好。
1 引言
流量是工業生產過程中的一個重要參數，在低雷諾數流體的測量中廣泛采用浮子流量計來實現，其具有結構簡單、工作可靠、壓損小且穩定等諸多優點，一直廣泛用于氣體、液體的流量測量和自動控制系統中。金屬管浮子流量計則多用于測量高溫、高壓及腐蝕性介質。
本文以最大限度地降低整機功耗和實現較高的精度和可靠性為目標，設計一種電池型金屬管浮子流量計。根據體積流量與浮子高度的非線性關系[1]，采用新型電容角位移傳感器[2]測量浮子高度，克服傳統金屬管浮子流量計存在的機械磨損和機械遲滯的缺點。轉換器部分則選用16位MSP430F43X單片機作為系統核心進行流量計算與控制，不但保證了測量精度，而且利用其超低功耗的特性極大地延長電池的使用壽命。同時，為滿足用戶的使用需要，系統還設計了現場顯示、累計流量存儲、鍵盤管理的人機交互界面，實現儀表的智能化。本文所設計的電池型金屬管浮予流量計結構簡單，成本較低，現場使用效果良好。
2 硬件設計
系統硬件的總體結構框圖如圖1所示。
浮子信號檢測采用文獻口中的新型電容角位移傳感器，精度可達1.5級，功耗較低，實時性好，可靠性高，并可將流量檢測結果（字格式）轉換為高低兩個字節串行輸出，故可與單片機的USART口直接相連，使用十分方便。
溫壓檢測
由于實際使用中被測流體密度和操作狀態的改變，必須對檢測到的流量進行修正。溫度傳感器選用TMP36溫度傳感器，量程范圍較寬（-40℃~125℃），輸出為電壓信號，接一級運放放大后便可直接作為單片機的A/D口輸入。壓力傳感器采用154N型擴散硅壓力傳感器，測量精度為1‰，具有較好的線性度和低功耗特性，能夠實現零位校準和溫度補償。
單片機及人機接口
此部分是實現金屬管浮子流量計低功耗和智能處理的關鍵。相比于MCS和PIC等系列，MSP430系列單片機，是超低功耗、功能強大、高集成度的16位單片機。本系統選用的是MSP430F435，工作電壓范圍1.8V~3.6V；5種節電模式，每1MHz功耗電流0.1μA~400μA，同時能夠在實現液晶顯示的情況下只耗電0.8μA；片內16KB的Flash存儲器和512KB的RAM；12位A/D轉換器；6組8位I/O口，包括通用I/O口、UART口以及特殊信號I/O口；驅動液晶能力可達160段[3]。
如圖1所示，系統采用電池直接供電的方式。單片機串行通訊口USARTO與電容角位移傳感器采用三針（P2.5/URXD0發送，P2.4/UTXD0接收，P2.3下降沿控制）直接相連的異步模式傳輸數據，其傳輸格式為：前導碼，流量高字節，流量低字節，和校驗。為傳輸可靠，波特率設為2400bps。溫度、壓力傳感器輸出的檢測信號作為單片機的兩路A/D轉換器輸入（P6.0/A0，P6.1/A1）對流量值進行修正。顯示部分則利用MSP430F435內部集成的160段液晶驅動器驅動一個152段的液晶顯示，COM0~COM3作為液晶公共端，S0~S37與液晶引腳直接相連。同時，根據工業現場實際需要，系統還設計了友好的人機界面。P1.5~P1.7口接用戶界面可視的3鍵鍵盤，用戶通過對它置入不同的參數來達到與儀表進行“交流”的目的，如：鍵入被測介質工況下的密度、溫度、壓力，想要設置的流量顯示精度、單位等條件，流量計便會自動按照所置入的條件更改當前的設置或做相應的處理。
累計存儲
為了保存累計流量，單片機的P3口外擴了一個EEPROM93LC66（P3.4- 使能EEPROM，P3.5- EEPROM時鐘，P3.6- 數據寫入，P3.7- 數據讀出）。93LC66可存儲512字節的數據，讀寫操作時使用的是字格式，寫入次數典型值為100萬次，有工作和休眠兩種方式，交替使用以降低功耗。
3 軟件設計
低功耗設計
為降低系統功耗，僅靠硬件的設計還不夠，必須有相應的軟件配合。
① 對模塊的工作進行控制，即當不進行溫壓檢測、無角位移傳感器信號輸入和按鍵中斷產生時，關閉CPU和MCLK使單片機進入LPM3低功耗模式。
② 系統基礎時鐘模塊選擇32768Hz低頻時鐘源。
③ 由于程序能快速啟動，充分利用中斷方式喚醒系統待機狀態，如：與角位移傳感器通信時采用中斷接收方式，按鍵采用P1口的外部中斷功能。
主程序流程
上電后，先進行初始化完成各控制寄存器初始配置和保存的累計流量數據的讀取及轉化，然后啟動1S定時中斷，之后進入低功耗模式3，直至有中斷為止。系統主流程圖如圖2所示。
本文設計的金屬管浮子流量計具有較低的功耗和較高的穩定性，滿度誤差控制在1.5%以內，并已開始在工業現場使用，獲得了很好的效果。