毕业设计方案基于msp单片机的气体涡轮流量计的设计.doc

基于MSP430单片机气体涡轮番量计设计摘 要:流量测量在工业生产、能源计量、环境保护、交通运输、生物技术、军事工程和科学研究等领域占据关键位置，所以，流量测量仪表研究和开发应用有着深远意义。涡轮番量计是流量测量仪表中不可缺乏一员，伴随现代计算机技术发展而不停发展和完善。根据模块化设计方法，将系统硬件部分分为不一样功效模块分别进行设计。本着小型化、智能化标准，设计中采取TI企业高性能、微功耗MSP430F147单片机作为控制关键，实现了气体流量实时赔偿，提升了仪表测量精度。在外围器件选型和软件编制过程中进行低功耗设计，极大地降低了仪表功耗，使流量计含有较高可靠性。通讯方面能够选择RS-485和HART总线方法，方便了仪表和上位机连接。LCD显示和键盘方便了用户操作。软件部分采取了模块化编程，介绍了各模块实现方法，最终组合起来进行调试。经过试验，本系统初步达成了流量计量目标，系统结构合理，功效完善，硬件和软件设计达成了预期要求。关键词：涡轮番量计；MSP430；流量赔偿；HART总线；温压传感器Design of gas turbing flowmeterbased on the MSP430abstractAbstract:Flow measurement occupy an important position in industrial production,energymeasures,environmental,protection,transportation,biotechnology,engineering,military science and other fields.Therefore,there are far-reaching significance research and development applications in flow measurement instrument.Turbine Flowmeter is an indispensable instrument,which are continuously developed and improved with the development of modern computer technology. System hardware were designed through divided into different functional modules. Through use of TIs MSP430F147 microcontroller as the core, make the gas compensation in real-time and improve the accuracy of the measurement. In the course of design, reduce the power consumption of the instrument greatly, and make the flowmeter have a high reliability.It bouth has R485 and the HART bus, so connect to PC very conveniently. User can operate the turbine flowmeter easily, through LCD display and keyboard. Introducting the method of the module that how to Implementat and combination of debugging finally.The experiments result has showed that the system has the features of rational structure and perfect function.Key words:turbine flowmeter;MSP430;flow compensation;HART bus;pressureSensor.目 录1 绪论11.1 引言11.2 气体流量计分类11.3 涡轮番量计工作原理21.4 涡轮番量计特点21.5 本文研究内容32 温压赔偿技术研究42.1 温压赔偿必需性42.2 赔偿原理43 涡轮番量硬件电路设计53.1 涡轮番量计硬件整体结构53.2 单片机选择53.2.1 超低功耗53.2.2 强大处理能力63.2.3 高性能模拟技术及丰富片上外围模块63.2.4 系统工作稳定73.3 电源电路83.4 流量测量电路93.4.1 霍尔开关工作原理93.4.2 流量测量原理及电路93.5 温压检测电路103.5.1 温压传感器选择113.5.2 2MS5535B特征和功效113.5.3 模块图和连接123.6 实时时钟133.7 显示部分143.8 按键设计153.9 RS-485通讯部分163.10 存放单元174 涡轮番量计积算仪系统软件设计194.1 软件总体组成194.2 软件开发环境194.3 流量计系统总体概述204.4 涡轮脉冲采集部分224.5 实时时钟程序模块234.5.1 I2C总线概念234.5.2 I2C位传输和起始信号244.6 显示程序模块254.7 HART通讯模块程序274.8 单片机对存放模块操作274.9 系统其它辅助程序应用294.10 流量计硬件和软件调试295 结论31参考文件.321 绪论1.1 引言在物资量计量领域中，流体流量检测和控制是各行各业加强物料管理、能源管理，进行物资交接、财务结算，经济核实，效益分析和评价及至决议关键依据；也是企业监控生产过程，使其保护优质、高效、安全、平稳运行和改善环境关键手段。从某种意义上讲：计量就是眼睛，计量就是金钱，计量就是效益。现代企业对流量计量要求越来越高，关键反应在满足正确性、可靠性、立即性和自动化水平程度等方面，计量正确可靠性愈来愈受到社会各界关注。气体涡轮番量计是一个速度式仪表。它含有压力损失小、正确度高、始动流量低，抗振和抗脉动流性能好等特点。广泛使用于石油、化工、电力工业锅炉等燃气计量和燃气调压站、输配气管网天然气、城市天然气计量等领域并可广泛用于贸易计量。现在，中国在气体流量计尤其是气体涡轮番量计设计、制造和判定技术及设备装备水平方面远远落后于欧美国家。而且中国所生产涡轮番量计产品大多只有简单计数显示器，用户无法直接从管路中气体流动情况了解流量计实际运行情况，同时性能和质量也不能和国外气体流量计相比。伴随中国和国际市场接轨步伐加紧，低精度流量计使用会受到越来越大限制，而高精度流量计将需求旺盛。1.2 气体流量计分类为了满足多种测量需要，几百年来大家依据不一样测量原理，研究开发制造出了数十种不一样类型流量计，大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。多种类型流量计量原理、结构不一样现有独到之处又存在不足。为达成很好测量效果，需要针对不一样测量领域，不一样测量介质、不一样工作范围，选择不一样种类、不一样型号流量计。工业计量中常见多个气体流量计有： 差压式流量计、容积式流量计、涡轮番量计、涡街流量计、旋进涡轮番量计、时差式超声波流量计、科式质量流量计等。1.3 涡轮番量计工作原理气体涡轮番量计是一个速度式流量计，图1所表示，它是由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮转速随流量改变而改变，即流量大，涡轮转速也大，再经磁电转换装置把涡轮转速转换为对应频率电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，依据单位时间内脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮变送器工作原理是当流体沿着管道轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有KQ= f，其中：Q是流经变送器流量（L/s）；f是电脉冲频率；k是仪表系数，次/升。管道内流体力作用在叶片上，推进涡轮旋转。在涡轮旋转同时，叶片周期性地切割电磁铁产生磁力线，改变线圈磁通量。依据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动电势信号，此脉动信号频率和被测流体流量成正比，k是涡轮变送器关键特征参数，它是代表每立方米流量有多个脉冲，或每升流量有多个脉冲，不一样仪表有不一样k。涡轮变送器输出脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就能够实现流量测量。涡轮显示仪器前置放大磁电转换protel dxp .iso传感器图1 涡轮番量原理图Fig.1 The scheme of of heat meter1.4 涡轮番量计特点在多种流量计中涡轮番量计、容积式流量计是能够得到最好反复性少数仪表。二者相比，涡轮番量计又含有自己特点，如结构简单、加工零部件少、质量轻、维修方便、成本低特点。涡轮番量计还含有测量正确度高、测量范围广、压力损失小、惰性小、温度范围广及数字信号输出等优点。像这么技术参数其它流量计则是难以达成。所以涡轮番量计在工业上应用最广泛，发展最快速。除了在石油、化工、电力工业中用来测量水、油品、燃气等管流流量及食品工业中测量牛奶、酒类等流量外，因为其兼有测量正确度高和反复性好特点，故还能够作为校验其它流量计标准表。涡轮番量计虽有很多优点，但因为涡轮必需和流体接触并转动，所以对被测流体洁净度要求高。流体温度、粘度、密度对仪表指示值也有较大影响。而且因为有转动部件，会带来轴承磨损，使仪表使用年限受到影响。所以，必需注意依据被测流体具体情况合适选择变送器型式及其隶属设备，如附加合适过滤器等保护设备。1.5 本文研究内容本文研究是一个新型涡轮番量计。它优点在于，采取了功效强大CPU，使得外围芯片降低，整个系统结构简单，无可动部件，系统稳定性高，另外，系统功耗低、速度快，这些全部是本设计考虑关键点及实现目标。流量积算系统是流量计二次仪表，它接收一次仪表、变送器信号，进行处理和运算，并将计算结果由显示、积算单元进行显示和累积。多年来生产工业流量计全部是由一次仪表、变送装置及二次仪表组成一个流量测量系统。流量显示积算在流量测量系统中起着极其关键作用，从某种意义上讲，它质量优劣代表了整个流量计质量好坏。对于流动工况波动或不停改变多种工业流体介质，没有高性能、高运算精度流量显示积算系统，不可能正确测量流量。一个智能流量积算系统就是要充足利用单片机体积小、功效强大、价格廉价、可靠性高等优点并配合部分外围器件，经过编制合理软件程序完成流量高精度积算较优异一个计量系统。它能够充足利用系统软、硬件资源，方便完成高精度赔偿运算，并依据配接流量传感器类型经过良好人机界面完成参数设置，调用不一样数学模型完成对应积算。本论文关键就在于讲述一个智能流量积算系统硬件和软件设计。2 温压赔偿技术研究2.1 温压赔偿必需性所谓流量计量赔偿，就是对流量计读数系统误差修正。流量检测装置系统误差，多数是流体性质及条件（如温度、压力、成份及流量范围等）改变引发，流量计输出信号和被测流量之间刻度关系只能依据某一特定工艺情况来确定，假如流量计实际刻度系数己经发生改变，这时仍按原刻度关系读取流量，就肯定会产生误差。因为气体可压缩性，决定了它流量测量比液体复杂，仪表输出信号除了输入信号相关，还和气体密度相关，而气体密度又是温度和压力函数。所以，气体流量测量普遍存在温度和压力赔偿问题。采取涡轮番量计（速度法）测量气体流量从它计算公式上看，流体体积流量和密度无关，也就是和温度、压力没什么关系。但实际上此时测得流量是针对某一工况下流量值，而气体流量计读数通常以标准体积流量表示，所以就存在一个现场情况(非标准状态)和标准状态体积换算问题。即使采取质量流量表示也要先变换到标准状态下体积流量再乘以标准气体密度。所以，速度法测量气体流量也需要进行温度、压力赔偿。2.2 赔偿原理气体涡轮番量计温压赔偿原理就是把工况条件（非标准状态）下所测体积流量转换成标准情况(20,0.1013MPa）下体积流量。对于气体来说气体体密度是温度T和压力P函数，当流体压力、温度改变较大时，将引发密度较大改变。密度不一样也就显示了不一样工况条件下测得相同体积则可能代表了不一样标准体积流量。测流量也能够测量流体密度，但通常测量流体温度和压力要比测量介质密度更轻易，尤其在高温、高压下，现在现有密度计还极难直接测量出流体密度。所以，必需依据标准体积和工况体积、压力、温度函数关系进行赔偿。显然，这种赔偿方法关键在于必需有一个适合于被测流体VN=f(P,T,V)函数表示式，然后将其带入流量方程式，求出赔偿系数，并按此规律进行赔偿。3 涡轮番量硬件电路设计3.1 涡轮番量计硬件整体结构本课题设计涡轮番量计由流量传感器、温度传感器、微处理器、LCD显示、HART模块、按键等组成。该系统以MSP430F147单片机为关键,配合外围器件，实现了信号采集，数据处理，现场显示,累计存放,通讯,按键设置人机界面等功效。原理图图2所表示。图2 涡轮番量计原理图Fig.2 The scheme of of heat meter3.2 单片机选择MSP430系列单片机针对多种不一样应用，包含一系列不一样型号器件，关键特点有：3.2.1 超低功耗MSP430系列单片机电源电压采取1.8-3.6V低电压，RAM数据保持方法下仅耗电0.1uA，活动模式耗电250uA/MIPS（MIPS：每秒百万指令数），IO输入输出端口漏电流最大仅为50nA。MSP430系列单片机有独特时钟系统设计，包含两个不一样时钟系统：基础时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有时钟系统产生CPU和各功效模块所需要时钟，而且这些时钟能够在指令控制下打开或关闭，从而实现对总体功耗控制。因为系统运行时使用功效模块不一样，即采取不一样功效模式，芯片功耗有显著差异。在系统中共有一个活动模式AM和5种低功耗模式LPM0-LPM4。另外，MSP430系列单片机采取矢量中止，支持十多个中止源，并能够任意嵌套。用中止请求将CPU唤醒只要6us，经过合理编程，既以降低系统功耗，又能够对外部事件做出快速响应。3.2.2 强大处理能力MSP430系列单片机是16位单片机，采取了现在流行、颇受学术界好评精简指令及结构（RISC），一个时钟周期能够实施一条指令（传统MCS51单片机要12个时钟周期才能够实施一条指令），使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度能够达成8MPIS（注意：一样8MPIS指令速度，在运算性能上16位处理器比8微处理器高远不止两倍）。TI很快还将推出20-30MIPS产品。同时，MSP430系列单片机一些型号，采取了通常只有DSP中才有16位多功效硬件乘法器、硬件乘加（积之和）功效、DMA等一系列优异体系结构，大大增强了它数据处理和运算能力，能够有效地实现部分数字信号处理部分算法（如FFT、DTMF等）。这种结构在其它系列单片机中还未使用。3.2.3 高性能模拟技术及丰富片上外围模块MSP430系列单片机结合TI高性能模拟技术，各组员全部集成了较丰富片内外设。视型号不一样可能组和有以下功效模块：看门狗(WDT）、模拟比较器A，定时器A(Timer_A)，定时器B(Timer_B)，串口0，1(USART0，1)，硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12位/14位ADC，12位DAC，I2C总线，直接数字存取（DMA），端口0（P0），端口1-6（P1-P6），基础定时器（Basic Timer）等。其中，看门狗能够在程序失控时快速复位；模拟比较器进行模拟电压比较，配合定时器，能够设计出(10-11位)高精度A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）含有捕捉/比较功效；大量捕捉/比较寄存器，能够用于事件计数、时序发生、PWM等；多功效串口（USART）可实现异步、同时和I2C串行通信，可方便实现多机通信等应用；含有较多IO端口，最多达6*8条IO口线，IO输出时，不管是灌电流还是拉电流，每个端口输出晶体管全部能够限制输出电流（最大约25mA），确保系统安全；P0，P1，P2端口能够接收外部上升沿或下降沿中止输入；12位A/D转换器有较高转换速度，最高可达200Kb/s，性能满足大多数数据采集应用；LCD驱动模块能直接驱动液晶多达160段；F15X和F16X系列有两路12位高速DAC，能够实现直接数字波形合成等性能；硬件I2C串行总线接口能够扩展I2C接口器件；DMA功效能够提升数据传输速率，减轻CPU负荷。MSP430系列单片丰富片内外设，在现在全部单片机系列产品中是很突出，为系统单片处理方案提供了极大方便。3.2.4 系统工作稳定上电复位后，首先由DCO_CLK开启CPU，以确保程序从正确位置实施，确保晶体振荡器有足够起振和稳定时间。然后软件可设置合适寄存器控制位来确定最终系统时钟频率。假如晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动开启，以确保系统正常工作。这种结构和运行机制，在现在各系列单片机中是绝无仅有。另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40-+80，运行稳定、可靠性高，所设计产品适适用于多种民用和工业环境。选择所用单片机为MSP430系列单片机后，对单片机片内资源进行需求分析，最终选择了MSP430F147单片机，它含有以下特点：低工作电压：1.8-3.6V超低功耗：活动模式 220A 1MHz ，2.2V待机模式 0.7A掉电模式（RAM数据保持）：0.1A有5 种节电模式从待机道唤醒响应时间不超出6s片内频率锁相环FLL+，可使系统工作在稳定频率上16位精简指令结构（RISC），150ns指令周期含有3个捕捉/比较寄存器16位定时器集成96段液晶驱动器片内比较器配合其它器件能够组成斜边A/D转换器可在线串行编程可编程保密熔丝保护设计者代码Flash存放器3.3 电源电路电源电路作用关键是给测量系统供电，本测量系统关键是靠3.6V锂电池供电，为了最大程度降低功耗，单片机及全部外围芯片在选型时工作电压全部是3.3，所以系统电源必需满足两点要求：1在电池电压高于3.3V时候必需起到将高电压降至3.3V作用。2. 使用一段时间后因为电池电量下降，电压也随之下降，势必低于3.3V。这时电源必需起到把低电压升压到3.3V作用。为了达成以上性能要求，在设计电源时选择了austriamicrosystems企业AS1325稳压片。AS1325是集成了同时整流器高效升压DC-DC转换器，其效率为96%。在输出电压为3.3V条件下，该器件可提供1.5至5V供电电压。当输入电压低于2V，输出电压为3.3V时，输出电流可达185mA。完全能够满足系统供电需求。另外本系统采取理光R3111H301C3.0V电压检测芯片，当电压低于3.0V时，P1.0输出低电平，P1.0下降沿中止有效，进入中止处理，显示“换电池”同时蜂鸣器发出报警声。电源电路连接图3所表示图3 电源模块原理图Fig.3 The scheme of of Power Module3.4 流量测量电路3.4.1 霍尔开关工作原理当一块通有电流金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端含有电位差值称为霍尔电势U，其表示式为：U= KIB/d（3.1）其中K为霍尔系数，I为薄片中经过电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）磁感应强度，d是薄片厚度。由此可见，霍尔效应灵敏度高低和外加磁场磁感应强度成正比关系。霍尔开关就属于这种有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便把磁输入信号转换成实际应用中电信号，同时又含有工业场所实际应用易操作和可靠性要求。3.4.2 流量测量原理及电路按图4所表示多种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来能够组成多种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。图4 旋转传感器磁体设置Fig.4 Set rotation sensor magnet由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推进叶轮转动，便可组成流速、流量传感器。本流量传感器由霍尔开关元件A3210，带磁涡轮及电平转换电路组成，组成图5所表示。将A3210固定在距涡轮所在平面约13mm处。永磁铁经过霍尔元件周围一次，即产生一个计量脉冲；假如一个涡轮有8个叶片，且每一转对应0.01m，那么传感器一个脉冲就对应0.01m/8流量。依据这一原理，我们可确定流量计算公式为；Q=KM（3.2）式中，Q为流量m；K为基表系数，0.01mr；N为转数。图5 涡轮脉冲采集框图Fig.5 The diagram of Pulse Acquisition with Turbo依据这一原理，只要经过MSP430捕捉功效计算A3210产生脉冲频率，就能实时计算出气体在标况下流量了。3.5 温压检测电路本设计关键是选择适宜温度和压力传感器，使硬件电路最大程度简化，而且和所选MSP430单片机相匹配，达成预期精度和超低功耗要求。3.5.1 温压传感器选择本设计采取MS5535B是一个集成度高、功效强大集成芯片。集成传感器多年发展很快，和经典传感器相比，集成传感器含有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高和功效强大等优点。通常传感器多为一个传感器测量一个参数，而传感器多功效和集成化则是在芯片上制作出多个传感器来测量多个参数。传感器集成化是指将多个功效相同或不一样敏感器件制作在同一个芯片上组成传感器阵列，关键有三个方面含义：一是将多个功效完全相同敏感单元集成制造在同一个芯片上，用来测量被测量空间分布信息，比如压力传感器阵列或我们熟知CCD器件；二是对多个结构相同、功效相近敏感单元进行集成，比如将不一样气敏传感元集成在一起组成电子鼻，利用多种敏感元对不一样气体交叉敏感效应，采取神经网络模式识别等优异数据处理技术，能够对混合气体多种组分同时监测，得到混合气体组成信息，同时提升气敏传感器测量精度；这层含义上集成还有一个情况是将不一样量程传感元集成在一起，能够依据待测量大小在各个传感元之间切换，在确保测量精度同时，扩大传感器测量范围；三是指对不一样类型传感器进行集成，比如集成有压力、温度、湿度、流量、加速度、化学等敏感单元传感器，能同时测到环境中物理特征或化学参量，用来对环境进行监测。MS5535B完全表现了传感器集成化发展趋势，是设计首选。3.5.2 2MS5535B特征和功效MS5535B由一个硅压阻传感器和一个集成传感器接口电路组成，其关键特征有：测压范围为0-14bar；供电电压2.2V3.6V，工作温度-40+125；内含六组软件赔偿系数，无需外部赔偿；内含3线串行数据口和一个32.768kHZ主时钟；15位分辨率模数转换，是一个低电压、低功耗、能够自动进行开/关切换SMD器件。将压力传感器和集成传感器接口电路结合在一起是为了节省其它外部元件和实现超低功耗。为了降低能量损耗，在转换过程中传感器不停被开启和关闭，在一次变换中总工作时间为2ms。当MS5535B处于待命状态时，可经过关闭母机降低功耗。同时，因为该装置对震动很敏感，必需使用晶体震荡器，时钟波形必需是方波。MS5535B关键功效是将硅压阻式传感器输出未赔偿压力模拟信号转换成16位数字量，同时还可输出16位温度值。被测压力（16位）由D1输出，被测温度(16位)由D2输出。MS5535B和多种单片机之间通讯经过三线串行口实现。另外，为了对传感器有一个很正确软件标定，该模块设置了6组可读赔偿系数。3.5.3 模块图和连接MS5535B是集成芯片，它模块结构图6所表示。图6 MS5535B 模块图Fig.6 The modules map of MS5535B因为压力传感器输出电压受温度影响很大，所以必需对其进行赔偿，而赔偿必需经过软件由一个外部微处理器完成，赔偿部分软件设计将在下一章中介绍。电路连接图7所表示。图7 MS5535B和单片机连接Fig.7 MS5535B and MCU link3.6 实时时钟在智能仪表中需要随时查看目前时间或历史统计，这就需要系统有一个实时时钟单元。实现实时时钟有两个方案：一是使用CPU本身资源方便地结构时钟单元。二是使用外围时钟芯片。本系统选择是后者，关键原因有两点。1因为仪表是电池供电对功耗要求很苛刻，而整个系统中CPU是耗电大户，假如使用CPU本身运算时钟势必消耗大量CPU资源。这么就会使CPU进入休眠模式时间缩短，功耗上升，大大降低了电池使用寿命。在气体流速平缓时CPU不需要反复测量，只需定时测量一次即可，其它时间处于休眠状态。时钟芯片能够在要求时间内周期性产生中止唤醒CPU，而在不需要读取时间时候，时钟芯片本身工作不需要CPU参与，延长了电池使用寿命。本系统选择是PHILIPS企业PCF8563，这是一款工业级内含I2C总线接口功效含有极低功耗多功效时钟/日历芯片。PCF8563多个报警功效定时器功效时钟输出功效和中止输出功效能完成多种复杂定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功效。内部时钟电路，内部振荡电路，内部低电压检测电路（1.0V）和两线制I2C总线通讯方法不仅使外围电路及其简练而且也增加了芯片可靠性同时每次读写数据后内嵌字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563和单片机电路连接图8所表示：图8 时钟模块电路图Fig.8 Clock module circuit其中电容C3取值范围为120pF，备用电池可选择3V纽扣电池。当系统意外断电时，备用电池给PCF8563供电，使其继续工作。上电后单片机读出时间就不会因为断电而发生错误。3.7 显示部分显示模块是人机接口一个关键组成部分，友好显示界面能够方便操作者读数和进行参数设定。本测量系统显示器需要完成显示测得瞬时流量和累计流量，系统时间，并提供用户简单参数设置界面。选择显示模块为金鹏电子低功耗OCMJ4X8C-3液晶显示模块，其关键显示参数以下：电源：VDD2.75.5V低功耗模式：30uA；显示内容：128列64行；显示角度：6点钟直视；LCD类型：STN；和MCU接口：8位并行/3位串行；配置有LED背光显示功效；带有自动开启复位按钮(reset)；通常来说采取并行连接方法含有速度快，CPU消耗低特点，不过连线较串行复杂。考虑到课题设计涡轮番量计中MSP430单片机外围模块比较多，占用了较多接口，而MSP430F149接口有限，所以显示器和单片机连接方法选择为串行接口连接方法。图9所表示：图9 LCD和单片机连接Fig.9 LCD connection with the MCU在设计中用单片机三个一般I/O口和液晶模块相连即可。CS为片选端，平时在LCD不用时能够置低，以降低功耗。SCLK为串行时序输入端，SID为数据输入端，经过这两个端口配合，单片机就能够把要显示数据写入LCD了。3.8 按键设计按键电路考虑到设计仪表关键用来测量流量，所以键盘并不需要很多按键。本系统设计了四个按键键盘，即、Cancel、Enter四个键，最多可完成8种任务。其中，各个键功效为：（1）和键功效相同，在菜单状态时能够上下移动光标，选择需要进入功效。在进入某个功效后和起作用关键是调整参数大小，按一次键参数加一，而按一次键则参数减一。（2）Enter键为选择功效键。按下Enter键，系统将进入某个选定功效状态。此时和键能够选择需要修改参数，按一次Enter键，进入修改参数状态，状态改完后按Cancel键则可推出。（3）Cancel键和Enter键功效相反。按下Cancel键能够推到目前菜单上一级。系统采取中止方法来设计键盘，因为MSP430F147单片机P1口含有中止功效，所以采取 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个端口作为按键输入接口。按键和单片机之间连接原理图以下图10所表示。图10 按键电路原理图Fig.10 circuit schematics of keys3.9 RS-485通讯部分在自动化领域，伴随分布式控制系统发展，迫切需要一个总线能适合远距离数字通信。在RS-422标准基础上，EIA研究出了一个支持多节点、远距离和接收高灵敏度RS-485总线标准。RS-485 标准采有用平衡式发送，差分式接收数据收发器来驱动总线，具体规格要求：接收器输入电阻RIN12k驱动器能输出7V共模电压输入端电容50pF在节点数为32个，配置了120终端电阻情况下，驱动器最少还能输出电压1.5V（终端电阻大小和所用双绞线参数相关）接收器输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）-0.2V，表示信号“1”）因为RS-485远距离、多节点（32个）和传输线成本低特征，使得EIARS-485成为工业应用中数据传输首选标准。本系统采取MAX3485作为RS-485接口芯片，该芯片关键技术参数为：工作电源为33.6V,工作电流1mA，数据传输率为12Mbps。当驱动60负载（RS-485网络终端匹配电阻120并联值）峰值电流可达50mA。本系统采取MSP430F147单片机包含了两个USART模块，能够很方便和MAX3485连接。再RS-485通讯过程中MAX3485芯片把信号转变成RS-485标准需要电平发送到计算机或端，从计算机或终端接收数据然后发送给USART。原理图图11所表示图11 RS-485原理图Fig.11 circuit schematics of RS-485图中，MAX3485R0脚和单片机P3.4/UTXD0相连，作为通信电路数据接收。DI脚和P3.5/URXD0相连，作为通信电路数据输出。RE和DE接入P3.7和P3.6作为MAX3485使能端。3.10 存放单元在智能流量计中存放单元用来存放系统配置信息、运行状态信息等。包含流量总量、历史流速、气体温度、压力等。当用户或管理人员需要查看流量表信息时，MCU从存放单元中读取相关信息并将其显示在LCD上。AT24C01是ATMEL企业出品采取I2C总线接口串行E2PROM，内建128x8存放序列，最高可达1MHz 串行时钟频率，电压范围宽（1.8V5.5V）。芯片在低压工业和商业应用中进行了最优化，每字节擦写次数可达10万次、数据可保留1。具体电路图图12所表示。图12 串行存放器电路Fig.12 The circuit of Serial memoryAT24C01第7管脚（写保护管脚）接地，使该芯片一直处于能够进行写状态。A0、A1和A2全部接地，表示该器件地址为000。因为I2C是总线工作方法，该总线上还挂有PCF8563时钟芯片，所以总线上每个器件全部应该有对应地址，这么才能实现寻址操作。4 涡轮番量计积算仪系统软件设计4.1 软件总体组成在编制程序时，采取了“自顶向下”程序设计方法，即从整体到局部，最终到细节。这种程序设计思绪将注意力集中到程序总体逻辑结构上面，只要总体逻辑结构正确，再复杂程序也能够按划分出来逻辑功效模块逐一设计出来。整个程序设计分以下三个步骤：1. 总体计划。包含设计软件整体结构，划分子程序模块。2. 具体实现。即模块化编程，用程序语言把子程序模块一一实现。把每个子程序模块设计成只有一个入口和一个出口。这么一来，各个程序模块可分别设计，从而使程序调试、修改和维护全部变得比较轻易。3. 总体组合。即结构化编程，使用结构良好转移和调用，将子程序模块有效地组合成一个整体，使步骤明确地从一个程序模块转移到下一个程序模块。4.2 软件开发环境涡轮番量计系统软件关键用C语言编制。现在单片机C语言编程是单片机开发中比较流行语言。这是因为C语言有其内在优点，和汇编语言相比，C有以下优点：对单片机指令系统不需要太了解寄存器分配、不一样存贮器寻址及数据类型等细节可由编译器管理程序有规范结构，可分为不一样函数，这种方法可使程序结构化含有将可变选择和特殊操作组合在一起能力，改善了程序可读性。编程及调试时间显著缩短，从而提升效率，已编好程序可轻易地植入新程序，因为它含有方便模块化编程技术，轻易完成复杂数学运算。MSP430系列单片机使用IAR Workbench系统，它编译器提供C语言标准特征，还含有很多为MSP430单片机专门设计开发工具。IAR Workbench是一款集编辑、编译、调试、下载于一体集成开发环境。它提供以下特征：1.语言工具和 ANSI规格一致可应用于嵌入式系统标准函数库含有可选择源代码IEEE兼容浮点算法对 MSP430特殊性能有力扩展包含高效I/0用户代码和汇编子程序连接长识别符多达255个有效字符多达 3个外部符号2.性能快速编译避免临时文件或覆盖overlays基础存放器设计编译时严格模块接口类型检验程序源LINT-like检验3.代码产生可选择代码速度或大小最好化易于了解犯错和警告消息和 C-SPY高级调试器兼容4. 目标支持灵活变量分配不需要汇编语言中止函数使用处理器专用扩展时保持可移植性#Pragma伪指令4.3 流量计系统总体概述C语言支持结构化编程，它模块化结构给编程带来了极大方便。智能流量计系统应用程序关键是由主程序和中止处理程序组成，其中主程序又由多个子程序所组成。主程序包含：系统初始化子程序、配置运行参数子程序、LCD显示子程序等；中止处理子程序包含：流量检测子程序、温度压力检测子程序、流量赔偿算法子程序、按键输入子程序、存放配置数据子程序、通讯子程序等。流量计首次上电时系统初始化，显示目前时间，历史流量数据，压力、温度和电池电量。用户能够选择数据清零或保持不变。假如电池电量过低，系统报警，提醒用户更换电池。在无操作情况下延时一段时间后LCD自动关闭显示，进入低功耗模式3（LPM3）。当发生中止事件，CPU从低功耗模式中被唤醒，并判定是何种中止事件，进而进入中止处理程序。若是时钟信号唤醒CPU，则经过涡轮转速、温度、压力值计算出标况下气体流量，并将流量值和目前时间存入FLASH中，然后流量表重新进入低功耗模式。若是有按键按下，则经过中止唤醒CPU后调用按键子程序，依据按下功效键显示目前瞬时流量、累积流量、温度、压力、运行时间等信息。若在一段时间内无按键按下则又进入低功耗模式。完成后进入低功耗模式。若是用户经过菜单选择了R485，系统将调用对应通讯子程序自动将目前或是历史流量信息发送给上位机。若是流量传感器报警，流量计报警并关闭电动阀，存放报警标志，