（电路与系统专业论文）用于热量表的流量自动标定系统的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 随着我国“集中供热，分户计量 政策的实施，国内对热量表的需求必将日益增多。 热量表作为一种计量装置，出厂之前的标定是必不可少的环节。现有的热量表标定系统 大多为手动系统，操作繁琐，标定所需的时间较长，热量表的误差修正需要人为调整， 不利于工厂大规模的生产。 针对上述问题，研制了用于热量表的流量自动标定系统。整个系统包括恒温循环水 回路、稳压罐、电磁阀、流量调节阀、电子秤和控制单元等组成部分。其中控制单元采 用t i 的低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为主控芯片，可实现与上位机进行数据交换、恒 温水槽的温度控制、控制整个标定过程、将热量表的修正系数自动写入热量表等功能； 为了方便用户操作，根据实际情况编写了上位机软件，为操作员提够了友好的人机界面， 使操作员不需要了解设备的内部细节就可以正确、迅速地进行热量表的标定工作。 本系统对流量标定采用称量法，用高精度的电子秤作为标准量器来确定不同测试点 的实际流量。本系统可同时标定1 2 块热量表且标定过程无需人为干涉，标定时间半个 小时左右，与手动系统相比极大地提高了劳动生产率，还避免了人为失误的情况。本标 定系统已投入使用，经本系统标定的热量表已经大批量生产，均通过国家的热量表标准 装置鉴定，完全符合国家标准。 关键词：热量表；流量；自动标定；称量法 大连理工火学硕+ 学位论文 d e v e l o p m e n to f a na u t o m a t i cf l o wc a l i b r a t i o ns y s t e mf o rh e a tm e t e r s a b s t r a c t t h ed o m e s t i cn e e df o rh e a tm e t e r si si n c r e a s i n gd a i l yb e c a u s eo ft h ee n f o r c e m e n to ft h e p o l i c ya b o u th o u s e h o l d h e a tm e t e r i n gw i t hc e n t r a lh e a t i n g a sak i n do fm e t e r i n gd e v i c e s ，t h e c a l i b r a t i o nf o rh e a tm e t e r si sn e c e s s a r yb e f o r et 1 1 e ya r ed e l i v e r e d h o w e v e r , m o s to ft h e e a l i b r a t i o ns y s t e m so ft h e ma r em a n u a lw h i c hh a v ec o m p l e xo p e r a t i o n , c o s tal o to ft i m ea n d c a l i b r a t e dc o e f f i c i e n t so fh e a tm e t e r sn e e d sa r t i f i c i a la d j u s t i n g , 也e ym a k ei tq u i t ed i f f i c u l tt o r e a l i z el a r g e - s c a l ef a c t o r yp r o d u c t i o n u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，t h ea u t o m a t i cf l o wc a l i b r a t i o ns y s t e mf o rh e a tm e t e r si s d e v d o p e d i ti sc o m p o s e do ft h ec i r c u l a t i n gw a t e rl o o pi nc o n s t a n tt e m p e r a t u r e ，s u r g et a n k ， s o l e n o i dv a l v e s ，f l o wr e g u l a t i n gv a l v e ，e l e c t r o n i cs c a l ea n dc o n t r o lu n i t s a m o n gt h e m ，t h e c o n t r o lu n i t sa r ee s s e n t i a lw h i c hu s et h el o wp o w e rt is i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r m s p 4 3 0 f14 9a st h em a i nc o n t r o lc h i p t h e yc a l le x c h a n g ed a t aw i t ht h eh o s tc o m p u t e r , c o n t r o lt e m p e r a t u r eo ft h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r et a n k , m a n a g et h ew h o l ec a l i b r a t i o np r o c e s s a n dw r i t ec a l i b r a t e dc o e f 行c i e n t si n t oh e a tm e t e r sa u t o m a t i c a l l y t h eh o s tc o m p u t e rs o f t w a r ei s d e s i g n e dt op r o v i d eaf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c ef o ro p e r a t o r s ，w h i c ha l l o w so p e r a t o r st o c a l i b r a t eh e a tm e t e r sq u i c k l ya n dc o r r e c t l yw i t h o u tk n o w i n gt h ei n n e rd e t a i l so ft h e e q u i p m e n t n ed e v e l o p e ds y s t e mu s e sw e i g h i n gm e t h o df o rf l o wc a l i b r a t i o n , u s i n ge l e c t r o n i cs c a l e 、) l r i ml l i g ha c c u r a c ya st h es t a n d a r dg a u g e st od e t e r m i n et h ea c t u a lf l o wo ft h ed i f f e r e n tt e s t p o i n t s t h ed e v e l o p e ds y s t e mc a nc a l i b r a t e12h e a tm e t e r si na b o u th a l fa nh o u rw i t h o u t h u m a ni n t e r v e n t i o na tt h es a m et i m e ，w h i c hi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yg r e a t l yc o m p a r i n gw i t h m a n u a ls y s t e m sa n da v o i d sh u m a n sm i s t a k e sa sw d l t h ed e v e l o p e ds y s t e r nh a sb e e n p r o d u c e di np r a c t i c a lu s a g e l a r g eb a t c h e so fh e a tm e t e r sc a l i b r a t e db y i th a v eb e e np r o d u c e d ， w h i c hh a v ea l lp a s s e dt h en a t i o n a lh e a tm e t e rs t a n d a r da p p r a i s a la n da r ec o m p l e t e l y c o n f o n ：1 1 e dt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d s k e yw o r d s ：h e a tm e t e r s ；f l o w ；a u t o m a t i cc a l i b r a t i o n ；w e i g h i n gm e t h o d i i i - 人连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：! 堑竺叁垒! 煎5 垫壑堑堕壁型 作者签名： 导师签名： 二垂坚鱼一 日期：竺：! 年生月卫日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 一一墨童塑鱼i 丝重塾筮：签! 盗堕塑型 作者签名：么叠】3 迅日期：丝1 2 年生月5 日 大连理t 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题提出背景 进入2 1 世纪，能源问题已成为全球化的问题。能源短缺制约着世界各国的各行各 业。针对此种状况，各行各业都采取相应的措施节能降耗。在供暖行业同样不例外。在 国外尤其是欧洲，主要采取集中供热分户计量方式，并已形成主要的供暖体系。收费则 主要采取按所用热量收费，同时考虑建筑面积的收费方式【l 】。 我国也提出了“集中供热，分户计量”的政策。国家发改委于0 8 年8 月份发布的 城市供热价格管理暂行办法中规定：新建建筑要同步安装热量计量和调控装置，既 有建筑具备条件的应当改造，逐步实现按两部计热价( 基本热价和计量热价) 计收热费。 城市供热价格管理暂行办法的颁发必然导致对热量表的需求大幅增加。这对部 分热量表生产厂家的产能提出考验。因为作为一种计量用仪表，出厂前的标定是必不可 少的一道环节，标定系统的准确性与效率就成为制约厂家的产能的主要因素。 热量表是一种适用于测量在热交换环路中，载热液体所吸收或转换热能多少的仪 器。热量表又称热能表、热能积算仪，既能测量供热系统的供热量又能测量供冷系统的 吸热量。 进水管路与回水管路上分别安装一只温度传感器，热量表根据现场情况安装在进水 管路或者回水管路上，热量表采集温度传感器的温差与流体的流速，利用积算公式算出 热交换系统获得的热量【2 j 。热量表系统原理图如图1 1 所示。 图1 1 热量表系统原理图 f i g 1 1 t h ed i a g r a mo fh e a t m e t e rs y s t e m 用于热最表的流龟自动标定系统的研制 q = j q 。x a h d t = i p x q ，a h d t ( 1 1 ) 矗 热量表的积算公式如式( 1 1 ) 所示。式中： q ：系统释放或吸收的热量，单位为j ； g 。：流经热量表的水的质量流量，单位为k g h g 流经热量表的水的体积流量，单位为m 3 h ； p ：流经热量表的水的密度，单位为k g m 3 ； 幽：在热交换系统进口和出口温度下水的焓值差，单位为j k g ； ，：时间，单位为h 。 通过式( 1 1 ) 可以看出热量表的流量测量精度是重要指标【3 】，直接影响供热计量的 准确性，因此每只热量表在出厂前均需要按规定进行流量标定。目前国内多数热量表生 产厂家热量表标定装置的流速调节装置采用手动方式，操作复杂，流量修正系数的写入 需要人工操作，易出现人为失误。计量局的热量表标准检定装置采用整体检定的方法， 该方法精度高，但检测成本高且效率较低，不适合作为生产设备，多用于热量表的定型 检定。为提高热量表标定的自动化程度与标定效率，与大连瑞工微电子公司合作进行热 量表的流量自动标定系统研制。 1 2 流量计标定系统的分类 流量计标定系统是流量计量和测试技术发展的重要环节，也是物流计量的重要组成 部分，一直以来都受到世界各国的重视，许多国家组成了专门的研究机构，进行流量计 标定系统的研带l j 4 , 5 】。 流量计标定系统，根据标定用介质的不同可分为液体流量标定系统和气体流量标定 系统。 液体流量标定系统按照所使用的标准器的形式，分为标准表法，称量法和容积法。 ( 1 ) 标准表法： 标准表法流量标准装置是利用流体力学的连续性原理，将标准流量计和待检测流量 计串联在同一管道上。在流体稳定的情况下，任何时刻流过两台流量计的质量流量是相 等的。通过比较标准流量计给出的标准流量与被检测流量计的实际流量，确定被检测流 量计的技术指标【6 j 。 ( 2 ) 称量法： 称量法是国际标准化组织推荐的方法。称量方式的标定方法是用秤替代有刻度的容 器，可分为静态法和动态法两种。所谓静态法是在一定的时问内液体从被检测流量计流 大连理工大学硕士学位论文 入称量容器内，待液体完全停止流动后测出容器内液体的质量，然后根据液体的密度来 计算体积，进而确定流量计的流量。所谓动态法是指在整个标定过程中，液体并不停止 流动，边记录时间边测量液体的质量【7 j 。 ( 3 ) 容积法： 容积法标定装置是一种常用的流量计标定系统，恒压的液体通过被标定的流量计流 入定容容器，在规定的时间段内，通过定容容器获取液体的体积，然后与被标定流量计 测得的体积进行比对，从而求得流量计的误差。 容积法同样也分为静态法和动态法。 静态容积法是一种以标准容器为基准的检定方法。静态容积法由标准容器、换向器、 计时器组成。换向器上装有一对光电管，控制器通过接收光电管的信号来启动和关闭定 时器。标定开始时换向器接通标准容器，控制器同时启动计时器，当达到标准容器的容 量后，控制器将换向器切换至旁路，同时计时停止并读取被检定流量计的流量。通过比 较标准容器的容量与被检定流量计的实际流量来确定被检定流量计的基本误差。 动态容积法不包括换向器，通过稳压后的液体经过待检定的流量计直接流入定容容 器，计量在测试时间内流经被检定的流量计与流入定容容器内液体的流量，通过比较两 个流量值来确定被检定流量计的基本误差1 8 , 9 】。 1 3 国内热量表标定系统的研究现状 热量表标定系统伴随着热量表进入国内市场，它是在流量计标定系统的基础上发展 起来的。国内热量表标定系统现状如下： 一天津市计量监督检测科学研究院 天津市计量监督检测科学研究院的前身是始建于1 9 3 0 年4 月1 5 同的天津市度量衡 检定所，1 9 4 9 年4 月2 8 日成立天津市人民政府工商局度量衡检定所，经五十余年演变 至今成为天津市计量监督检测科学研究院。采用标准表法。主要技术指标如下： ( 1 ) 温度计量范围：5 1 5 0 ( 2 ) 温差计量范围：3 k 1 4 0 k ( 3 ) 流量计量范围：l o l h 3 0 m 3 h ( 4 ) 流量检定介质温度：5 0 士l ( 5 ) 流量波动系数： o 5 ( 6 ) 流量检定装置不确定度：0 5 ( 7 ) 温度检定装置不确定度：0 1 7 可满足2 、3 级热量表定型鉴定、样机试验、首次强制检定及热量表生产厂出厂检 用丁热量表的流量自动标定系统的研制 验。 二山东省德鲁计量科技有限公司 山东省德鲁科技有限公司是隶属于山东省计量科学研究院的一家股份有限公司，主 要从事仪器仪表、电子工程施工、热能表检定装置和许可证范围内的计量器具的制作。 是德国荷德鲁美特公司在中国的独家代理商。采用称量法。主要技术指标： ( 1 ) 管径：d n l 5 d n 5 0 ( 2 ) 流量范围：0 0 1 5 m 3 h - - 一3 0 m 3 h ( 3 ) 流量范围：0 0 0 5 - 2 4 k g s ( 4 ) 电子称称量范围：o 1 5 0 k g ( 5 ) 电子秤精度：0 0 5 ( 6 ) 不确定度：0 8 3 三天津创世科技发展有限公司 天津创世科技发展有限公司是一家专门从事新技术开发、应用的高科技企业。该公 司的热量表检定装置于2 0 0 2 年6 月顺利通过国家质量监督检验检疫总局组织和主持的 科技成果鉴定，该装置已达到国外同类装置的先进水平。采用标准表法。主要技术指标： ( 1 ) 管径：d n l 5 一d n 2 5 ( 2 ) 流量范围：0 0 3 m 3 h 5 m ( 3 ) 装置准确度：3 级 1 4 本文的主要研究内容 目前户用热量表按管径分主要有两种d n l 5 ，d n 2 0 ，本课题主要针对这两种热量表 研制了一套基于称量法的自动化的流量标定系统。主要研究内容包括： ( 1 ) 系统硬件的设计，包括水泵电机控制电路和控制单元硬件电路的设计。 ( 2 ) 系统软件的设计，包括单片机程序的设计和上位机软件的设计。 ( 3 ) 系统的测试评价及推广应用。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统的方案设计 2 1系统的要求 ( 1 ) 适用范围 根据户用热量表的需求，本系统的流量范围为o o l m 3 h 5 m 3 h ，能进行d n l 5 和 d n 2 0 热量表的标定；系统与热量表的通信采用光电接口方式，此种方式可以隔离热量 表与控制单元之间的电气连接，起到互相保护的作用；系统与计算机的通信采用r s 一2 3 2 接口。 ( 2 ) 流量调节功能 本系统的流量调节功能是由流量调节阀完成。流量调节阀通过r s 4 8 5 通信接口获 取控制单元发送过来的流量参数，然后采用p i d 的调整方式实现流量全量程的自动控 制。 ( 3 ) 控温与保温 恒温水箱采取p i d 的调整方式，恒温水箱外壁加装保温材料，同时选用保温性能优 良的管材，使管路中的温降小于1 ，以减少因为管路中水温的变化引起的标定误差【1 0 1 。 ( 4 ) 软件功能 本系统的操作应具备友好的人机交换界面，因为系统的操作者是普通工人，所以操 作界面应该使用直观简洁的图形化按钮，以便操作工快速上手；标定的结果要直观的显 示在操作界面上以便操作者查询；同时要具备打印功能。 ( 5 ) 其他 本系统的循环水路与电气部分要完全隔离；水泵的控制要考虑过载、过热保护并具 备急停按钮。 2 2 系统的组成和工作原理 2 2 1 系统的组成 整个标定系统是一个闭环系统，标定用的流体可以循环利用以节约成本。如图2 1 所示，系统由计算机、以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为主控芯片的控制单元、电子秤、流量调节阀、 恒温水箱、稳压罐、储水罐、电磁阀、水泵等组成。待标定的热量表串联在同一直管路 中，通过光电收发接口与控制单元进行数据交换，实现批量热量表的自动标定与修正系 数的自动写入。可程控的流量调节阀用于流量的自动控制。电子秤与储水罐用于称量计 算标准流量，恒温水箱、水泵及稳压罐用于提供标定用的流体。为贴近热量表的现场工 用于热量表的流量自动标定系统的研制 作条件，恒温水槽控制标定用的流体温度在5 0 c 左右，同时，为管道增加了相应保温措 施以减少循环管道的散热。 图21 用于热量表的自动标定系统结构图 f i g2 1 t h es u u c t u r eo f f l o wa u t o m a t i cc a l i b r a t i l 唱d e v i c e 222 系统的工作原理 热量表的流量标定过程由上位机通过控制单元全程自动控制。由于管道内的气泡会 对流量计量带来误差，测试开始时由控制单元启动电磁阀开始排气过程。排气结束后， 开始流量标定。对每个流量点，等待电子秤读数稳定后由控制单元从电子秤自动读取数 据，从而换算得到流量函。同时控制单元采集待标定热量表的数据9 ，由此计算出每 块热量表在该流量点的修正系数c ：口一9 。对由中华人民共和国国家计量检定规程规定 的5 个流量点依次测试，完成一轮标定。整个标定过程完成后，控制单元将修正系数自 动写入到相应热量表中，并将最终的标定数据上传至上位机，由上位机判断热量表合格 与否。 大连理工大学硕士学位论文 该标定系统的标准流量是由电子秤称重来确定的，因此电子秤的量程范围既要满足 最小流量时的称量又要满足最大流量时的称量，其测量精度直接影响到热量表的精度。 因为是循环系统，容器体积为最大流量点所需要流体体积的2 倍，恒温水箱体积是最大 流量点所需要流体体积的3 倍即可满足要求。为保证流经热量表的流体流态稳定，待检 定的热量表上游段的直管段应满足5 倍管径以上，下游段的直管段应满足3 倍管径以上。 串联热量表个数不宜过多，太多不但占地面积大，而且会使整个循环管路中压差过大影 响标定结果，本系统中最多串联1 2 块热量表。水泵运行过程中循环管道流体常有脉动 现象，这将对热量表的流量计量引入误差，系统设计时在水泵的后端加装稳压罐避免脉 动冲击【l l 】。此外，循环管路设计时还配置了一段透明管道便于操作者观察流体是否有气 泡，若排气过程中观察到已无气泡，可人工提前停止排气；若标定过程中发现有气泡现 象，可以通过停止按钮结束本次测试重新进行标定。对热量表流量的自动标定过程由控 制单元和上位机软件配合完成。 2 3 本章小结 用于户用热量表的流量自动标定系统，其主要技术指标为：流量范围为o 0 1 m 3 h 5 m 3 h ；能进行d n l 5 和d n 2 0 热量表的标定；具备流量自动调节功能；水温可控；人性 化的上位机操作软件等。在此基础上确定了采用称量法的工作原理进行自动流量标定， 设计了整个标定系统的结构，它由计算机、以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为主控芯片的控制单元、电 子秤、流量调节阀、恒温水箱、稳压罐、储水罐、电磁阀、水泵等组成。并从测控范围 和精度出发对电子秤、恒温水箱、管道、排气等关键环节进行了具体设计。 用于热量表的流量自动标定系统的研制 3 系统的硬件设计 3 1硬件方案 为满足常见类型热量表标定的需要，经过分析研究，用于热量表的流量自动标定系 统的主控芯片选择了1 r i 公司的低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 。m s p 4 3 0 系列单片具有丰富 的i 0 端口与较大的数据存储空间和程序存储空间，并具备两个异步通信接口能满足系 统通信的需求。 本文所设计的系统硬件结构如图3 1 所示。 电磁阀 ，7 1 一 电磁阀驱 1 1 通信 厂一 动电路 1 厂 接e l m s p 4 3 0 1f 、 通信 热量表 1光电收发 1 f 、 厂 接口厂 接口 q，y 一 一 ， zl 流量 1 调节阀 存储器温控电路 图3 1 系统硬件结构 f i g 3 1s y s t e ms t r u c t u r e 如上图所示，主要由键盘电路、温控电路、电磁阀控制电路、光电收发接口电路、 通信接口电路、声光指示电路等组成。采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为控制核心，外接6 m h z 晶振。m s p 4 3 0 单片机负责数据的采集计算、与上位机进行数据交换、恒温水箱的温度 调节和整个标定过程的控制等功能。电子秤作为标准量器来确定每个标定过程中的实际 流量。流量调节阀负责整个标定过程中不同测试点流量的自动调整功能。电磁阀负责循 环系统的开启与放水功能。按键作为人机交互的一部分负责标定的启动与结束。存储器 火连理t 大学硕+ 学位论文 负责重要数据的备份。温控电路负责温度的采集与温度调节功能。 3 2 硬件电路 3 2 1 单片机电路 单片机在智能仪器仪表领域应用的越来越广泛，其优越的性能和强大的处理能力使 仪器仪表电路变的越来越简单可靠。通过比较分析目前广泛应用的各类单片机并结合实 验室的情况最终选择了t i 公司的低功耗1 6 位m s p 4 3 0 系列单片机。 ( 1 ) m s p 4 3 0 系列单片机与传统的m c s 5 1 系列单片机比较 m c s 5 1 为8 位单片机，其采用复杂指令集“c i s c ”结构，共有1 11 条汇编指令。 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机，采用精简指令集“r i s c 结构，具有丰富的寻址 方式，简洁的2 7 条指令以及大量的模拟指令，很多寄存器和片内数据存储器都可参加 多种运算，高效的查表处理指令，具有较高的处理速度。 m c s 5 1 单片机的供电电源为5 v ，只有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式【1 2 】。 m s p 4 3 0 系列单片机工作电压为1 8 v 3 6 v ，具有五种可配置的低功耗模式 l m p 0 l m p 4 ，并都可以被相关中断唤醒，很利于低功耗的设计。m s p 4 3 0 系列单片机 运行在1 m h z 时钟条件下运行时，芯片的电流会在2 0 0 1 ta , - 一4 0 01 - ta ，时钟关断模式下的 最低功耗只有0 1ua 。通过上述说明可以看出m s p 4 3 0 系列单片机在实现低功耗设计方 面完全优于m c s 5 1 系列单片机。 m c s 5 1 系列单片机的i 0 资源很少，一般只有3 2 个i o 口，i o 管脚不具备中 断响应功能，只有p o 口是双向口，其他的都为准双向口。m s p 4 3 0 系列单片机i o 资源 丰富，常用的f 1 4 9 系列包含4 8 个i o 口，所有的i o 口都为双向口，大部分i o 口都 具备扩展功能，其中p 1 口与p 2 口具备中断响应功能，极易扩展按键处理功能。 在开发工具方面，m c s 5 1 系列单片机如何实现在线编程是个很大的问题，开发 工具较复杂，很难实现在线仿真调试。而对于m s p 4 3 0 系列单片机而言，通过引进f l a s h 在线编程技术和j t a g 技术，它的开发工具从结构和可操作性来讲都明显优于m c s 5 1 系列的开发工具。 ( 2 ) m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是t i 公司推出的一款超低功耗的单片机。其突出的优点是低工作电 压、超低功耗、强大的处理与运算能力、丰富的基本输入输出口、丰富的内部集成功能 模块和方便的开发调试方式，其系统结构如图3 2 所示。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的主要特性： 低功耗模式 用于热最表的流量自动标定系统的研制 鼍c l ： z 耽氛 x ：0 7 x “x ：u t c 担i ) v c c 乳i s $ 彬c ：甜s s s - ，掰剐 p 弼钓 图3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 系统结构 f i g 3 2s y s t e ms t r u c t u r eo f m s p 4 3 0 f 1 4 9 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有5 种低功耗模式( l p m o l p m 4 ) ，可通过对s r ( 状态寄存器) 中的s c g l ，s c g 0 ，o s c o f f ，c p u o f f ，g i e 位的操作使单片机进入上述任意一种低 功耗模式或返回到正常运行状态。这些位分别负责控制系统时钟发生、晶振选择、低功 耗模式、c p u 模式及中断允许。 基本时钟模块 m s p 4 3 0 系列单片机具备灵活的时钟操作模式，m s p 4 3 0 f 1 4 9 也不例外。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 可以连接两个外部时钟源。通过设定l f x t l c l k 的x t s 位来选择x t l 连 接低速晶振或者高速晶振。x t 2 c l k 为外部高速晶振输入，晶振的频率范围为4 5 0 k h z 、 8 m h z 。除可以外接时钟源外，m s p 4 3 0 f 1 4 9 还可以选择由数控振荡器d c o 生成的内部 时钟，内部时钟具有宽的可调范围。系统主时钟、辅助时钟和子时钟的时钟源可由用户 通过软件灵活配置，满足不同场合的需求1 1 3 j 。 f l a s h 存储器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 有2 k b 数据存储器，6 0 k b 的f l a s h 程序存储器。f l a s h 存储器可通过 j t a g 模式、b s l 模式或用户编写的f l a s h 擦写程序进行擦除或写入操作。应用程序之 外的f l a s h 存储器区域可以作为e e p r o m 使用，这些区域用于系统参数的掉电保护。 模数转换器 人连理1 = 大学硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部集成a d c l 2 模块，a d c l 2 模块的转换精度为1 2 位。最大采样速 率为2 0 0 k s p s ，可以选择软件、采样定时器或其他片内定时器来控制采样周期。参考电 压可以配置成内部参考或者是外接参考。m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有8 个可配置的外部信号采样 通道，4 个用于温度、a v c c 以及内部参考电平采样的内部通道。a d 的工作方式可以配 置为单通道采样、单通道连续采样、序列通道采样和序列通道连续采样等转换方式。其 灵活的工作方式能满足不同用户的不同需求【l 引。 其他片内外围模块 u s a r t o 和u s a r t l ： m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有2 个通用串行同步异步通信接口。可以实现常规异步通信、多址 异步通信以及同步通信。两个接口都具有独立的接收与发送缓冲器。可工作在查询模式 或中断模式。 定时器计数器a 和定时器计数器b ： 定时器计数器a 和定时器计数器b 是两个1 6 位定时器，具有4 钟工作模式，可 以根据需要选择计数器的时钟源，分别有3 个和7 个捕获i l ：k 较器。通过对相应寄存器的 操作可使t i m e ra 和t i m e rb 在停止、增计数、连续计数和增减计数四种工作模式中 灵活切换。 比较器a ： m s p 4 3 0 f 1 4 9 的比较器a 可接受2 个外部模拟信号之间或一个外部模拟信号与内部 基准电压的比较，可以实现外部模拟信号的检测与监控。比较器a 主要用来实现测量电 阻元件、外部电压检测和电池电压监控等功能。 i o 端口： m s p 4 3 0 f 1 4 9 有6 组4 8 条i o 线。所有的i o 的位都可以独立编程操作。所有的i 0 口都可以单独的配置成输入或输出功能。p 1 口和p 2 口可以接收外部中断事件，其每个 i o 都可以单独选择上升沿或者下降沿触发中断【1 5 】。 看门狗定时器： m s p 4 3 0 f 1 4 9 的看门狗定时器具有8 种软件可配置的定时时间，它既可以作为普通 的定时器使用也可以完成看门狗功能。在看门狗模式下，没有定时“喂狗”或“喂狗 指令错误都会定时产生系统复位信号，在单片机程序跑飞的情况下，用来复位单片机。 图3 3 所示为系统的单片机电路。它外接了3 2 7 6 8 k h z 的低速晶振和6 m h z 的高速晶 振，低速晶振提供稳定的时基，高速时钟作为系统主频提高运算能力与响应速度。声光 报警电路在系统出现故障时通知操作者，由于m s p 4 3 0 系列单片机基本输入输出管脚的 带负载能力有限，本文通过控制三极管的通断来控制发光二极管和蜂鸣器。本系统的按 用丁热量表的流量白动标定系统的研制 键供电是2 4 v ，远远超过m s p 4 3 0 系列单片机基本输入输出管脚的耐压值，所以采用光 耦隔离，如此设计不但能满足基本输入输出管脚的电压要求，而且还能抗干扰。j t a g 接口用于程序的刷写与仿真调试。 图3 3 单片机电路 f i g 3 3 t h es c h e m eo fm c uc i r c u i t 3 2 2电源电路 电源的稳定性是整个系统可靠运行的先决条件，所以对电源的设计不能马虎。本系 火连理：工：人学硕士学位论文 统的外供电源为直流2 4 v ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 的工作电压为1 8 v 3 6 v ，其他外围芯片的工作 电压范围为2 v - 1 0 v ，综合考虑决定系统的供电电压为3 3 v 。图3 4 为系统的电源电路。 美国国家半导体公司的低压差电源稳压芯片n c p l “7 输入与输出的电压差不能太 大，否则芯片的发热量会增大，这将影响电源的输出质量，所以外部2 4 v 电源输出先经 过一级降压再输入到n c p l1 1 7 中，使其工作在理想的压差范围内。 本系统对第一级电源稳压部分采取了防浪涌保护和冗余设计。2 4 v 的开关电源和水 泵电机共用一路交流电，水泵电机在运行过程中会使开关电源的电压输出产生波动，若 不采取防浪涌措施势必会影响到单片机的正常工作。电感三的防浪涌保护功能可以很 好的克服这个问题。 m c 3 4 0 6 3 是仙童公司的一款d c d c 转换芯片，它可以配置为降压工作模式或升压 工作模式。本系统中其工作在降压模式，为了尽量降低n c p l1 1 7 的压差，3 4 0 6 3 的输出 设计为5 v 。l m 7 8 1 2 是市面上很常见的三端稳压器，其最大输出电流为1 a ，作为冗余设 计在现场需要的时候替代m c 3 4 0 6 3 。 第二级稳压电路中7 输出的d v c c 3 3 给m s p 4 3 f 1 4 9 和其他外围芯片供电，彳 输出的b v c c 3 3 为光电接收电路使用，避免信号通过电源串扰。瞬变二极管历防止 4 ，矾7 被高压击穿。 图3 4 电源电路图 f i g 3 4 t h ec i r c u i t so fp o w e r 用于热龉表的流鼍自动标定系统的研制 3 2 3 通信电路 ( 1 ) r s 2 3 2 通信 r s 2 3 2 是一种串行通信接口标准。目前最为通用的标准是r s 2 3 2 c ，它是美国e i a ( 电子工业联合会) 与b e l l 等公司一起开发的1 9 6 9 年公布的通信协议。它适合与数 据传输速率在0 一- - 2 0 0 0 0 b s 。r s 2 3 2 c 标准( 协议) 的全称是e i a r s 2 3 2 c 标准，其中 e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 代表美国电子工业协会，r s ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d ) 代表推荐标准，2 3 2 是标识号，c 代表r s 2 3 2 的最新一次修改( 1 9 6 9 ) 。e i a r s 2 3 2 c 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。该标准规定采用一个2 5 脚的连 接器来连接数据终端和通信设备，连接器每个引脚信号都有定义，还对信号的电平范围 加以规定【l6 。随着通信设备的不断改进，2 5 脚的连接器逐渐被9 脚的连接器所代替， 引脚信号定义见表3 1 。 表3 1r s 一2 3 2 c 引脚定义 t a b 3 1p i nd e f i n i t i o no fr s 2 3 2 c 在实际使用中，最简单的通信方式只需两根数据线r x d 和t x d 和信号地s g 即可 完成，其他的握手信号可以做适当处理或者直接悬空。 c m o s 器件以高低电平来表示逻辑状态，对于3 v 供电的c o m s 器件而言，+ 2 8 v - - 一 + 3 o v 表示输出逻辑“1 ，+ 2 0 v + 3 o v 表示输入逻辑“l ，o v + o 8 v 表示输出逻辑 “0 ”，o v + 0 2 v 表示输入逻辑“0 ，是正逻辑关系。而r s 2 3 2 任何一条信号线的 电压均为负逻辑关系，逻辑“0 ”规定电平在+ 5 v + 1 5 v 之间，逻辑“1 规定电平在1 5 v 5 v 之间，噪声容限为2 v 。在发送数据时，发送端驱动器输出正电平范围为+ 5 v + 1 5 v ， 负电平范围为1 5 v 5 v 。接收数据时，接收器典型的正电平范围为+ 3 v + 1 2 v ，负电平 范围为1 2 v 3 v ，由于发送电平与接收电平的差仅为2 v 左右，所以其共模抑制能力差， 大连理工大学硕士学位论文 再加上通信双绞线的分布电容，其传送距离最大约为1 5 m ，最高通信波特率为1 1 5 2 0 0 b p s 。 用户可以定义自己的高层通信协议，完成数据传送 1 7 , i s 】。 由于电气接口高低电平的定义不同，r s 2 3 2 接口不能同m s p 4 3 0 f 1 4 9 的通信接口 直接连接，必须进行电平转换。本文选用i n t e r s i l 公司的3 v - - 5 5 v 的r s 2 3 2 发送接收 芯片i c l 3 2 3 2 来完成c o m s 电平与r s 2 3 2 电平之间的互相转换，i c l 3 2 3 2 工作电压为 + 3 3 v ，它有两路独立的r s 2 3 2 与t t l c o m s 电平转换通道。i c l 3 2 3 2 的外围电路很 简单，只需外接4 个电容( c 7 5 、c 彤、c 7 7 、c z s ) 即可完成电平转换，连接电路如图3 5 所示。本系统采用d b 9 的三线制来传输数据，m s p 4 3 0 f 1 4 9 需要与电子秤和上位机进行 数据交换，正好利用了i c l 3 2 3 2 的两路电平转换通道。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的u a r t 0 数据输 出端u t x d 0 和输入端u r x d 0 分别与i c l 3 2 3 2 的输入端t 2 i n 和输出端r 2 0 u t 相连， j 1 连接上位机，它的引脚2 ( 接收数据端) 和引脚3 ( 发送数据端) 分别与i c l 3 2 3 2 的输出 端t 2 0 u t 和输入端r 2 i n 连接。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的u a r t l 数据输出端u t x d l ( 图3 5 中的2 3 2 t t l o u t ) 和输入端u r x d l ( 图3 5 中的2 3 2 t t l i n ) 分别与i c l 3 2 3 2 的输入端 t i i n 和输出端r 1 0 u t 相连，j 2 连接电子秤，它的引脚2 ( 接收数据端) 和引脚3 ( 发送 数据端) 分别与i c l 3 2 3 2 的输出端t 1 0 u t 和输入端r i i n 连接。 图3 5 串口通信电路图 f i g 3 5 c i r c u i td i a g r a mo fs e r i a lc o n n n u n i c a t i o n 用于热量表的流量自动标定系统的研制 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的u a r t l 除了与电子秤通信外，还负责与热量表的光电收发接口通 信，所以u a r t l 通过模拟开关进行了分时复用。电路如图3 6 所示。7 4 h c 4 0 5 1 是一种 8 选1 多路模拟开关，通过控制端s o ，s 1 ，s 2 可以选择8 路中任一通道与公共端接通。 7 4 h c 4 0 6 6 是一种4 路双向模拟开关，每路可以单独控制导通与否。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的 u a r t l 的u t x d l 通过7 4 h c 4 0 6 6 扩展，图3 6 中的t x d p h o t o 是光电收发接口的发 送信号，2 3 2 t t l o u t 负责与电子秤通信，t x d 4 8 5 为一路4 8 5 通信信号。t x d p h o t o 经过三极管扩流后接到玩，协的公共端，分时复用给光电收发接口。m s p 4 3 0 f 1 4 9 的 u a r t l 的u r x d l 通过研o ，分时复用。7 4 h c 4 0 5 1 与7 4 h c 4 0 6 6 的控制端分别接到 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的相应i o 。 u 67 4 i t c 4 0 5 1 t x i m 4l 4戳 1 6d v c c 3 t x i n 621 5t x i n 2 t x o u t3 62 1 4t x i n l二 t x i n 74 l t x i n 55 ? 0 1 3t x i n 0 d i g l l6 9 5a 3 1 2t x i n 3 d g n d7 e l ld i g 8 = v e es l 1 0d i g 9 d g n d 89d i g l 0 敛 i 77 4 h c 5 l t x m l 2l , 4w c 1 6d v c c 3 t x i n l 421 5t x i n l