基于msp430的式輪機水平度測量方法

葉輪供水設(shè)備是相對成熟的流量傳感器。家庭中使用的水表就多為旋翼式葉輪水表。葉輪式水表的工作原理為:當(dāng)水以一定流速流過水表時,水表的葉輪轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)速n和水流速度u成正比,即n=Cu(1)n=Cu(1)式中n——葉輪轉(zhuǎn)速(r/s)u——水流速度(m/s)C——比例系數(shù)當(dāng)流量計口徑一定時,理論上葉輪的轉(zhuǎn)速與流量成線性關(guān)系。而實際上水表的比例系數(shù)并不是一個常數(shù),所以要提高水表的測量精度必須實時修正水表的比例系數(shù)。普通水表只是將葉輪的轉(zhuǎn)動通過齒輪組變換成表盤上指針的偏轉(zhuǎn)量,完成對流量的積算,所以不能對水表進行實時誤差修正。隨著技術(shù)的進步和人們對水表要求的提高,無線式水表、IC卡水表等智能化水表已經(jīng)出現(xiàn)。這些水表不僅能夠?qū)⒘髁啃盘栕儞Q成為電脈沖信號從而進行數(shù)字化處理,而且能夠進行誤差修正以提高測量精度。1磁敏傳感器的應(yīng)用由于葉輪式流量計只能將流量信號轉(zhuǎn)換成葉輪的轉(zhuǎn)速信號,所以必須選擇一個可以將轉(zhuǎn)動的機械量信號變換成為電信號的傳感器。干簧管式水表一般是在水表表盤指針上安裝一個磁鐵,再在相應(yīng)的位置安裝上干簧管構(gòu)成。這樣達到了將指針的轉(zhuǎn)動變化為干簧管的吸合、斷開的開關(guān)量信號,可以用作后續(xù)數(shù)字信號處理。但是因為干簧管的固有頻率有限,另外經(jīng)過齒輪組的傳動,信號的分辨率也有限,一般只能達到0.001m3。同時由于干簧管可靠性不高,經(jīng)常造成信號丟失。如果外部有強磁場干擾還會使干簧管誤動作,必須在后續(xù)信號處理中加入復(fù)雜的軟件屏蔽以防止水表計量上出現(xiàn)大的偏差。在系統(tǒng)設(shè)計中采用磁敏傳感器,它可以將磁場的變化信號轉(zhuǎn)化為電脈沖信號。它是利用維根效應(yīng)制成的。其工作原理是:傳感器中的雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在交變外磁場的激勵下,磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn),而當(dāng)外磁場撤離后,它又瞬間恢復(fù)到原有的磁化方向,由此在合金材料周圍的檢測線圈中會感生出電脈沖信號,實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。維根傳感器因無需外部電源,功耗極低。只要其觸發(fā)磁場強度在50～80mT,觸發(fā)磁場的N、S磁極變化一周,傳感器就輸出一對正負雙向的脈沖信號,幅值大于1V。所以輸出信號的周期即磁場的交變周期。且即使磁場的變化速度很慢,輸出信號的強度也不減小。這樣只要將一磁性圓盤與水表的葉輪同軸連接就能將流量信號轉(zhuǎn)換為磁場極性變化信號,再利用維根傳感器(見圖1所示)將其變換成為電脈沖信號。這樣得到的脈沖信號直接和葉輪轉(zhuǎn)動有關(guān),減少了中間機械傳遞環(huán)節(jié),提高了分辨率和精度。而且可以將傳感器與水表一起開模組裝在一起并裝上防磁環(huán),有效地減少外部干擾,可靠性得到提高。但是維根傳感器輸出的信號能量很小,必須經(jīng)過放大調(diào)理(見圖2所示)才能被單片機可靠接收。所以設(shè)計了一個放大調(diào)理電路。經(jīng)過放大電路調(diào)理的P1和P2信號可以直接連到單片機的中斷端口上。P1、P2仍然是正負脈沖對,其脈寬約為30μs。2msp430單株流量脈沖測量方法2.1中斷源情況MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的一種新型16位Flash微控制器。其超低功耗的特性是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成Flash存儲器產(chǎn)品中功耗最低的一種。在睡眠狀態(tài)下其電流消耗僅為0.1μA。強大的中斷處理能力使CPU對每一個中斷都做出快速響應(yīng)。從睡眠狀態(tài)被中斷喚醒僅需6μs。豐富的外圍模塊可以方便地組成數(shù)字水表。MSP430芯片有2類I/O端口。一種是普通I/O,如P3～P6。另一種是P1和P2,其不僅有輸出、輸入功能,還可以作為中斷輸入口。每一個口有7個腳,每一個腳都可以單獨選擇中斷觸發(fā)沿、單獨允許中斷。P1和P2各有一個中斷向量,也就是說PX.0-PX.7的中斷服務(wù)程序的入口是一樣的。在本系統(tǒng)中P2有另外的作用,所以將流量中斷都放在P1上。這樣正負流量脈沖的中斷入口都是一樣的。所以必須在中斷服務(wù)程序內(nèi)判斷具體的中斷源P1.x。分析430端口的內(nèi)部邏輯得知,只有當(dāng)PnIE.x和PnIFG.x同時置位時才會產(chǎn)生PnIRQ.x。而實際上PnIFG.x在端口設(shè)置完成后會隨著端口上信號的跳變而置位,所以不能選用PnIFG.x來作為判斷中斷源的標志,而須根據(jù)先后順序設(shè)置PnIE.x控制中斷的先后順序。同時在P1的中斷服務(wù)程序通過中斷使能寄存器(P1IE.x)來判別中斷源并設(shè)置相應(yīng)的標志,以在主程序中做出相應(yīng)的響應(yīng)。如圖2所示,系統(tǒng)中將流量脈沖信號P1、P2分別接在MSP430的P1.0和P1.1上。其中,P1.0為負向脈沖,P1.1為正向脈沖。根據(jù)其交替輸出正負脈沖的特點,為了減少干擾,規(guī)定必須先后檢測到一對正負脈沖中斷后才認定為有效的脈沖信號。按圖3和圖4所示流程,即可以完成對脈沖對的有效檢測及其計算。2.2流量計k通過中斷服務(wù)程序和主程序,可以有效的獲得流量脈沖信號。利用流量計的儀表系數(shù)可以完成對流量的積算。儀表系數(shù)K的定義為:單位體積流體流過流量計時,流量計發(fā)出的信號脈沖數(shù)。即K=NV(2)Κ=ΝV(2)其中,N為流量計發(fā)出的脈沖數(shù);V為通過流量計的流體體積。只要當(dāng)單片機接收到K對流量脈沖,就說明已經(jīng)有體積為V的流體通過了流量計。或者通過K可以計算出每對脈沖對應(yīng)的流量為1/K單位體積。那么只要當(dāng)接收到一對有效脈沖時,就在累積流量中加1/K。3誤差曲線的擬合葉輪式流量計的儀表系數(shù)K隨流量qv變化,如果在全流量范圍內(nèi)都采用一個K值的話,就會有很大的誤差。同時各個水表的K值也不一致,必須分別對其進行標定以提高儀表的精度。從圖5誤差曲線可以看出,采用一次線性補償?shù)姆椒ú荒芡耆`差。而二次擬合來修正誤差對于單片機而言其運算量太大了,所以這里選擇在誤差曲線上找出關(guān)鍵點來進行分段線性擬合。這里采用標準法來修正誤差。即將標準流量計與被測的葉輪水表安裝在同一條直管段上。這樣在相同時間內(nèi)通過標準流量計與通過水表的流量是一樣。通過標準流量計使流速恒定在選擇的標定點上。記錄下單位時間內(nèi)水表的脈沖數(shù),也就得到了水表在各個不同流量點下的儀表系數(shù)。這里選擇5個標定點,見表1所列。分別記錄下這5個流量點下葉輪水表的儀表系數(shù)并將其記錄在單片機內(nèi)或片外的E2ROM中。在水表實際使用時依據(jù)存儲的各標定流量點的儀表系數(shù)實時的進行誤差修正。也就是將實際測得的儀表系數(shù)與存儲的標定點的儀表系數(shù)進行擬合插值,以計算出實際流量。即q=q2?q1K2?K1×K+K1(3)q=q2-q1Κ2-Κ1×Κ+Κ1(3)其中,q為實際流量;K為實測儀表系數(shù);q1、q2為上下標定點流量;K1、K2為上下標定點儀表系數(shù)。4測量精度分析使用本文方法設(shè)計的