新型低功耗明渠流量计的设计

2015-03-09DesignoftheNewTypeofOpenChannelFlowmeterwithLowPowerConsumption

自动化仪表 2015年2期

关键词：板式低功耗中断

Design of the New Type of Open Channel Flowmeter with Low Power Consumption

李　斌　马　珺

(太原理工大学教育部新型传感器与智能控制重点实验室，山西太原　030024)

新型低功耗明渠流量计的设计

Design of the New Type of Open Channel Flowmeter with Low Power Consumption

李斌马珺

(太原理工大学教育部新型传感器与智能控制重点实验室，山西太原030024)

摘要：通过对现有明渠流量计的研究分析，提出了一种新型的低功耗明渠流量计的设计方案。采用板式水位传感器配合巴歇尔槽实现流量的计量，以MSP430单片机作为核心处理器，利用太阳能为整个系统供电。为降低系统功耗，从六个方面对软件进行优化。经测试，该流量计工作稳定、误差小、功耗低，特别适合偏远地区长期无人监守的场合。

关键词：流量计低功耗MSP430太阳能供电板式水位传感器

Abstract：Through researching and analyzing existing open channel flowmeters, the design scheme for new type of open channel flowmeter with low power consumption is proposed. In this design, by adopting plate-type water level sensor and Parshall flume to achieve flow measurement; the MSP430 single chip machine is used as the kernel processor; the entire system is solar powered. And the software is optimized from six aspects to reduce the system consumption. Having been tested, the flowmeter operates stably with low error, low power consumption, it is especially suitable for remote areas where are long term unattended.

Keywords：FlowmeterLow power consumptionMSP430Solar poweredPlate-type water lever sensor

0引言

随着社会经济的飞速发展以及人民生活水平的大幅提高，能源消耗急剧增加，排放的污染物也相应增加。尤其是污水的任意排放，严重污染了地表水和地下水，这不仅制约了我国经济的可持续发展，还深深影响着人们的身体健康。污水的排放管理已成为环保工作的当务之急，准确计量核定污水流量越来越受到政府部门和普通民众的关注。一般的污水流量计安装在偏远地区，环境恶劣，铺设电缆困难，成本昂贵，基本上使用电池供电，而电池的容量有限，难以维持流量计长时间运行。因此，设计一种计量准确、低功耗并可以实现能源自给自足的污水流量计，是现阶段环保事业的一项重要工作。

1流量检测原理

大多数工业废水都是自然排放的，以非满水状态自由流动，属于明渠流动。根据流体力学理论，水流量与水流截面积、流速、时间成一定的函数关系。因此设计一种特定的水路，使污水达到理想状态的静态定常流体。流体力学的伯努利方程如式(1)所示：

(1)

式中：Cu为流速系数；Ce为受摩擦和涡流影响的流量系数；g为重力加速度；b为水流槽宽度；h为水位高度。

在特定的水路中，b为常数；Cu、Ce为修正系数，可查表得出。因此，只要测得水位h，即可算出流量qv。

2系统原理

流量计系统主要由处理器单元、流量传感器单元、无线通信单元、太阳能供电系统和外部存储单元组成。系统原理框图如图1所示。

图1　系统原理框图

处理器单元负责控制整个流量计的运行，接收和处理流量传感器采集的数据，控制无线通信单元将数据发送到上位机，并把数据实时写入外部存储单元。流量传感器是感知自然界的触角，主要负责待测目标信息的采集和数据转换。无线通信单元负责将数据发送到上位机并接收上位机的控制信号。外部存储单元负责实时存储数据并将数据永久保存。太阳能供电系统负责将太阳能转化为电能，为各个单元提供必需的能量，确保各单元正常运行。

3硬件电路设计

3.1　流量计的选择

根据污水检测原理，本设计选用太原理工大学测控技术研究所自主研制的板式水位传感器配合巴歇尔槽实现流量的计量[1]。板式水位传感器原理图如图2所示。

MFC7710B芯片是水位采集芯片，以串行方式连接，其作用是采集水位信息并传送到MFC7720B芯片。MFC7720B芯片的功能就是将从MFC7710B芯片输入的水位信息转换成BCD码形式[2]。

在板式水位传感器面板中，取样点组成点阵式取样电路，相邻取样点纵向分辨率为2 mm。将板式水位传感器垂直安装在巴歇尔槽的入水口处，当水位上下变化时，水面靠近某个取样点，该取样电路发生触发性翻转，输出信号由“1”变为“0”；当水面离开取样点时，输出信号由“0”变为“1”。若干取样点组成一条水位神经线，通过对取样点的检索，即可实现水位的测量[3]。

采用数字式直接取样，取样数据只有“0”与“1”，只反映这一点有水还是无水。该方法克服了传统的模拟量检测方式本身带有模糊量的成分，避免了受温度、空气压强、电场、磁场等多种环境分布参数的影响，大大地提高了检测的准确性、可靠性。

板式水位传感器在硬件层基本选用COMS或HCMOS型工艺制造的IC[4]。COMS电路的功耗主要是电路的开关功耗，也被称为动态功耗，其他的功耗如静态功耗、短路功耗和漏电流功耗主要由芯片制造工艺决定，占用系统功耗很少。动态功耗主要来源于对负载电容的充放电，可由下式表示：

Pd=afCLVDD2

(2)

式中：a为电路开关活动几率因子；f为工作频率；CL为输出总负载电容；VDD为工作电压。

因此，降低工作频率和工作电压即可降低系统功耗，满足本设计低功耗的要求。

3.2　处理器的选择

由于污水流量计工作在荒郊野外，无法铺设电缆进行供电，只能使用电池，而处理器的功耗直接影响着流量计的使用寿命，所以我们选用TI公司的MSP430单片机[5]。

在本设计中，通过合理配置系统时钟，使单片机长时间处于低功耗模式3(LPM3)，以降低功耗。LPM3下晶振处于活动状态，中断有效，功耗却不到2 μA，DCO处于关闭状态，仅需6 μs就可将它唤醒。

3.3　电源模块的设计

污水流量计安装在偏远地区，环境恶劣，铺设电缆困难，成本昂贵，基本上使用电池供电，而电池的容量有限，难以维持流量计长时间运行。所以，采用太阳能供电系统加蓄电池的方法为流量计提供能量[6]。

蓄电池输出电压为12 V，板式水位传感器工作电压为5 V，MSP430处理器、外部存储器、时钟电路等工作电压为3.3 V，所以需要通过电压转换电路将12 V电压转换为5 V和3.3 V。本设计选用三端稳压器7805实现12 V到5 V的电压转换，选用1117-3.3实现5 V到3.3 V的电压转换[7]。具体电路如图3、图4所示。

图3　12 V转5 V电路

图4　5 V转3.3 V电路

3.4　外部存储器设计

数据报送一次后距离下次报送还有相当长的一段时间间隔，在此期间，系统仍进行监测。监测产生的大量数据需要保存，而处理器自带的存储容量有限，不能满足要求。所以，需要增加外部存储器，实现对该段间隔时间数据的存储以及历史数据的长时间存储。

SD卡具有体积小、容量大、传输速度快、安全性高等特点，本设计选用其作为外部存储介质。SD卡支持SPI和SD两种传输模式，其中SD模式读写速度快、控制信号线多、操作复杂，SPI模式速度较慢、控制线少、操作也相对简单。MSP430单片机有现成的SPI接口，另外考虑本设计的低功耗要求，选用SPI模式进行数据传输。具体电路如图5所示。

图5　SD卡电路

3.5　实时时钟

由于测量数据并不是实时报送，而是按要求每周或每月报送一次，得到的只是大量的流量数据，并不知道具体测量时间，因此设计中加入了日历时钟电路，即可实现监测数据与监测时间的一一对应。

本设计选用DS1302来实现时间的记录。它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，工作电压2.5~5.5 V，采用三线接口与处理器进行同步通信。具体电路如图6所示。

图6　实时时钟电路

3.6　无线通信选择

现在无线通信技术已经相当成熟，生活中已经开始广泛使用，然而一般的无线通信传输距离有限，从几米到几百米不等，不能满足更远距离的数据传输的要求。而GPRS网络具有覆盖范围广、可靠性高、永远在线、传输速度快、按流量计费、不受地理位置的限制等优点，非常适合环境相对恶劣的偏远地区[8]。因此，本设计选用GPRS技术来完成无线传输任务。

4系统软件设计

系统软件从功能上分为主程序和中断程序，主程序完成整个系统的初始化，使各个模块进入低功耗或“休眠”模式。当出现定时器中断或上位机数据采集命令时，进入中断，执行中断程序。中断返回后系统重新进入低功耗或“休眠”模式。中断程序唤醒相应模块，进入工作状态，完成数据的采集、存储和发送，上位机接收数据成功后，清除中断标志，退出中断。

主程序流程图与中断程序流程图如图7所示。

图7　主程序与中断程序流程图

为了降低系统的功耗，除了在硬件方面进行低功耗设计，软件的低功耗设计也十分重要[9]。本文通过以下几个方面进行优化：①MSP430为16位单片机，所以尽量使用16位数据类型；②循环结构中使用减计数循环，可以减少执行的二进制总指令数量[10]；③尽可能地使用unsigned数据类型；④对RAM操作比Flash更加耗能，所以尽量使用宏定义来代替子程序调用；⑤用中断方式代替查询方式；⑥通过I/O控制各模块间歇性地工作。

5结束语

本文从软硬件两个方面完成了一种新型流量计的设计，选用低功耗MSP430F149单片机作为处理器，GPRS进行数据的传送，增加SD卡对监测数据进行长期保存，采用太阳能供电系统实现整个系统的能源自给自足。整个系统运行安全稳定、功耗低，而此设计方案同样适用于其他险恶地区的环境监测。

参考文献

[1] 马珺,马福昌.新型板式流量传感器的设计[J].太原理工大学学报,2008,39(3):265-267.

[2] 段臣杰.板式数字流量计的低功耗设计与无线射频通信系统的研究[D].太原:太原理工大学,2009.

[3] 马珺,王龙山.一种新型明渠流量计设计[J].传感器与微系统,2012,31(12):130-132.

[4] 王辉,马福昌.检索式数字水位数据采集系统的低功耗途径探讨[J].太原理工大学学报,2008,39(2):119-122.

[5] 刘红乐,马福昌.高精度低功耗的无线数字水位传感器智能变送器[J].仪表技术与传感器,2013(6):13-16.

[6] 侯锦锋.渠道流量计太阳能自供电系统的开发[D].太原:太原理工大学,2010.

[7] 高艺.能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究[D].天津:南开大学,2010.

[8] 刘捷,官洪运,王志亮.基于GPRS的在线水质监测系统的研究[J].微型机与应用,2010,29(20):29-32.

[9] 姚伟.嵌入式系统低功耗软件技术研究[J].计算机技术与发展,2011,21(1):112-115.