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1、基于MSP430单片机的气体涡轮流量计设计摘 要:流量测量在工业生产、能源计量、环境保护、交通运输、生物技术、军事工程和科学研究等领域占据重要位置，因此，流量测量仪表的研究和开发应用有着深远的意义。涡轮流量计是流量测量仪表中不可缺少的一员，随着现代计算机技术的发展而不断发展和完善。按照模块化设计方法，将系统硬件部分分为不同的功能模块分别进行设计。本着小型化、智能化的原则，设计中采用TI公司的高性能、微功耗MSP430F147单片机作为控制核心，实现了气体流量的实时补偿，提高了仪表的测量精度。在外围器件选型和软件编制过程中进行低功耗设计，极大地降低了仪表的功耗，使流量计具有较高的可靠性。通讯方面
2、可以选择RS-485和HART总线方式，方便了仪表与上位机的连接。LCD显示和键盘方便了用户的操作。软件部分采用了模块化的编程，介绍了各模块的实现方法，最后组合起来进行调试。通过试验，本系统初步达到了流量计量的目的，系统的结构合理，功能完善，硬件和软件设计达到了预期要求。关键词：涡轮流量计；MSP430；流量补偿；HART总线；温压传感器Design of gas turbing flowmeterbased on the MSP430abstractAbstract:Flow measurement occupy an important position in industrial pro
3、duction,energymeasures,environmental,protection,transportation,biotechnology,engineering,military science and other fields.Therefore,there are far-reaching significance research and development applications in flow measurement instrument.Turbine Flowmeter is an indispensable instrument,which are con
4、tinuously developed and improved with the development of modern computer technology. System hardware were designed through divided into different functional modules. Through use of TIs MSP430F147 microcontroller as the core, make the gas compensation in real-time and improve the accuracy of the meas
5、urement. In the course of design, reduce the power consumption of the instrument greatly, and make the flowmeter have a high reliability.It bouth has R485 and the HART bus, so connect to PC very conveniently. User can operate the turbine flowmeter easily, through LCD display and keyboard. Introducti
6、ng the method of the module that how to Implementat and combination of debugging finally.The experiments result has showed that the system has the features of rational structure and perfect function.Key words:turbine flowmeter;MSP430;flow compensation;HART bus;pressureSensor.目 录1 绪论11.1 引言11.2 气体流量计
7、的分类11.3 涡轮流量计的工作原理21.4 涡轮流量计的特点21.5 本文研究内容32 温压补偿技术的研究42.1 温压补偿的必要性42.2 补偿原理43 涡轮流量硬件电路设计53.1 涡轮流量计硬件整体结构53.2 单片机的选取53.2.1 超低功耗53.2.2 强大的处理能力63.2.3 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块63.2.4 系统工作稳定73.3 电源电路83.4 流量测量电路93.4.1 霍尔开关工作原理93.4.2 流量测量原理及电路93.5 温压检测电路103.5.1 温压传感器的选取113.5.2 2MS5535B的特性与功能113.5.3 模块图与连接123.6 实时
8、时钟133.7 显示部分143.8 按键设计153.9 RS-485通讯部分163.10 存储单元174 涡轮流量计积算仪系统软件设计194.1 软件总体构成194.2 软件开发环境194.3 流量计系统总体概述204.4 涡轮脉冲采集部分224.5 实时时钟程序模块234.5.1 I2C总线的概念234.5.2 I2C的位传输和起始信号244.6 显示程序模块254.7 HART通讯模块程序274.8 单片机对存储模块的操作274.9 系统其他辅助程序的应用294.10 流量计的硬件和软件调试295 结论31参考文献.321 绪论1.1 引言在物资量计量领域中，流体流量的检测与控制是各行各业
9、加强物料管理、能源管理，进行物资交接、财务结算，经济核算，效益分析与评价及至决策的重要依据；也是企业监控生产过程，使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境的重要手段。从某种意义上讲：计量就是眼睛，计量就是金钱，计量就是效益。现代企业对流量计量的要求越来越高，主要反映在满足准确性、可靠性、及时性和自动化水平的程度等方面，计量的准确可靠性愈来愈受到社会各界的关注。气体涡轮流量计是一种速度式仪表。它具有压力损失小、精确度高、始动流量低，抗振与抗脉动流性能好等特点。广泛使用于石油、化工、电力工业锅炉等燃气计量和燃气调压站、输配气管网天然气、城市天然气计量等领域并可广泛用于贸易计量。目前，国内在气体
10、流量计特别是气体涡轮流量计的设计、制造与鉴定技术及设备装备水平方面远远落后于欧美国家。而且国内所生产的涡轮流量计产品大多只有简单的计数显示器，客户无法直接从管路中气体流动状况了解流量计实际运行情况，同时性能与质量也不能与国外气体流量计相比。随着中国与国际市场接轨的步伐加快，低精度流量计的使用会受到越来越大的限制，而高精度流量计将需求旺盛。1.2 气体流量计的分类为了满足各种测量的需要，几百年来人们根据不同的测量原理，研究开发制造出了数十种不同类型的流量计，大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。各种类型的流量计量原理、结构不同既有独到之处又存在局限性。为达到较好的测量效果，需要针对不
11、同的测量领域，不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计。工业计量中常用的几种气体流量计有： 差压式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、旋进涡轮流量计、时差式超声波流量计、科式质量流量计等。1.3 涡轮流量计的工作原理气体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图1所示，它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮变送器
12、的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有KQ= f，其中：Q是流经变送器的流量（L/s）；f是电脉冲频率；k是仪表系数，次/升。管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮变送器的重要特性参数，它是代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲，不同的仪表有不同的k。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。涡轮显示仪器前置放大磁电转换protel dxp 20
13、04.iso传感器图1 涡轮流量原理图Fig.1 The scheme of of heat meter1.4 涡轮流量计的特点在各种流量计中涡轮流量计、容积式流量计是可以得到最佳重复性的少数仪表。二者相比，涡轮流量计又具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低的特点。涡轮流量计还具有测量准确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。像这样的技术参数其他流量计则是难以达到的。因此涡轮流量计在工业上应用最广泛，发展最迅速。除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，由于其兼有测量准确度高和重复
14、性好的特点，故还可以作为校验其它流量计的标准表。涡轮流量计虽有很多优点，但由于涡轮必须与流体接触并转动，因此对被测流体的洁净度要求高。流体的温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。而且由于有转动部件，会带来轴承的磨损，使仪表的使用年限受到影响。因此，必须注意根据被测流体的具体情况恰当的选择变送器型式及其附属设备，如附加适当的过滤器等保护设备。1.5 本文研究内容本文研究的是一种新型涡轮流量计。它的优点在于，采用了功能强大的CPU，使得外围芯片减少，整个系统结构简单，无可动部件，系统稳定性高，另外，系统的功耗低、速度快，这些都是本设计的考虑要点及实现目标。流量积算系统是流量计的二次仪表，它接收
15、一次仪表、变送器的信号，进行处理和运算，并将计算的结果由显示、积算单元进行显示和累积。近年来生产的工业流量计都是由一次仪表、变送装置及二次仪表构成的一个流量测量系统。流量显示积算在流量测量系统中起着极其重要的作用，从某种意义上讲，它的质量优劣代表了整个流量计的质量好坏。对于流动工况波动或不断变化的各种工业流体介质，没有高性能、高运算精度的流量显示积算系统，不可能准确测量流量。一个智能流量积算系统就是要充分利用单片机体积小、功能强大、价格便宜、可靠性高等优点并配合一些外围器件，通过编制合理的软件程序完成流量高精度的积算的较先进的一种计量系统。它可以充分利用系统的软、硬件资源，方便完成高精度的补偿
16、运算，并根据配接的流量传感器类型通过良好的人机界面完成参数设置，调用不同的数学模型完成相应的积算。本论文重点就在于讲述一个智能流量积算系统的硬件以及软件设计。2 温压补偿技术的研究2.1 温压补偿的必要性所谓流量计量的补偿，就是对流量计读数的系统误差的修正。流量检测装置的系统误差，多数是流体性质及条件（如温度、压力、成分及流量范围等）变化引起的，流量计输出信号与被测流量之间的刻度关系只能依据某一特定工艺状况来确定，如果流量计的实际刻度系数己经发生变化，这时仍按原刻度关系读取流量，就必然会产生误差。由于气体的可压缩性，决定了它的流量测量比液体复杂，仪表的输出信号除了输入信号有关，还与气体密度有关
17、，而气体的密度又是温度和压力的函数。所以，气体的流量测量普遍存在温度与压力的补偿问题。采用涡轮流量计（速度法）测量气体流量从它的计算公式上看，流体的体积流量与密度无关，也就是与温度、压力没什么关系。但实际上此时测得的流量是针对某一工况下的流量值，而气体流量计读数一般以标准体积流量表示，因此就存在一个现场状况(非标准状态)与标准状态的体积换算问题。即使采用质量流量表示也要先变换到标准状态下的体积流量再乘以标准气体的密度。因此，速度法测量气体流量也需要进行温度、压力的补偿。2.2 补偿原理气体涡轮流量计温压补偿的原理就是把工况条件（非标准状态）下所测的体积流量转换成标准状况(20,0.1013MP
18、a）下的体积流量。对于气体来说气体体密度是温度T和压力P的函数，当流体压力、温度变化较大时，将引起密度的较大变化。密度的不同也就显示了不同的工况条件下测得的相同体积则可能代表了不同的标准体积流量。测流量也可以测量流体的密度，但通常测量流体的温度和压力要比测量介质的密度更容易，特别在高温、高压下，目前现有的密度计还很难直接测量出流体的密度。因此，必须根据标准体积与工况体积、压力、温度的函数关系进行补偿。显然，这种补偿方法的关键在于必须有一个适合于被测流体的VN=f(P,T,V)函数表达式，然后将其带入流量方程式，求出补偿系数，并按此规律进行补偿。3 涡轮流量硬件电路设计3.1 涡轮流量计硬件整体
19、结构本课题设计的涡轮流量计由流量传感器、温度传感器、微处理器、LCD显示、HART模块、按键等组成。该系统以MSP430F147单片机为核心,配合外围器件，实现了信号采集，数据处理，现场显示,累计存储,通讯,按键设置的人机界面等功能。原理图如图2所示。图2 涡轮流量计原理图Fig.2 The scheme of of heat meter3.2 单片机的选取MSP430系列单片机针对各种不同的应用，包括一系列不同型号的器件，主要特点有：3.2.1 超低功耗MSP430系列单片机的电源电压采用1.8-3.6V低电压，RAM数据保持方式下仅耗电0.1uA，活动模式耗电250uA/MIPS（MIPS
20、：每秒百万指令数），IO输入输出端口的漏电流最大仅为50nA。MSP430系列单片机有独特的时钟系统设计，包括两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有时钟系统产生CPU和各功能模块所需要的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的功能模式，芯片的功耗有明显的差异。在系统中共有一种活动模式AM和5种低功耗模式LPM0-LPM4。另外，MSP430系列单片机采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。用中断请求将CPU唤醒只要6us，通过合理编程，既以降低系统
21、功耗，又可以对外部事件做出快速响应。3.2.2 强大的处理能力MSP430系列单片机是16位单片机，采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令及结构（RISC），一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可以执行一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可以达到8MPIS（注意：同样8MPIS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8微处理器高远不止两倍）。TI不久还将推出20-30MIPS的产品。同时，MSP430系列单片机的某些型号，采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它
22、的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的一些算法（如FFT、DTMF等）。这种结构在其它系列单片机中尚未使用。3.2.3 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可能组和有以下功能模块：看门狗(WDT）、模拟比较器A，定时器A(Timer_A)，定时器B(Timer_B)，串口0，1(USART0，1)，硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12位/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数字存取（DMA），端口0（P0），端口1-6（P1-P6），基本定时器（Basic Timer）等。其中，看门
23、狗可以在程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可以设计出(10-11位)高精度的A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能；大量的捕获/比较寄存器，可以用于事件计数、时序发生、PWM等；多功能串口（USART）可实现异步、同步和I2C串行通信，可方便的实现多机通信等应用；具有较多的IO端口，最多达6*8条IO口线，IO输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流（最大约25mA），保证系统安全；P0，P1，P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12位A/D转换器有较高的转换速度，最高可达200Kb/s
24、，性能满足大多数数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15X和F16X系列有两路12位高速DAC，可以实现直接数字波形合成等性能；硬件I2C串行总线接口可以扩展I2C接口器件；DMA功能可以提高数据传输速率，减轻CPU的负荷。MSP430系列单片的丰富片内外设，在目前所有单片机系列产品中是非常突出的，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。3.2.4 系统工作稳定上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置执行，保证晶体振荡器有足够的起振和稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故
25、障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。这种结构和运行机制，在目前各系列单片机中是绝无仅有的。另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40-+80，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。选择所用单片机为MSP430系列单片机后，对单片机的片内资源进行需求分析，最后选择了MSP430F147单片机，它具有如下特点：低工作电压：1.8-3.6V超低功耗：活动模式 220A 1MHz ，2.2V待机模式 0.7A掉电模式（RAM数据保持）：0.1A有5 种节电模式从待机道唤醒的响应时间不超过6s片内频率锁相环FLL+，可使系统工作在稳定的频率上16位精简指令
26、结构（RISC），150ns指令周期具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器集成96段液晶驱动器片内比较器配合其它器件可以构成斜边A/D转换器可在线串行编程可编程的保密熔丝保护设计者代码Flash存储器3.3 电源电路电源电路的作用主要是给测量系统供电，本测量系统主要是靠3.6V的锂电池供电，为了最大限度降低功耗，单片机及所有的外围芯片在选型时的工作电压都是3.3，所以系统电源必须满足两点要求：1在电池电压高于3.3V的时候必须起到将高电压降至3.3V的作用。2. 使用一段时间后由于电池电量的下降，电压也随之下降，势必低于3.3V。这时电源必须起到把低电压升压到3.3V的作用。为了达到以上性能要
27、求，在设计电源时选择了austriamicrosystems公司AS1325稳压片。AS1325是集成了同步整流器的高效升压DC-DC转换器，其效率为96%。在输出电压为3.3V的条件下，该器件可提供1.5至5V的供电电压。当输入电压低于2V，输出电压为3.3V时，输出电流可达185mA。完全可以满足系统的供电需求。另外本系统采用理光R3111H301C3.0V电压检测芯片，当电压低于3.0V时，P1.0输出低电平，P1.0下降沿中断有效，进入中断处理，显示“换电池”同时蜂鸣器发出报警声。电源电路的连接如图3所示图3 电源模块原理图Fig.3 The scheme of of Power Mo
28、dule3.4 流量测量电路3.4.1 霍尔开关工作原理当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为：U= KIB/d（3.1）其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。3
29、.4.2 流量测量原理及电路按图4所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。图4 旋转传感器磁体设置Fig.4 Set rotation sensor magnet由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。本流量传感器由霍尔开关元件A3210，带磁涡轮及电平转换电路组成，构成如图5所示。将A3210固定在距涡轮所在平面约13mm处。永磁铁经过霍尔元件附近一次，即产生一个计量脉冲；如果一个涡轮有
30、8个叶片，且每一转对应0.01m，那么传感器的一个脉冲就对应0.01m/8的流量。根据这一原理，我们可确定流量的计算公式为；Q=KM（3.2）式中，Q为流量m；K为基表系数，0.01mr；N为转数。图5 涡轮脉冲采集框图Fig.5 The diagram of Pulse Acquisition with Turbo根据这一原理，只要通过MSP430的捕获功能计算A3210产生的脉冲的频率，就能实时的计算出气体在标况下的流量了。3.5 温压检测电路本设计的关键是选用合适的温度和压力传感器，使硬件电路最大限度的简化，而且与所选MSP430单片机相匹配，达到预期的精度和超低功耗要求。3.5.1 温
31、压传感器的选取本设计采用的MS5535B是一种集成度高、功能强大的集成芯片。集成传感器近年发展很快，和经典的传感器相比，集成传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。一般的传感器多为一个传感器测量一个参数，而传感器的多功能与集成化则是在芯片上制作出多个传感器来测量多个参数。传感器的集成化是指将多个功能相同或不同的敏感器件制作在同一个芯片上构成传感器阵列，主要有三个方面的含义：一是将多个功能完全相同的敏感单元集成制造在同一个芯片上，用来测量被测量的空间分布信息，例如压力传感器阵列或我们熟知的CCD器件；二是对多个结构相同、功能相近的敏感单元进行集成，例如将不同
32、气敏传感元集成在一起组成电子鼻，利用各种敏感元对不同气体的交叉敏感效应，采用神经网络模式识别等先进数据处理技术，可以对混合气体的各种组分同时监测，得到混合气体的组成信息，同时提高气敏传感器的测量精度；这层含义上的集成还有一种情况是将不同量程的传感元集成在一起，可以根据待测量的大小在各个传感元之间切换，在保证测量精度的同时，扩大传感器的测量范围；三是指对不同类型的传感器进行集成，例如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元的传感器，能同时测到环境中的物理特性或化学参量，用来对环境进行监测。MS5535B完全体现了传感器集成化的发展趋势，是设计的首选。3.5.2 2MS5535B的特性
33、与功能MS5535B由一个硅压阻传感器和一个集成传感器接口电路组成，其主要特性有：测压范围为0-14bar；供电电压2.2V3.6V，工作温度-40+125；内含六组软件补偿系数，无需外部补偿；内含3线串行数据口和一个32.768kHZ的主时钟；15位分辨率的模数转换，是一种低电压、低功耗、可以自动进行开/关切换的SMD器件。将压力传感器与集成传感器接口电路结合在一起是为了节省其他外部元件和实现超低功耗。为了降低能量损耗，在转换过程中传感器不断被启动和关闭，在一次变换中总的工作时间为2ms。当MS5535B处于待命状态时，可通过关闭母机降低功耗。同时，因为该装置对震动非常敏感，必须使用晶体震荡
34、器，时钟波形必须是方波。MS5535B的主要功能是将硅压阻式传感器输出的未补偿的压力模拟信号转换成16位的数字量，同时还可输出16位的温度值。被测压力（16位）由D1输出，被测温度(16位)由D2输出。MS5535B和各种单片机之间的通讯通过三线串行口实现。此外，为了对传感器有一个非常精确的软件标定，该模块设置了6组可读的补偿系数。3.5.3 模块图与连接MS5535B是集成芯片，它的模块结构如图6所示。图6 MS5535B 的模块图Fig.6 The modules map of MS5535B由于压力传感器的输出电压受温度的影响很大，所以必须对其进行补偿，而补偿必须通过软件由一个外部微处理
35、器完成，补偿部分的软件设计将在下一章中介绍。电路连接如图7所示。图7 MS5535B与单片机的连接Fig.7 MS5535B and MCU link3.6 实时时钟在智能仪表中需要随时查看当前时间或历史记录，这就需要系统有一个实时时钟单元。实现实时时钟有两个方案：一是使用CPU自身资源方便地构造时钟单元。二是使用外围时钟芯片。本系统选择的是后者，主要原因有两点。1由于仪表是电池供电对功耗的要求非常苛刻，而整个系统中CPU是耗电大户，如果使用CPU自身运算时钟势必消耗大量的CPU资源。这样就会使CPU进入休眠模式的时间缩短，功耗上升，大大降低了电池的使用寿命。在气体流速平缓时CPU不需要重复的
36、测量，只需定时测量一次即可，其它时间处于休眠状态。时钟芯片可以在规定时间内周期性的产生中断唤醒CPU，而在不需要读取时间的时候，时钟芯片本身工作不需要CPU的参与，延长了电池使用寿命。本系统选择的是PHILIPS公司的PCF8563，这是一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563的多种报警功能定时器功能时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路，内部振荡电路，内部低电压检测电路（1.0V）以及两线制I2C总线通讯方式不但使外围电路及其简洁而且也增加了芯片的可靠性同时每次读写数据后内嵌的字地址寄存器会
37、自动产生增量。PCF8563与单片机的电路连接如图8所示：图8 时钟模块电路图Fig.8 Clock module circuit其中电容C3的取值范围为120pF，备用电池可选用3V纽扣电池。当系统意外断电时，备用电池给PCF8563供电，使其继续工作。上电后单片机读出的时间就不会因为断电而发生错误。3.7 显示部分显示模块是人机接口的一个重要组成部分，友好的显示界面能够方便操作者的读数和进行参数设定。本测量系统的显示屏需要完成显示测得的瞬时流量与累计流量，系统时间，并提供用户简单的参数设置界面。选用的显示模块为金鹏电子有限公司的低功耗OCMJ4X8C-3液晶显示模块，其主要显示参数如下：电
38、源：VDD2.75.5V低功耗模式：30uA；显示内容：128列64行；显示角度：6点钟直视；LCD类型：STN；与MCU接口：8位并行/3位串行；配置有LED背光显示功能；带有自动启动复位按钮(reset)；一般来说采用并行连接方式具有速度快，CPU消耗低的特点，但是连线较串行复杂。考虑到课题设计的涡轮流量计中MSP430单片机的外围模块比较多，占用了较多的接口，而MSP430F149的接口有限，所以显示屏与单片机的连接方法选用为串行接口的连接方法。如图9所示：图9 LCD与单片机的连接Fig.9 LCD connection with the MCU在设计中用单片机的三个普通I/O口与液晶
39、模块相连即可。CS为片选端，平时在LCD不用时可以置低，以降低功耗。SCLK为串行时序的输入端，SID为数据输入端，通过这两个端口的配合，单片机就可以把要显示的数据写入LCD了。3.8 按键设计按键电路考虑到设计的仪表主要用来测量流量，所以键盘并不需要很多按键。本系统设计了四个按键的键盘，即、Cancel、Enter四个键，最多可完成8种任务。其中，各个键的功能为：（1）和键的功能相似，在菜单状态时可以上下移动光标，选择需要进入的功能。在进入某个功能后和起的作用主要是调整参数的大小，按一次键参数加一，而按一次键则参数减一。（2）Enter键为选择功能键。按下Enter键，系统将进入某个选定的功
40、能状态。此时和键可以选择需要修改的参数，按一次Enter键，进入修改参数状态，状态改完后按Cancel键则可推出。（3）Cancel键和Enter键功能相反。按下Cancel键可以推到当前菜单的上一级。系统采用中断的方法来设计键盘，由于MSP430F147单片机的P1口具有中断功能，所以采用 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个端口作为按键的输入接口。按键与单片机之间连接的原理图如下图10所示。图10 按键电路原理图Fig.10 circuit schematics of keys3.9 RS-485通讯部分在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距离的数字通信。
41、在RS-422标准的基础上，EIA研究出了一种支持多节点、远距离和接收高灵敏度的RS-485总线标准。RS-485 标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：接收器的输入电阻RIN12k驱动器能输出7V的共模电压输入端的电容50pF在节点数为32个，配置了120的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）-0.2V，表示信号“1”）因为RS-485的远距离、多节点（32个）以及传输线成本低的特性，使得EIARS-485成为工业
42、应用中数据传输的首选标准。本系统采用MAX3485作为RS-485接口芯片，该芯片的主要技术参数为：工作电源为33.6V,工作电流1mA，数据传输率为12Mbps。当驱动60负载（RS-485网络终端匹配电阻120的并联值）峰值电流可达50mA。本系统采用MSP430F147单片机包含了两个USART模块，可以很方便的和MAX3485连接。再RS-485通讯过程中MAX3485芯片把信号转变成RS-485标准需要的电平发送到计算机或端，从计算机或终端接收数据然后发送给USART。原理图如图11所示图11 RS-485原理图Fig.11 circuit schematics of RS-485图
43、中，MAX3485的R0脚与单片机的P3.4/UTXD0相连，作为通信电路的数据接收。DI脚与P3.5/URXD0相连，作为通信电路的数据输出。RE与DE接入P3.7和P3.6作为MAX3485的使能端。3.10 存储单元在智能流量计中存储单元用来存储系统的配置信息、运行状态信息等。包括流量总量、历史流速、气体温度、压力等。当用户或管理人员需要查看流量表的信息时，MCU从存储单元中读取相关信息并将其显示在LCD上。AT24C01是ATMEL公司出品的采用I2C总线接口的串行E2PROM，内建128x8存储序列，最高可达1MHz 串行时钟频率，电压范围宽（1.8V5.5V）。芯片在低压的工业与商
44、业应用中进行了最优化，每字节擦写次数可达10万次、数据可保存100年。具体电路图如图12所示。图12 串行存储器电路Fig.12 The circuit of Serial memoryAT24C01的第7管脚（写保护管脚）接地，使该芯片始终处于可以进行写的状态。A0、A1和A2都接地，表示该器件的地址为000。由于I2C是总线工作方式，该总线上还挂有PCF8563时钟芯片，所以总线上的每个器件都应该有相应的地址，这样才能实现寻址操作。4 涡轮流量计积算仪系统软件设计4.1 软件总体构成在编制程序时，采用了“自顶向下”的程序设计方法，即从整体到局部，最后到细节。这种程序设计思路将注意力集中到程
45、序的总体逻辑结构上面，只要总体逻辑结构正确，再复杂的程序也可以按划分出来的逻辑功能模块逐个设计出来。整个程序设计分如下三个步骤：1. 总体规划。包括设计软件整体结构，划分子程序模块。2. 具体实现。即模块化编程，用程序语言把子程序模块一一实现。把每个子程序模块设计成只有一个入口和一个出口。这样一来，各个程序模块可分别设计，从而使程序的调试、修改和维护都变得比较容易。3. 总体组合。即结构化编程，使用结构良好的转移和调用，将子程序模块有效地组合成一个整体，使流程明确地从一个程序模块转移到下一个程序模块。4.2 软件开发环境涡轮流量计系统软件主要用C语言编制。目前单片机C语言编程是单片机开发中比较
46、流行的语言。这是由于C语言有其内在的优点，与汇编语言相比，C有以下的优点：对单片机的指令系统不需要太了解寄存器分配、不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性。编程及调试时间显著缩短，从而提高效率，已编好的程序可容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术，轻易的完成复杂的数学运算。MSP430系列单片机使用IAR Workbench系统，它的编译器提供C语言的标准特性，还具有许多为MSP430单片机专门设计的开发工具。IAR Workbench是一款集编辑、编译、调
47、试、下载于一体的集成开发环境。它提供以下特性：1.语言工具与 ANSI规格一致可应用于嵌入式系统的标准函数库具有可选用的源代码IEEE兼容的浮点算法对 MSP430特殊性能的有力扩展包括高效的I/0用户代码与汇编子程序连接长识别符多达255个有效字符多达 32000个外部符号2.性能快速编译避免暂时文件或覆盖的overlays基本存储器的设计编译时严格的模块接口类型检查程序源的LINT-like检查3.代码产生可选择的代码速度或大小的最佳化易于理解的出错和警告消息与 C-SPY高级调试器兼容4. 目标支持灵活的变量分配不需要汇编语言的中断函数使用处理器专用扩展时保持可移植性的#Pragma伪指令4.3 流量计系统总体概述C语言支持结构化编程，它的模块化结构给编程带来了极大的方便。智能流量计系统的应用程序主要是由主程序和中断处理程序组成，其中主程序又由多个子程序所组成。主程序包括：系统初始化子程序、配置运行参数子程序、LCD显示子程序等；中断处理子程序包括：流量检测子程序、温度压力检测子程序、流量补偿算法子程序、按键输入子程序、存储配置数据子程序、通讯
