基于MSP430F147的智能金属浮子流量计设计

1万 · 2013-4-28 18:49

MSP430F147单片机是TI推出的一种具有超低功耗的16位Flash单片机.特别适合应用在对功耗敏感的场所。MSP430Fl47共有五种低功耗模式，即低功耗模式0(LPMO)—低功耗模式4(LPM4)。利用MSP430F1X系列单片机，可以简便快捷地构建一个低电压平台，通过各功能模块的智能运行管理和MCU功耗模式相结合，可以解决运行速度与低功耗设计之间的矛盾，将各功能模块的电流消耗降至最低状态。MSP430F1X系列采用Flash芯片做为存储器，具备在系统编程能力，提高了开发速度和成本。MSP430F147它有一个硬件乘法器、6个I/O端口，一个精确的模拟比较器，2个具有捕捉/比较寄存器的定时器，片内看门狗定时器，2个串行通信接口和32KB+256字节的FLASH ROM，1KBRAM，8个外部通道的12位高性能A/D转换器利用芯片内置的自动扫描功能，A/D转换器可以不需中央处理器的协助而独立工作。概括来说，MSP430F1X系列单片机其有超低功耗、强大的处理能力，丰富的片上外围模块，方便高效的开发方式、多种存储器形式的特点。
1 智能流量计设计

1.1 设计目标

采用MSP430F147单片机设计一种低功耗的智能流量计，解决金属浮子流量计的非线性化问题。并具备现场显示流量、输出4-20mA远传信号的功能。

1.2 设计方案

通过在与金属浮子(磁钢)运动方向垂直的平面上放置线形霍尔片，将金属浮子的位移量转换成电信号，经放大后送MSP430F147采样并进行均值滤波，再通过查表完成线形化修正，再以修正后的值为索引查找流量值表得到对应的流量值并送LCD显示。系统流程如图1所示。

1.3 硬件电路设计

1.3.1 电源电路（图2）

采用24V-10V直流电对电路板供电，电源正极接二极管D1IN4148，防止电压反接时对电路板的损害。电路中需要5V电压VCC对运算放大器、三极管等模拟器件供电。MSP430工作电压VDD设定为3.3V。考虑到电路板的静态功耗需要在4mA以下，而MSP430工作电流需要600μA，液晶显示工作电流大约为1.2mA。霍尔片需要1mA电流激励，所以电源部分的芯片需要选用低功耗的。这里选用的LM10C和LP2981-3.3。LM10C由一个200mV的基准和一个独立的高性能运放器组成。

电阻R1与R11形成同相比例放大电路，将基准电压200mV放大(1+48/2)=25倍，则管脚6独立运放的输出端的输出电压为200mV×25=5V，即在管脚6独立运放的输出端输出电压5V电压VCC。

LP2981是低功耗的电压调整芯片，具有100mA的电流负载能力。输出电压有2-5V可选。这里选用的是LP2981-3.3V。可将输入直流电压调整到3.3V。5V电压经过LP2981-3.3V调整后形成3.3V电压VDD对MSP430供电。

1万 · 2013-4-28 18:50

1.3.2 霍尔元件电路(图3)

霍尔元件选用的是NHE211线性霍尔元件，工作电流需要1mA左右。电路前端部分为恒流源部分。电压经电阻R3、R1分压后送双路运放TLC2252同相输入端。TLC2252内部有两个独立的高性能运放A和B。电压VCC经电阻R2、R3分压后接至运放A同相输入端。

霍尔片NHE211管脚2与4间流入激励电流。管脚1与3之间输出霍尔电压。输出的霍尔电压在毫伏级，霍尔电压须经过放大才能被A/D采样。霍尔电压的正负极经电阻R7、R8接入TLC2252的运放B的同相、反向端。电阻R10、R7阻值决定了霍尔电压的放大倍数。霍尔电压被放大的倍数为R10/R7，为20倍，从而让霍尔电压达到伏级。放大后的霍尔电压送至MSP430F147的P6.0口，供片内A/D采样。

1.3.3 MSP430F147部分

电路中应用到MSP430F147的JTAG口，方便程序的调试：端口P6.0做A/D采样口，采样经放大后的霍尔电压。端口P4.0-P4.7做字符显示数据口，接LCD数据口。端口P5.5-P5.7接LCD控制口。P3.3与串行D/A MAX5302的SCLK相连。P3.1与MAX5302的DIN相连。P3.0与MAX5302的CS端连接。未用到管脚悬空，这样可以降低MSP430F147的功耗。MSP430F147未接外部晶振，采用片内数控DCO的DCOCLK经分频后作为主时钟MCLK。

1.3.4 MAX5302及输出部分

MAX5302是超低功耗12位串行电压输出型D/A，电流消耗为270uA。通过SPI方式与430的USART0通讯。基准电压采用MSP43OF147的VREF+电压。

MSP430的USART0送过来的数据经过DIN口送入内部16位的移位寄存器，实现串并转换。转换后数据送入输入寄存器存储。当DAC寄存器为空时从输入寄存器存储中装入数据。当一次D/A转换完成后DAC从DAC寄存器中取出数据重新开始转换，转化后的电压送入运放同相输入端。此时需要将电压输出改为电流输出，达到补偿调整输出4-20mA电流的目的，在D/A输出端加三极管Q2，通过控制发射极电流以达到控制输出电流输出的目的。

输出电流I=(VREF×N)/(4096×R)A (R为100Ω，N为DAC的数字值)

1万 · 2013-4-28 18:50

2 软件部分

2.1 主程序设计

采用IAR公司的集成开发环境Embedded Workbench进行项目开发。主程序为仪器的监测程序，在程序开始运行时，首先对系统进行自检并初始化，具体包括时钟模块。数字I/O端口，WDT、USART及ADC各功能模块的工作方式设置。系统初始化完成后便等待中断友生。

2.2 中断服务程序设计

系统设计了复位中断、A/D转换中断及键盘中断及WDT中断服务程序，Embedded Workbench中，中端程序的格式是：interrupt[中断向量偏移量]void 中断程序名(void){ }。

复位中断设计成和主程序同一入口，完成系统初始化，并等待中断发生。

片内ADC12当转换完成后发生中断，在中断服务程序中将ADM12MEME0中取出，并调用线性化修正子程序。为了减短关中断的时间，子程序的执行是在开中断下执行的。

系统定义了3个功能键盘。在其对应的中断服务程序中完成调零，调满及确认功能。

在MSP430F147单片机中的WDT设为看门狗模式，防止程序跑飞。定时时间为1S，选择ACLK信号作为WDT的时钟源。当发生WDT中断，系统复位。

2.3 线性化修正子程序

采用分段线性的线性化方法。线性插值是插值点用折线段逼近非线性曲线，以达到线性化的目的。查表法是一种分段线性插值法，它是根据精度要求对非线性曲线进行分段，分段越多，线性化精度越高，分段后用若干段折线逼近曲线，将折点坐标值存入数据表中，测量时，根据一段直线的斜率进行线性插值，从而实现线性化修正。

下面以四段(5个折点)为例。说明本系统线性插值法实现线性化的过程。五个点的折点坐标值为：
横坐标：0、I1、I2，I3、I4；
纵坐标： 0、F1、F2、F3、F4；

在第一段，即点(0，0)与点(I1，F1)之间，折线方程为：F1=0+(F1+0)(I-0)/(I1-0)

在第二段，即点(I1，F1)与点(I2，F2)之间，折线方程为：F=F1+(F2-F1)(I-I1)/(I2-I1)

在第三段，即点(I2，F2)与点(I3，F3)之间，折线方程为：F=F2+(F3-F2)(I-I2)/(I3-I2)

在第四段，即点(I3，F3)与点(I4，F4)之间，折线方程为：F=F3+(F4-F3)(I-I2)/(I4-I3)

1万 · 2013-4-28 18:51

所以温度T的表达式的通式为：

F=Fk+(Fk+1-Fk)(I-Ik)/(Ik+1-Ik)

上式中，k为折点的序号，如对应第三个折点，k=3，对应第四段折线方程。

3 结语

采用上述设计的智能化金属浮子流量计，具有超低功耗、低成本、结构简单等特点，完成了对流量计非线性修正，拓宽了金属浮子流量汁的应用范围。

参考文献

[1]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航空航天大学山版社.2001.
[2]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
[3]胡大可.MSP430系列单片机C语言设计与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社2003.
[4]赵晶.电路设计与制版-Protel高级应用[M].北京：人民邮电出版社. 2002，
[5]黄廷祝.钟尔杰.数值分析[M]北京：高等教育出版社，2004.

基于MSP430F147的智能金属浮子流量计设计

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