低功耗智能流量计量调节仪设计与实现

　　1　系统组成及总体设计

　　系统设计目的是实现流量的计量、压力的测量、阀门的自动控制、数据的无线和有线传输。考虑到流量计量不能间断,系统采用220V交流和电池两种方式供电,电池供电时,对系统功耗严格进行控制。整个系统构成框图如图1所示。

　　单片机MSP430FE425主要完成压力的测量和电池电压的检测,并通过串口将压力数据和电池电压传送给MSP430F147单片机。MSP430F147主要完成电机的控制、流量的计量、压力数据的处理、压力的校准、压力流量的显示、参数的设置和数据传输。

　　2　系统硬件电路设计

　　2.1　流量计量单元电路

　　流量计量单元电路主要由超低功耗运算放大器TLV27L2构成,如图2所示。SIGNAL-IN为涡轮传感器输出的脉动信号。

　　当流体沿管道轴线方向流动并冲击涡轮叶片时,便推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时,叶片周期地切割电磁铁产生的磁力线线改变线圈的磁通量,从而在线圈内感应出脉动的电动势信号,此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。随着涡轮转速的变化,输出的脉动信号强度从几毫伏到几百毫伏变化。通过测量脉动信号的频率大小便能计算出对应的流量大小。对应计算公式为:瞬时流量累计流量Q₁=其中,F为脉动信号的频率,K为仪表常数,n为脉冲数。

　　考虑到在涡轮转速较慢时,脉动信号幅度较小,干扰信号较大,单元电路采用内部集成2路超低功耗运算放大器TLV27L2完成信号的调理。前一级运算放大器主要将小信号放大后一级运放将放大信号进行迟滞比较,输出方波信号。为了增强抗干扰能力,在比较输出后再加一级与非门,使输出的方波信号更加完整,便于单片机测量。

　　2.2　压力测量单元电路

　　压力测量单元主要由MSP430FE425单片机和内部集成4路超低功耗运算放大器TLV2254构成,如图3所示。

　　VB_DRV为单片机给测量电路供电信号。当需要测量压力时,MSP430FE425将VB_DRV置为高电平,74HC573便输出驱动电流可高达80mA的3.3V电压给测量电路提供电源;测量完成后,MSP430FE425将VB_DRV置为低电平,切断测量电路的电源,从而保证测量电路处于零功耗状态。稳压源LM385-1.2产生的高稳定度1.2V电压信号经由TLV2254的一路运算放大器跟随后,给单片机内部16位AD提供参考电压。TLV2254的另一路运算放大器配合几只电阻构成恒流源,其恒定电流为:

　　恒流源产生的电流流过压力传感器的电阻桥臂,便产生与压力成正比的电压信号。压力传感器选用麦克公司的高稳定隔离压阻式OEM压力敏感元件MPM281。压力传感器输出的电压信号经由TLV2254的另两路运算放大器构成的差分放大器放大倍,最后进入MSP430FE425的一路16位AD通道转换为数字信号。经过实际测试,最后系统选用以下参数:RB1=10kΩ、RA1=43kΩ、RC1=560Ω,RFA=10kΩ,RG=3.6kΩ。因此,产生的恒定电流I≈400μA,差分放大器放大倍数G≈6.56倍。