低功耗無線燃?xì)獗淼难兄?/h1>
2017-12-28 09:10:56周福根李福增
裝備制造技術(shù) 2017年10期
周福根，李福增
（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）
低功耗無線燃?xì)獗淼难兄?/p>
周福根，李福增
（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）
針對天然氣流量計量中工作環(huán)境對其計量影響較大的問題，提出了一種溫壓補(bǔ)償型燃?xì)獗碓O(shè)計方案。計量中將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并通過無線的傳輸實現(xiàn)了在線流量監(jiān)測，最終的樣機(jī)實驗結(jié)果表明，該燃?xì)獗淼恼`差小于±1.5%.
低功耗；溫壓補(bǔ)償；無線；燃?xì)獗?/p>
能源是一個國家的命脈，能源是否得到合理開發(fā)和使用，是一個國家的文明標(biāo)志。天然氣已經(jīng)成為21世紀(jì)的一種新型能源，它屬于綠色能源，本身不含粉塵及硫等有害物質(zhì)。天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2量少，不容易造成溫室效應(yīng)，符合我國以及世界的能源可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著我國與俄羅斯簽訂天然氣協(xié)議，俄羅斯每年將給我國提供300億m3的天然氣，有效期為30年。由此可見，天然氣是否有先進(jìn)完善的計量技術(shù)，將對我國天然氣能源的利益和發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[1，2]。
目前國內(nèi)各種燃?xì)獗砑夹g(shù)日趨成熟，考慮到社會和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，社會在各方面都對天然氣的計量技術(shù)提出了更高的要求。針對天然氣成分復(fù)雜，工作環(huán)境對它的計量影響較大的問題，可以在燃?xì)獗砝锩嬖黾右粋€溫壓補(bǔ)償裝置，將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并運(yùn)用無線傳輸實現(xiàn)了天然氣使用情況的在線監(jiān)測[3]。本文研制的燃?xì)獗?，選用了一種機(jī)械儀表——膜式燃?xì)獗恚⒁訫SP430為單片機(jī)，設(shè)計具有溫壓補(bǔ)償裝置和無線傳輸數(shù)據(jù)等功能的智能燃?xì)獗怼?/p>
1 燃?xì)獗淼墓ぷ髟?/h2>
本設(shè)計采用計脈沖數(shù)的方式來計量天然氣的體積流量。燃?xì)獗淼幕硎悄な饺細(xì)獗?，它屬于一種機(jī)械式儀表。氣體流過燃?xì)獗?，會在進(jìn)出氣口產(chǎn)生一個壓力差，這個壓力會帶動腔內(nèi)隔膜的運(yùn)動，當(dāng)流過腔內(nèi)的氣體體積達(dá)到隔膜腔的最大值時，隔膜就會做往返運(yùn)動，從而會帶動立軸作來回運(yùn)動。立軸上的曲柄軸會帶動滑閥來改變進(jìn)出口的方向并帶動計數(shù)的裝置，從而達(dá)到了連續(xù)自動計量氣體體積的作用[4，5]。
脈沖的計數(shù)采用干簧管，皮膜轉(zhuǎn)動的計數(shù)裝置上面安裝一個帶有磁性的鐵塊，計數(shù)裝置的轉(zhuǎn)動，會帶動磁塊的運(yùn)動，磁塊接近干簧管時，會使干簧管的簧片磁化并產(chǎn)生磁力，當(dāng)磁力大于簧片的彈力時，就會使接合點閉合；當(dāng)磁塊慢慢離開干簧管時，吸引的磁力減少到小于簧片的彈力時，接合點就會被彈開，干簧管的開閉合就會產(chǎn)生一個高低的電平脈沖，通過單片機(jī)計脈沖數(shù)，就可以達(dá)到計量天然氣體積的目的[4，6]。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
設(shè)計的燃?xì)獗聿捎肕SP430F437為微控制器，主要由流量檢測模塊、壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及無線模塊等組成。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[7，8]。
圖1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖
2.1 流量采集與檢測模塊
本設(shè)計采用計脈沖數(shù)的方式實現(xiàn)累積流量的計算。氣體流動會帶動機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動，機(jī)械軸轉(zhuǎn)動磁塊離開干簧管時，干簧管閉合點又會彈開，從而會產(chǎn)生一個高低電平脈沖直接輸送給單片機(jī)，流量脈沖的產(chǎn)生電路如圖2所示。
圖2 流量脈沖的產(chǎn)生電路
2.2 溫度采集電路
本設(shè)計采用的溫度傳感器是PT1000.PT1000是由鉑電阻制成的溫度傳感器，它的測溫范圍是：-50℃ ～450℃，允許的工作電流是 ≤0.5 mA.采集電路圖示意如圖3所示。
圖3 溫度采集電路示意圖
圖中 Rt為熱電阻 PT1000，R1、R2、R3 為高精度電阻，通過讀取R3兩端的電壓值，可以得出整個支路的電流值，讀取Rt兩端的電壓值，除以支路的電流值，就可以得出PT1000的電阻值，通過查PT1000分度表，就可以準(zhǔn)確的得出工況下的溫度。
2.3 壓力采集電路
本設(shè)計溫度采集的傳感器是154 N型壓力傳感器。它主要通過對陶瓷基座上的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻，可以對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償及零點漂移調(diào)整。陶瓷基座上還提供了一個經(jīng)激光修正的增益調(diào)節(jié)電阻，使傳感器在經(jīng)過外部差分電路放大后達(dá)到較為一致的輸出值。壓力采集電路示意圖如圖4所示。
圖4 壓力采集示意電路
154 N型壓力傳感器非線性度只有±0.1%，所以可認(rèn)為是線性的。當(dāng)壓力從P0到Pmax時，對于線性壓力傳感器，其輸出是從V0到Vmax，其關(guān)系可以寫成式（1）.
對于出廠的傳感器，其系數(shù)均已標(biāo)定完成，因此只需得到Vx，即可計算出相對應(yīng)的Px.本文采用AD7799芯片來讀取電壓Vx，以達(dá)到準(zhǔn)確測量壓力的目的。
傳感器輸出的溫度和壓力信號都是模擬信號，其通過AD7799進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸給單片機(jī)。
2.4 無線傳輸模塊電路
本設(shè)計采用無線傳輸模塊是一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)無線模塊——A8500.該模塊在本設(shè)計中主要是應(yīng)用于累積流量數(shù)據(jù)的傳輸。通過GSM網(wǎng)絡(luò)，其將燃?xì)獗砟骋粫r間段內(nèi)的數(shù)據(jù)通過手機(jī)SIM卡發(fā)送短信至監(jiān)控終端，實現(xiàn)燃?xì)馐褂们闆r的在線監(jiān)測。
該模塊直接連接單片機(jī)，通過TXD和RXD發(fā)送AT代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。MSP430與無線模塊的連接電路示意圖如圖5所示。
圖5 MSP430單片機(jī)與無線模塊連接電路示意圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用C語言，運(yùn)用程序結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想，將程序模塊化，使設(shè)計的程序具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性，以便于在整個系統(tǒng)的調(diào)試過程中進(jìn)行功能程序的添加和刪減。每個子程序的執(zhí)行采用標(biāo)志傳遞法。當(dāng)某塊功能程序的允許執(zhí)行標(biāo)志置為“1”時，則執(zhí)行相對應(yīng)的功能子程序，不為“1”時則跳出該模塊。平時系統(tǒng)的各個子程序都不處于工作狀態(tài)，只有相應(yīng)的程序命令產(chǎn)生時，才執(zhí)行對應(yīng)的程序。系統(tǒng)主要程序包括主程序、流量檢測程序、中斷服務(wù)程序、溫壓計算程序和按鍵程序等。
3.1 軟件主程序流程
單片機(jī)上電工作時，程序執(zhí)行的首先是初始化程序，其中包括定時中斷初始化、液晶初始化、按鍵初始化等。然后進(jìn)行判斷是否是第一次上電，選擇進(jìn)行外部存儲器數(shù)據(jù)初始化還是讀取外部存儲器中的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序執(zhí)行到最后，會進(jìn)入睡眠模式，直到中斷喚醒，以此達(dá)到了低功耗的目的。圖6為主程序流程圖。
圖6 主程序流程圖
液晶顯示每隔1 s刷新一次，進(jìn)行溫度和壓力值實時顯示。在睡眠模式下，溫度和壓力值每隔15 s進(jìn)行一次AD值轉(zhuǎn)換，以降低功耗。
3.2 中斷服務(wù)程序流程
本設(shè)計包含4個中斷程序。兩個內(nèi)部中斷中，一個為定時器中斷，以進(jìn)行溫壓AD值讀??；另一個為串行口通訊中斷。兩個外部中斷中，一個為流量采集中斷，以進(jìn)行流量計算；另一個為按鍵掃描中斷，當(dāng)檢測到有按鍵按下時，相應(yīng)按鍵的標(biāo)志位置1，從而執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能程序。中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。
圖7 中斷服務(wù)流程圖
3.3 流量計算程序流程
脈沖數(shù)跟累積流量成正比，當(dāng)流過燃?xì)獗淼臍怏w達(dá)到一個累積流量脈沖時，脈沖計數(shù)器加1，通過計算脈沖數(shù)，實現(xiàn)工況下氣體體積流量的計量。當(dāng)完成工況下累積流量的計算后，讀取當(dāng)前流量值下的溫度和壓力值，對其進(jìn)行標(biāo)況下的累積流量轉(zhuǎn)換計算，最后把流量數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中。流量計算程序流程圖如圖8所示。
圖8 流量計算流程圖
4 實驗研究及數(shù)據(jù)分析
本章節(jié)主要敘述對燃?xì)獗磉M(jìn)行實驗，并且對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該燃?xì)獗淼念A(yù)期的性能指標(biāo)是：流量檢測范圍是0.06～10 m3/h，壓力誤差范圍±0.3%Fs，溫度誤差要求為±0.2℃，流量檢測等級為1.5級。
4.1 溫度實驗
該實驗使用CHORAD的燃?xì)獗韺Ｓ酶叩蜏卦囼炏?，它能夠更真實模擬各個溫度環(huán)境。
溫度依次設(shè)置為-40℃，-30℃，0℃，49.97℃，69.85℃共5個點，測量的實驗結(jié)果如表1所示。
表1 溫度測量數(shù)據(jù)
實驗環(huán)境室溫20℃，室內(nèi)濕度為54%，大氣壓為100.2 kPa.本文設(shè)計的燃?xì)獗淼臏囟染葹椤?.2℃，分析實驗數(shù)據(jù)可知，該儀表的最大溫度誤差為0.2℃，所以該儀表的溫度測量符合預(yù)期的性能指標(biāo)。
4.2 壓力實驗
本實驗使用的是型號為CST1023的臺式氣壓壓力泵，其壓力范圍是-0.095～6 MPa，準(zhǔn)確度等級為0.05級，壓力值可以轉(zhuǎn)換成電流和電壓輸出，電流測量范圍為-30～30 mA，電壓測量范圍-30～30 V，電測準(zhǔn)確度為±（0.02%rgd+0.003%F.S）。
運(yùn)用該壓力泵實驗測得的壓力測量數(shù)據(jù)如表2所示，此時實驗環(huán)境室溫為26.6℃，大氣壓為100.2 kPa.
表2 壓力測量數(shù)據(jù)
燃?xì)獗淼膲毫纫鬄闈M量程誤差為±0.3%，實驗測量得到的數(shù)據(jù)最大誤差為0.16%，所以可以得出結(jié)論，該燃?xì)獗淼膲毫y量符合儀表預(yù)期的性能指標(biāo)要求。
4.3 流量實驗
本實驗使用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對燃?xì)獗磉M(jìn)行標(biāo)定和檢測，該裝置準(zhǔn)確度等級為0.33級。通過比較燃?xì)獗碛嬎愕睦鄯e流量和標(biāo)準(zhǔn)裝置計算的累計流量，計算出相對誤差。因為本燃?xì)饬髁繖z測范圍是 0.06～10 m3/h，所以選用 0.06 m3/h，2.05 m3/h，10.31 m3/h這3個流量點進(jìn)行實驗。流量實驗數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）如表3所示。
表3 流量實驗數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）
本燃?xì)獗淼牧髁繖z測精度等級為1.5級，實驗所得數(shù)據(jù)的最大誤差是-0.56%，符合燃?xì)獗淼木纫蟆?/p>
綜上，本設(shè)計的燃?xì)獗砀鞣矫婊具_(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，最終設(shè)計的燃?xì)獗順訖C(jī)如圖9所示。
圖9 設(shè)計的燃?xì)獗順訖C(jī)圖
5 結(jié)束語
本設(shè)計以MSP430F437單片機(jī)為核心，采用了軟硬件結(jié)合的方式，實現(xiàn)了天然氣體積流量的計量。儀表設(shè)計包括燃?xì)獗淼膲毫z測、溫度檢測、液晶顯示、數(shù)據(jù)的無線傳輸、按鍵切換以及溫壓補(bǔ)償?shù)裙δ?。通過對燃?xì)獗磉M(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，所設(shè)計的燃?xì)獗硇阅苤笜?biāo)達(dá)到了相關(guān)國標(biāo)的要求。
[1]殷建平，黃 輝.我國天然氣供求分析和未來消費(fèi)政策選擇[J].改革與戰(zhàn)略，2010，26（4）：26-29.
[2]吳德才，馮立新，汪秀瓊.家用燃?xì)獗淼倪x型探討[J].煤氣與熱力，2011，31（05）：32-35.
[3]梁國偉，蔡武昌.測量技術(shù)及儀表[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.
[4]沈文新，東 濤.膜式燃?xì)獗懋a(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].中國計量，2009，15（12）：31-32.
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Research and Design of the Wireless Flow Meter with Low-power Consumption
ZHOU Fu-gen，LI Fu-zeng
（Zhejiang Songchuan Instrument Technology Co.，Ltd.，Wenling Zhejiang 317511，China）
To solve the problem of the circumstance influence on natural gas measurement，a type of gas meter with temperature and pressure compensation is designed.The gas meter can calculate the flow volume on working condition into the standard condition.The online monitoring function is used with wireless communication.The experiments indicate that the error of the flow is less than±1.5%.
low-power consumption；temperature and pressure compensation；wireless communication；gas meter
TH814
A
1672-545X（2017）10-0051-05
2017-07-18
膜式燃?xì)鈬鴺?biāo)（GB/T6968-2011）；切斷型膜式燃?xì)獗恚–J/T 449-2014）；鐘罩式氣體流量裝置（JB/T 12961-2016）等標(biāo)準(zhǔn)編制組成員
周福根（1970-），男，浙江溫嶺人，本科，工程師，一直從事膜式燃?xì)獗淼漠a(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)管理工作。
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周福根，李福增
（浙江松川儀表科技股份有限公司，浙江 溫嶺317511）
針對天然氣流量計量中工作環(huán)境對其計量影響較大的問題，提出了一種溫壓補(bǔ)償型燃?xì)獗碓O(shè)計方案。計量中將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并通過無線的傳輸實現(xiàn)了在線流量監(jiān)測，最終的樣機(jī)實驗結(jié)果表明，該燃?xì)獗淼恼`差小于±1.5%.
低功耗；溫壓補(bǔ)償；無線；燃?xì)獗?/p>
能源是一個國家的命脈，能源是否得到合理開發(fā)和使用，是一個國家的文明標(biāo)志。天然氣已經(jīng)成為21世紀(jì)的一種新型能源，它屬于綠色能源，本身不含粉塵及硫等有害物質(zhì)。天然氣燃燒產(chǎn)生的CO2量少，不容易造成溫室效應(yīng)，符合我國以及世界的能源可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著我國與俄羅斯簽訂天然氣協(xié)議，俄羅斯每年將給我國提供300億m3的天然氣，有效期為30年。由此可見，天然氣是否有先進(jìn)完善的計量技術(shù)，將對我國天然氣能源的利益和發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[1，2]。
目前國內(nèi)各種燃?xì)獗砑夹g(shù)日趨成熟，考慮到社會和用戶的經(jīng)濟(jì)效益，社會在各方面都對天然氣的計量技術(shù)提出了更高的要求。針對天然氣成分復(fù)雜，工作環(huán)境對它的計量影響較大的問題，可以在燃?xì)獗砝锩嬖黾右粋€溫壓補(bǔ)償裝置，將工況下的流量體積轉(zhuǎn)換成標(biāo)況下的流量體積，并運(yùn)用無線傳輸實現(xiàn)了天然氣使用情況的在線監(jiān)測[3]。本文研制的燃?xì)獗?，選用了一種機(jī)械儀表——膜式燃?xì)獗恚⒁訫SP430為單片機(jī)，設(shè)計具有溫壓補(bǔ)償裝置和無線傳輸數(shù)據(jù)等功能的智能燃?xì)獗怼?/p>
1 燃?xì)獗淼墓ぷ髟?/h2>
本設(shè)計采用計脈沖數(shù)的方式來計量天然氣的體積流量。燃?xì)獗淼幕硎悄な饺細(xì)獗?，它屬于一種機(jī)械式儀表。氣體流過燃?xì)獗?，會在進(jìn)出氣口產(chǎn)生一個壓力差，這個壓力會帶動腔內(nèi)隔膜的運(yùn)動，當(dāng)流過腔內(nèi)的氣體體積達(dá)到隔膜腔的最大值時，隔膜就會做往返運(yùn)動，從而會帶動立軸作來回運(yùn)動。立軸上的曲柄軸會帶動滑閥來改變進(jìn)出口的方向并帶動計數(shù)的裝置，從而達(dá)到了連續(xù)自動計量氣體體積的作用[4，5]。
脈沖的計數(shù)采用干簧管，皮膜轉(zhuǎn)動的計數(shù)裝置上面安裝一個帶有磁性的鐵塊，計數(shù)裝置的轉(zhuǎn)動，會帶動磁塊的運(yùn)動，磁塊接近干簧管時，會使干簧管的簧片磁化并產(chǎn)生磁力，當(dāng)磁力大于簧片的彈力時，就會使接合點閉合；當(dāng)磁塊慢慢離開干簧管時，吸引的磁力減少到小于簧片的彈力時，接合點就會被彈開，干簧管的開閉合就會產(chǎn)生一個高低的電平脈沖，通過單片機(jī)計脈沖數(shù)，就可以達(dá)到計量天然氣體積的目的[4，6]。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
設(shè)計的燃?xì)獗聿捎肕SP430F437為微控制器，主要由流量檢測模塊、壓力檢測模塊、溫度檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及無線模塊等組成。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[7，8]。
圖1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)圖
2.1 流量采集與檢測模塊
本設(shè)計采用計脈沖數(shù)的方式實現(xiàn)累積流量的計算。氣體流動會帶動機(jī)械軸的轉(zhuǎn)動，機(jī)械軸轉(zhuǎn)動磁塊離開干簧管時，干簧管閉合點又會彈開，從而會產(chǎn)生一個高低電平脈沖直接輸送給單片機(jī)，流量脈沖的產(chǎn)生電路如圖2所示。
圖2 流量脈沖的產(chǎn)生電路
2.2 溫度采集電路
本設(shè)計采用的溫度傳感器是PT1000.PT1000是由鉑電阻制成的溫度傳感器，它的測溫范圍是：-50℃ ～450℃，允許的工作電流是 ≤0.5 mA.采集電路圖示意如圖3所示。
圖3 溫度采集電路示意圖
圖中 Rt為熱電阻 PT1000，R1、R2、R3 為高精度電阻，通過讀取R3兩端的電壓值，可以得出整個支路的電流值，讀取Rt兩端的電壓值，除以支路的電流值，就可以得出PT1000的電阻值，通過查PT1000分度表，就可以準(zhǔn)確的得出工況下的溫度。
2.3 壓力采集電路
本設(shè)計溫度采集的傳感器是154 N型壓力傳感器。它主要通過對陶瓷基座上的厚膜電阻進(jìn)行激光修阻，可以對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償及零點漂移調(diào)整。陶瓷基座上還提供了一個經(jīng)激光修正的增益調(diào)節(jié)電阻，使傳感器在經(jīng)過外部差分電路放大后達(dá)到較為一致的輸出值。壓力采集電路示意圖如圖4所示。
圖4 壓力采集示意電路
154 N型壓力傳感器非線性度只有±0.1%，所以可認(rèn)為是線性的。當(dāng)壓力從P0到Pmax時，對于線性壓力傳感器，其輸出是從V0到Vmax，其關(guān)系可以寫成式（1）.
對于出廠的傳感器，其系數(shù)均已標(biāo)定完成，因此只需得到Vx，即可計算出相對應(yīng)的Px.本文采用AD7799芯片來讀取電壓Vx，以達(dá)到準(zhǔn)確測量壓力的目的。
傳感器輸出的溫度和壓力信號都是模擬信號，其通過AD7799進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸給單片機(jī)。
2.4 無線傳輸模塊電路
本設(shè)計采用無線傳輸模塊是一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)無線模塊——A8500.該模塊在本設(shè)計中主要是應(yīng)用于累積流量數(shù)據(jù)的傳輸。通過GSM網(wǎng)絡(luò)，其將燃?xì)獗砟骋粫r間段內(nèi)的數(shù)據(jù)通過手機(jī)SIM卡發(fā)送短信至監(jiān)控終端，實現(xiàn)燃?xì)馐褂们闆r的在線監(jiān)測。
該模塊直接連接單片機(jī)，通過TXD和RXD發(fā)送AT代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。MSP430與無線模塊的連接電路示意圖如圖5所示。
圖5 MSP430單片機(jī)與無線模塊連接電路示意圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用C語言，運(yùn)用程序結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想，將程序模塊化，使設(shè)計的程序具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性，以便于在整個系統(tǒng)的調(diào)試過程中進(jìn)行功能程序的添加和刪減。每個子程序的執(zhí)行采用標(biāo)志傳遞法。當(dāng)某塊功能程序的允許執(zhí)行標(biāo)志置為“1”時，則執(zhí)行相對應(yīng)的功能子程序，不為“1”時則跳出該模塊。平時系統(tǒng)的各個子程序都不處于工作狀態(tài)，只有相應(yīng)的程序命令產(chǎn)生時，才執(zhí)行對應(yīng)的程序。系統(tǒng)主要程序包括主程序、流量檢測程序、中斷服務(wù)程序、溫壓計算程序和按鍵程序等。
3.1 軟件主程序流程
單片機(jī)上電工作時，程序執(zhí)行的首先是初始化程序，其中包括定時中斷初始化、液晶初始化、按鍵初始化等。然后進(jìn)行判斷是否是第一次上電，選擇進(jìn)行外部存儲器數(shù)據(jù)初始化還是讀取外部存儲器中的數(shù)據(jù)。當(dāng)程序執(zhí)行到最后，會進(jìn)入睡眠模式，直到中斷喚醒，以此達(dá)到了低功耗的目的。圖6為主程序流程圖。
圖6 主程序流程圖
液晶顯示每隔1 s刷新一次，進(jìn)行溫度和壓力值實時顯示。在睡眠模式下，溫度和壓力值每隔15 s進(jìn)行一次AD值轉(zhuǎn)換，以降低功耗。
3.2 中斷服務(wù)程序流程
本設(shè)計包含4個中斷程序。兩個內(nèi)部中斷中，一個為定時器中斷，以進(jìn)行溫壓AD值讀??；另一個為串行口通訊中斷。兩個外部中斷中，一個為流量采集中斷，以進(jìn)行流量計算；另一個為按鍵掃描中斷，當(dāng)檢測到有按鍵按下時，相應(yīng)按鍵的標(biāo)志位置1，從而執(zhí)行相應(yīng)按鍵功能程序。中斷服務(wù)程序流程圖如圖7所示。
圖7 中斷服務(wù)流程圖
3.3 流量計算程序流程
脈沖數(shù)跟累積流量成正比，當(dāng)流過燃?xì)獗淼臍怏w達(dá)到一個累積流量脈沖時，脈沖計數(shù)器加1，通過計算脈沖數(shù)，實現(xiàn)工況下氣體體積流量的計量。當(dāng)完成工況下累積流量的計算后，讀取當(dāng)前流量值下的溫度和壓力值，對其進(jìn)行標(biāo)況下的累積流量轉(zhuǎn)換計算，最后把流量數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器中。流量計算程序流程圖如圖8所示。
圖8 流量計算流程圖
4 實驗研究及數(shù)據(jù)分析
本章節(jié)主要敘述對燃?xì)獗磉M(jìn)行實驗，并且對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該燃?xì)獗淼念A(yù)期的性能指標(biāo)是：流量檢測范圍是0.06～10 m3/h，壓力誤差范圍±0.3%Fs，溫度誤差要求為±0.2℃，流量檢測等級為1.5級。
4.1 溫度實驗
該實驗使用CHORAD的燃?xì)獗韺Ｓ酶叩蜏卦囼炏?，它能夠更真實模擬各個溫度環(huán)境。
溫度依次設(shè)置為-40℃，-30℃，0℃，49.97℃，69.85℃共5個點，測量的實驗結(jié)果如表1所示。
表1 溫度測量數(shù)據(jù)
實驗環(huán)境室溫20℃，室內(nèi)濕度為54%，大氣壓為100.2 kPa.本文設(shè)計的燃?xì)獗淼臏囟染葹椤?.2℃，分析實驗數(shù)據(jù)可知，該儀表的最大溫度誤差為0.2℃，所以該儀表的溫度測量符合預(yù)期的性能指標(biāo)。
4.2 壓力實驗
本實驗使用的是型號為CST1023的臺式氣壓壓力泵，其壓力范圍是-0.095～6 MPa，準(zhǔn)確度等級為0.05級，壓力值可以轉(zhuǎn)換成電流和電壓輸出，電流測量范圍為-30～30 mA，電壓測量范圍-30～30 V，電測準(zhǔn)確度為±（0.02%rgd+0.003%F.S）。
運(yùn)用該壓力泵實驗測得的壓力測量數(shù)據(jù)如表2所示，此時實驗環(huán)境室溫為26.6℃，大氣壓為100.2 kPa.
表2 壓力測量數(shù)據(jù)
燃?xì)獗淼膲毫纫鬄闈M量程誤差為±0.3%，實驗測量得到的數(shù)據(jù)最大誤差為0.16%，所以可以得出結(jié)論，該燃?xì)獗淼膲毫y量符合儀表預(yù)期的性能指標(biāo)要求。
4.3 流量實驗
本實驗使用標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對燃?xì)獗磉M(jìn)行標(biāo)定和檢測，該裝置準(zhǔn)確度等級為0.33級。通過比較燃?xì)獗碛嬎愕睦鄯e流量和標(biāo)準(zhǔn)裝置計算的累計流量，計算出相對誤差。因為本燃?xì)饬髁繖z測范圍是 0.06～10 m3/h，所以選用 0.06 m3/h，2.05 m3/h，10.31 m3/h這3個流量點進(jìn)行實驗。流量實驗數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）如表3所示。
表3 流量實驗數(shù)據(jù)（空氣介質(zhì)）
本燃?xì)獗淼牧髁繖z測精度等級為1.5級，實驗所得數(shù)據(jù)的最大誤差是-0.56%，符合燃?xì)獗淼木纫蟆?/p>
綜上，本設(shè)計的燃?xì)獗砀鞣矫婊具_(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)，最終設(shè)計的燃?xì)獗順訖C(jī)如圖9所示。
圖9 設(shè)計的燃?xì)獗順訖C(jī)圖
5 結(jié)束語
本設(shè)計以MSP430F437單片機(jī)為核心，采用了軟硬件結(jié)合的方式，實現(xiàn)了天然氣體積流量的計量。儀表設(shè)計包括燃?xì)獗淼膲毫z測、溫度檢測、液晶顯示、數(shù)據(jù)的無線傳輸、按鍵切換以及溫壓補(bǔ)償?shù)裙δ?。通過對燃?xì)獗磉M(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，所設(shè)計的燃?xì)獗硇阅苤笜?biāo)達(dá)到了相關(guān)國標(biāo)的要求。
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Research and Design of the Wireless Flow Meter with Low-power Consumption
ZHOU Fu-gen，LI Fu-zeng
（Zhejiang Songchuan Instrument Technology Co.，Ltd.，Wenling Zhejiang 317511，China）
To solve the problem of the circumstance influence on natural gas measurement，a type of gas meter with temperature and pressure compensation is designed.The gas meter can calculate the flow volume on working condition into the standard condition.The online monitoring function is used with wireless communication.The experiments indicate that the error of the flow is less than±1.5%.
low-power consumption；temperature and pressure compensation；wireless communication；gas meter
TH814
A
1672-545X（2017）10-0051-05
2017-07-18
膜式燃?xì)鈬鴺?biāo)（GB/T6968-2011）；切斷型膜式燃?xì)獗恚–J/T 449-2014）；鐘罩式氣體流量裝置（JB/T 12961-2016）等標(biāo)準(zhǔn)編制組成員
周福根（1970-），男，浙江溫嶺人，本科，工程師，一直從事膜式燃?xì)獗淼漠a(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)管理工作。
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