基于MSP430F5418的低功耗翻斗流量计(赵璐)

1、基于MSP430F5418的低功耗翻斗流量计赵璐，贾先（1.西安思源学院工学院，陕西省西安市，710065；2.西安思源学院工学院，陕西省西安市，710065）摘要：煤层气井是通过排水降压实现气体产出，为了避免排采过程中储层应力敏感和速敏造成的储层伤害，要求有严格的排水量控制，使得液面缓慢、匀速下降。根据目前煤层气井排采对产出液的计量需求，结合其在实际排采生产中的流量特性，提出一种翻斗结构的流量计，可以计量间歇出液、非满管、含煤粉、具有腐蚀性气液两相中液相流体的平均流量和累计流量，以满足现场对流量计量的需求。关键词：煤层气井；翻斗结构；流量计；流量计量中图分类号：TN912 文献标识码：BLo

2、w Power Tipping-hopper Flowmeter Based on MSP430F5418Zhao Lu，Jia Xian(1.Xi'an SiyuanUniversity, EngineeringCollege, Xian 710065, China;2. Xi'an SiyuanUniversity, EngineeringCollege, Xian 710065,China)Abstract:Gas production is realized by means of drainage and pressure drop for coalbed metha

3、ne wells. In order to avoid reservoir damage caused by stress sensitivity and quick sensitivity in the process of row and discharge, strict drainage control is required, which makes the liquid level slow and uniform. According to the current measurement requirements of the coalbed methane drainage a

4、nd the flow characteristics in the actual discharge production, a flow meter with a tipping-hopper structure is proposed, which can measure the intermittent liquid, non-full pipe, coal powder, corrosive gas-liquid two-phase liquid flow in the average flow and cumulative flow to meet the needs of the

5、 field on the flow measurement.Key words: coalbed methane wells, tipping structures, flowmeters, flowmeters1 引言煤层气又称煤层甲烷气，又称之为煤层瓦斯，煤形成过程中赋存于煤层中的一种非常规的天然气。煤层气井的生产是通过抽排煤储层中的承压水，使得煤层压力降至煤的解析压力以下，吸附态的甲烷解吸为大量游离态甲烷，并通过扩散和流动两种不同的机制运移到井筒。产水量作为排液数据的主要参数，准确、及时地录取单井产水量，才能更好的分析排采变化，修正排采工作制度，使煤层气井产能达到最佳状态。2系统总体设

6、计翻斗流量计是利用计量斗内装有液体后，由于重心位移失去平衡而翻转的原理制成，如图1所示：图 1 翻斗流量计翻转原理当计量翻斗为空斗时，其重心在中心隔板的一定高度A处。空斗产生的重力为G1，距支点O垂直距离为L，这时空斗的扭矩M1为M1=G1L当计量斗内盛有液体后，其重心在三角形容器的垂直平分面某一点B上，该点对支点O的距离为l，当斗内液体产生的重力为G2时，其扭矩M2为M2=G2l当M2M1+M0，计量翻斗将自行翻转。式中M0为摩擦力矩。在斗形计量容器两侧端面的一定位置上设有固定转轴，在支架上装有挡板，使翻斗保持一个处于进液位置，另一个处于排液位置。当进液斗达到翻转重量时便翻转为排液状态，排液

7、斗立即进入进液位置，如此循环往复实现连续计量。基于上述原理的翻斗流量计采用预定时间内记录翻转的斗数的方法计算产量。这种方法的计算公式为qm=3600m1nT式中：产量（kg/h）：qm每斗标定液体质量(kg/斗)：m1计量时间（s）：TT时间内计量的斗数：n翻斗流量计在工作过程中，两个翻转量斗交替处于进液或排液状态，两个翻转量斗之间的磁感应器在一定的范围内往复运动，磁簧开关将探测到的磁开关信号输入给单片机，单片机对该开关信号的改变次数检测达到计量翻转斗数的目的，然后对数据进行进一步处理，根据翻转量斗在一定时间内所翻转的斗数并进行修正后即可计算出当前产液流量。利用键盘输入、时钟芯片和液晶显示模块

8、来更好实现系统功能。系统的结构框图如下：图 2 系统结构框图3系统硬件设计3.1微控制芯片选取在硬件设计时，需要根据流量仪表的整体性能要求选择适当型号的单片机。本设计主要考虑降低功耗，选用TI公司的MSP430F5418A作为系统的MCU。MSP430是采用全静态COMOS设计，电源操作功耗很低，并且非常可靠。MSP430有正常工作模式（AM）和4种低功耗模式，而且可以方便地在各种模式下切换。它的超低功耗模式在实际应用中，尤其是电池供电设备中表现优为突出。它除了具备128K字节ROM、16K字节RAM和大量I/O口外，还集成了12路ADC模块、定时器/计数器模块、同步串行SPI/I2C/UAR

9、T模块，同时单片机内带实时时钟功能，能自动记录测量数据的日期和时间等，节省了大量外围器件。 在本方案设计中，MSP430F5418A作为主控芯片，主要完成的功能是对流量信号进行实时采样，同时对电池供电电压的实时检测。将采集的流量信号进行计算后，由LCD显示，同时将采集到的数据进行存储、485通讯和脉冲信号输出。3.2电源管理模块电源管理模块可以兼容外接电源和电池自动切换供电，即有外接电源时，电池不工作；没有外接电源时，电池工作。搭建硬件电路，使切换过程在硬件上自动完成。电路图如图3所示。图3 电源切换电路具体工作原理是：在没有外接24V直流电源供电时，即只有电池供电为3.6V，经过一个二极管D

10、8降压0.6V，可使测试点TP7处电压达到3.0V。当有外接24V直流电源供电时，如果电压纹波过大，外加一个瞬态抑制二极管D3，可以更好保护接口电路的器件，再通过一个整流桥ZLQ，使电源纹波尽可能小，然后通过VR1将输出电压调整为5V，再分别接两个二极管D1、D2和稳压管Z1，使输出点TP7电压为3.9V，比电池供电电压高0.3V，则二极管D8反向截至，电池不供电。3.3流量信号采集模块翻斗流量计在工作过程中，两个翻转量斗交替处于进水或排水状态,两个翻转量斗之间的磁感应器在一定的范围内往复运动，翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次发出一个开关信号，然后通过一个低通滤波电路，即干式舌簧管将探测到

11、的磁开关信号整形后，形成合理的脉冲信号。再送入微控制芯片进行计数，经过CPU运算、处理分别得到累计流量值和平均流量。电路如图4所示。图4 信号采集电路图微处理器在正常工作时还不断检测电池电压值，一旦电池电压低于预置电压阀值时（+1.8V），强制关闭电源，使微处理器处于低功耗LPM3模式。电路如图5所示。图5 电池电量检测原理图电压检测具体工作原理是：当单片机在检测测试点TP5端的电压低于1.8V时，即电池供电电压低于3.6V，它的P7.7端输出低电平，使超低电流工作的电压转换模块MAX1725的SD端为低电平，MAX1725不能工作，微控制芯片处于低功耗状态，进入休眠模式，供电电压VDD为1.

12、8V。当电池供电电压高于3.6V时，长按键盘ESC键为3s以上时，产生中断，唤醒单片机，P7.7端输出高电平，即MAX1725的SD端为高电平，MAX1725开始工作，使TP3处的电压VCC为3.6V，通过一个二极管D7的压降，使TP4处的电压VDD为3.0V。同时单片机实时采样TP5处电压，当高于预置电压阀值时（+1.8V），单片机可以正常工作；当低于预置电压阀值时（+1.8V），强制关闭电源，即单片机P7.7端输出低电平，MAX1725停止工作，使微处理器处于低功耗模式。流量信号的输出，一路可以是脉冲信号，也可以通过RS485接口实现与上位机之间的数据通信。3.4脉冲输出模块脉冲输出接口为

13、光耦隔离方式，用户可以根据需要外接不同的电压等级，只要满足在光耦导通时的电流约为8mA左右即可；图6为脉冲输出电路典型应用图，也可以使用+12V、+24V电源，不过串接电阻需要变化。推荐使用下面几种电压：使用+5V电压时，电阻R14选用620；使用+12V电压时，电阻R14选用1.5K；使用+24V电压时，电阻R14选用3K；图6 脉冲输出原理图脉冲输出具体工作原理：当需要脉冲输出时，可以根据四个按键选择脉冲输出菜单，即单片机端口P6.7输出高、低电平。当P6.7输出高电平时，芯片BSP296处于导通状态，4N25开始工作，用户可以根据需要外接不同的电压等级；当端口P6.7输出低电平时，芯片B

14、SP296处于截止状态，4N25不工作，输出低电平。3.5显示模块 显示部分使用深圳九立科技发展有限公司生产的低功耗LCD，工作电流只有210uA，在强光下可视，型号为LCM120711C。数据主要显示累积时间、累积流量和平均流量。电路如图7所示。图7 LCD显示电路原理图3.6485通讯接口在工业控制和检测中常用到多机远距离通信，其中最常用的有RS-485和CAN总线等。在本方案设计中采用的是RS-485总线，兼容标准的Modbus协议，数据传输为RTU方式。RS-485通讯接口为半双工通讯接口，它只需要一对双绞线，就可以实现数据的远距离传送（理论上可达1.2Km）。为了提高抗干扰性，增大传

15、输距离，一般使用双绞屏蔽线，屏蔽层良好接地。由于单片机为全双工通讯接口，因此在单片机串口和RS485接口之间采用MAX3485转换芯片。其中UCA1TXD为发送数据输出脚，UCA1RXD为接收数据输入脚；利用I/O口为芯片控制脚。当I/O为高电平时，则MAX3485工作在发送阶段，反之工作在接收阶段。具体原理图如图8所示：图8 485通讯接口原理图3.7按键功能设置本方案在设计键盘输入功能时，共用四个按键进行设置，分别为ok键（P1.0）、shift键(P1.1)、alter键(P1.2)、esc键(P1.3)，使得参数的设置更加灵活方便。其中：shift键和alter键起切换参数和修改参数值

16、的功能；ok键起对修改参数确认等功能；esc键起取消修改参数、开机/关机和返回主界面的功能。4结束语基于MSP430F5418单片机的翻斗流量计电路采用低功耗设计，平均工作电流0.1mA,采用3.6V 5号锂电池供电正常工作2年以上。通过在陕西省韩城市煤层气分公司煤层气井的现场使用，证明该翻斗流量计满足单井产液量计量工作需要，系统设计合理，电路可靠性强、功耗低，安装方便，成本低，具有较好的社会效益和经济效益。参考文献：1严普强.机械工程测试技术基础M.北京:机械工业出版社, 1993:147-149.2曹建生,张成军著.翻斗式自计量水技术J.中国农村水利水电,2001,(8).3李旭.世界煤层气开发利用现状J.北京:煤炭加工与综合利用, 2006: 42-45.4郑学涛.国内外煤层气资源及开发状况J.江西