LC振荡无磁流量表的实验模块设计_王小利.pdf

第 卷 第 期 年 月：振荡无磁流量表的实验模块设计王小利，陈 凯，李家宝，王福安，郭春生（山东大学 机电与信息工程学院，山东 威海）摘 要：为了实现流体流量的高精度测量以及流量数据的便捷式读取，设计了一款基于低功耗 位 系列单片机的无磁流量表实验模块。该实验模块以 系列单片机为主控制器，在该无磁流量表实验模块中设计的通信模块对流量数据进行远程读取，并用磁性传感器模块检测无磁流量表内的无磁环境。实验结果表明，所设计的无磁流量表实验模块实现了流体流量的高精度测量以及流量数据便携式读取的目标，且测量精度可达 。该设计的模块，也可应用于居民用水量监测以及其他流体的流量测量领域。关键词：传感器；无磁计量；系列单片机；低功耗中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：年山东省本科教学改革研究项目（）作者简介：王小利（），男，山东冠县人，硕士，研究员，主要从事微电网控制设备、无线通信设备研发、检测技术与装置、微小卫星星载仪器技术相关研究。：；：通信作者：王福安（），男，山东寿光人，学士，副研究员，主要从事资产与实验室管理相关研究。：；：，（，）：，：；引 言嵌入式开发是电子信息专业的一个重要领域。随着现如今我国社会经济的飞速发展，我国对于资源的消耗量也随之大大增加。但是在地球上不可再生资源是有限的，节约能源工作也越来越受到了人们的重视，对流量的测量技术以及测量精度的要求也在逐步提高。水表、气表是各家各户必备仪表，其性能高低对能否准确测量水和天然气等重要资源有很大的影响。而传统的流量表多为机械流量表和有磁流量表，其中机械流量表有着抄表不方便且计量不准确的 第 期王小利，等：振荡无磁流量表的实验模块设计缺点；而有磁流量表容易因外界的干扰而导致测量精度下降。这些状况都容易造成国家水利资源的浪费以及经济损失。为弥补以上不足，本文设计并搭建了无磁流量表实验模块，采用无磁传输克服了磁干扰等问题，以提高测量的精度和可靠性，满足了人们对流量测量的要求。流量测量原理 无磁流量表实验模块结构原理通过机械装置将流体的流动转化为旋转体的转动，从而实现对流体流量的测量。设计的无磁流量表实验模块的基础原理是 振荡时电感遇到导体会产生电涡流从而加速振荡的衰减过程。在叶轮的轴承上固定一个转子盘，该转子盘一半为金属一半为空（即非金属），如图 所示。由图可知，将 个 传感器固定在表壳上并且让其成 度置于转子盘上方，当无磁流量表实验模块的通道有流体流过时，将会带动叶轮以及叶轮上方的转子盘转动，电感就会在转子盘表面的位置发生交替变化。由电感在转子盘上方的位置决定了谐振回路的阻尼系数，当电感位于区域 时，回路的阻尼系数是要高于电感位于 区域时回路的阻尼系数。通过测量谐振回路不同的阻尼系数，实现对转子盘转动的测量，进而实现了对流体流量的测量。图 测量旋转运动原理示意图 振荡电路工作原理 传感器是由 个电感及 个电容所组成的 谐振电路，使用 传感器可检测 振荡电路发生振荡时，其电感中磁通量的变化情况，如图 所示。由图可知，当 电路发生振荡时，电感线圈中将会产生 个具有时变特性的磁场，这个磁场通常不会受到外部因素的影响。但当转子盘的金属部分靠近振荡的电感时，其金属导体内就会产生涡流，同时还产生了磁滞损耗。这两种效应都会造成交变磁场的能量损耗，进而加速了输出正弦曲线的衰减过程。无磁流量表实验模块中的 个 传感器通过谐振频率的变化可用于检测顺时针和逆时针旋转，当水龙头突然关闭时，会出现水流反弹现象，进而使得无磁流量表实验模块中的转子盘在水管中水流速度降到 之前反复地顺时针逆时针转动，如图 所示。由图可知，当 传感器检测到金属部分时，会输出一个逻辑低电平；当 传感器检测到非金属部分时，会输出一个逻辑高电平。个 传感器相隔，因此 个传感器输出信号也总是相差，这种设置会使得传感器有 个状态：、和，通过这 个状态的顺序便可知道旋转方向。（）金属盘检测及信号（）非金属检测及信号图 转子盘金属和非金属检测的振荡信号（）状态变化流程（）状态变化时序图图 个 传感器的状态变化 无磁流量表实验模块硬件设计本文设计的无磁流量表实验模块的系统构成框架如图 所示。图 无磁流量表实验模块系统构成框架 模块由于低功耗元器件是改善嵌入式硬件系统的最直接的手段，通过选择功耗低且性能良好的元器件，将硬件电量的耗电性能做到改善是实现低功耗的第一步。本文采用 芯片为 微控制器，其有着 的宽电源电压范围，且工作电流为 、待机电流仅为 ，提供了高达 的非易失性存储器，高达 的 时钟第 卷频率，具有内部振荡器、看门狗和断电复位的高系统集成水平。电源模块无磁流量表实验模块采用电池供电，并通过系统电源模块转化成需要的电压对芯片以及其他模块进行供电，电源模块如图 所示。（）无磁流量表电源模块主体（）无磁流量表电源模块接口图 无磁流量表电源模块 通信模块及红外接收模块为实验无接触远程抄表，本设计采用了一个待机功耗仅为 并且可以远程通信的 模块，如图 所示。并采用二进制脉冲码形式来表示信号传输的红外接收模块，以便当无磁流量表实验模块发生故障时，维修人员可使用红外手持设备与无磁流量表实验模块进行红外通信进而对其进行检查与维修，红外接收模块原理如图 所示。图 模块端口 振荡模块图 所示为设计的 个 振荡电路组成的 振荡模块，是无磁流量表实验模块最核心也是最关键的模块。图 红外接收模块电路原理图 振荡模块电路图 磁性传感器模块为了检测内部无磁环境，本设计采用了磁性传感器模块，以此来检测是否有磁性物质靠近，无磁流量表中的磁性传感器模块原理如图 所示。图 磁性传感器模块结构 图 所示为无磁流量表实验模块的印制电路板，用于直观展示无磁流量表实验模块的电路组成结构。（）印制电路板正面结构（）印制电路板背面结构图 无磁流量表实验模块印制电路板 无磁流量表实验模块软件设计无磁流量表实验模块的软件设计流程如图 所示。其主要任务如下：（）首先进行初始化设置，然后对无磁流量表实验模块是否进行过出厂校准进行判断，若已进行出厂校准，继而运行 任务，任务包含了 通信任务、红外命令任务、电压采集任务、报警任务以及看门狗任务。（）当执行 通信任务时，首先对其是否需要发送数据进行判断，若需要，则进行长短帧方式的判定以及发送，直到任务结束时为止，若不需要，则任务结束。（）当执行红外命令任务时，需要先接收红外命令，然后对格式的正确性进行判断，若正确，则执行命令，直到任务结束时为止，若不正确，则任务结束。（）当执行电压采集任务时，首先启动 采集，然后滤波计算电压值，直到任务结束时为止。（）当执行校准任务时，首先判断是否到达校准时间，若已到达，则进行 校准，直到任务结束时为止，若未到达，则任务结束。（）当执行报警任务时，首先判断是否到达报警阈值，若已到达，则进行报警广播，直到任务结束时为止，若未到达，则任务结束。（）当执行看门狗任务时，首先进行是否喂狗的 第 期王小利，等：振荡无磁流量表的实验模块设计图 无磁流量表实验模块软件设计流程判断，若未喂狗，则程序重新开始执行，若已喂狗，则任务结束。测试以及数据分析本文使用风扇匀速吹管路和风扇非匀速吹管路这两种方法来分别模拟水管中匀速流水和水管中水流不稳定（如水龙头急停、倒吸）的这两种情况以测试该无磁流量表实验模块的性能，次实验测试数据如表 所示，测试过程如图 所示。表 测试数据统计分析实验时间表底数差值转数 读取值 差值转数 测试方法风扇匀速吹风扇非匀速吹风扇反向匀速吹风扇匀速吹 风扇反向匀速吹 程序重载并加盖风扇匀速吹风扇非匀速吹（）风扇模拟水路（）测试环境搭建图 测试过程 由表 可见，所设计的无磁流量表实验模块通过 无线抄表通信方式所获取的差值转数与机械码表的差值转数一致，且数据精度达到了 ，证明了所设计的无磁流量表实验模块测量精度高，可满足人们对流量测量精度的要求。结 语本文设计并搭建了基于 振荡进行流量测量的无磁流量表实验模块。通过测试表明：该模块具有高精度、低功耗、无磁性、无杂质吸附等优点，同时设计的水表、热表以及天然气表的流量具有远程采集功能。本文所设计的无磁流量表实验模块不但对于嵌入式系统的综合实验设计具有重要教学意义，还可广泛应用于居民用水量监测以及其他流体的流量测量领域，更对国家智能水利的建设以及水利部所提出的加强水资源管理信息化的政策具有十分重要的意义。参考文献（）：王贵金 水表计量误差超差的原因分析与对策 科技创新导报，（）：朱起淅，车德亮，沈绪榜 低功耗无磁流量测量 的系统设计 西安电子科技大学学报（自然科学版），（）：连彬，魏忠诚，赵继军 智慧水利关键技术与应用研究综述 水利信息化，（）：武汉易维电子科技有限公司 无磁水表机芯反射轮以及无磁水表 中国专利：张国恒，马书懿，白仲明，等 一种新型无磁流量表的研究甘肃科技，（）：（下转第 页）第 期陈继明，等：面向孤岛微电网的混合储能实验平台设计到实验屏显波形如图 所示。在负载突变期间，直流母线电压产生 波动，蓄电池电流从 ，超级电容电流突然变化，并恢复到 。（）直流电源突变。设置直流电源输出电流由 变为，实验波形如图 所示。在负载突变期间，直流母线电压有波动，蓄电池电流从 ，超级电容电流突然变化，并恢复到 。由图 和 可知，无论是负载突变还是直流电源功率突变，在混合储能装置电压电流双闭环控制下可以使得母线电压稳定在 ，且波动非常小，可明显地看到蓄电池、超级电容电流的变化过程，蓄电池缓慢响应，超级电容快速响应，二者协调配合，有效稳定直流母线电压。（）直流母线电压（）蓄电池及超级电容电流图 负载突变时电压、电流的实验验证屏显波形（）直流母线电压（）蓄电池及超级电容电流图 直流电源突变时电压、电流的实验验证屏显波形 结 语本文搭建了面向孤岛微电网的混合储能系统仿真和实验平台，进行了负载扰动和直流电源扰动情况下的孤岛微电网仿真和实验。结果表明：基于滤波器的协调分配方法将高频功率分配给超级电容，低频功率则分配给蓄电池，可合理分配系统功率缺额；基于电压电流的双闭环控制方法，可有效保证直流母线电压的稳定，快速消除扰动造成的影响；该平台有助于分析混合储能调节的暂态过程，为下一步算法优化提供支撑。参考文献（）：杨小龙，程启明，褚思远，等 孤岛模式下光储直流微电网变功率控制策略 电力自动化设备，（）：吴 雄，王秀丽，刘世民，等 微电网能量管理系统研究综述电力自动化设备，（）：杨新法，苏 剑，吕志鹏，等 微电网技术综述 中国电机工程学报，（）：李霞林，郭 力，王成山，等 直流微电网关键技术研究综述中国电机工程学报，（）：周 林，黄 勇，郭 珂，等 微电网储能技术研究综述 电力系统保护与控制，（）：刘 畅，卓建坤，赵东明，等 利用储能系统实现可再生能源微电网灵活安全运行的研究综述 中国电机工程学报，（）：胡 平，祁 鑫，梁 栋 风光储互补型微电网实验室设计与建设 实验室研究与探索，（）：汪 亮，吴 韬，彭勇刚，等 光伏主导的交直流混合微电网实验平台 实验室研究与探索，（）：刘 静，黄 磊，胡彬彬，等 结合储能的直驱式波浪发电实验平台开发 实验室研究与探索，（）：王 宇 超级电容与蓄电池混合储能系统的能量管理与控制研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，张国驹，唐西胜，周龙，等 基于互补 控制的 双向变换器在超级电容器储能中的应用 中国电机工程学报，（）：，（）：，：，：程志江，李永东，谢永流，等 带超级电容的光伏发电微网系统混合储能控制策略 电网技术，（）：张宇涵 直流微网电池超级电容混合储能系统控制方法及能量管理策略研究 广州：华南理工大学，陈亚爱，林演康，王 赛，等 基于滤波分配法的混合储能优化控制策略 电工技术学报，（）：（上接第 页）万禾湛，张万荣，谢红云，等 一种采用 谐振电路的高频差分有源电感 微电子学，（）：张明志，赵文龙，娄嘉骏，等 无磁水表采样频率自适应调整策略的研究与发现 南昌航空航天大学学报（自然科学版），（）：汪金泉 传感器的时域读出方法研究 南京：东南大学，祝向辉 智能射频卡式无磁传感水表的研发 宁波：宁波大学，黄 伟，彭晓宏，张明明，等 一种基于窄带物联网的智能水表设计 现代电子技术，（）：韩宝安 嵌入式系统低功耗设计问题探究 电子技术与软件工程，（）：黄小兵，聂兰顺 无线自组网节点极低基础功耗方案的设计 智能计算机与应用，（）：杨逸纯 红外遥控接收芯片的设计 泉州：华侨大学，张 伟 智能远传水表及其集中器设计与实现 济南：山东大学，龚 阳，崔 琛，王 津，等 基于扩频通信的无线抄表系统设计与实现 计算机测量与控制，（）：