流量采集电路的设计

黄晗 徐冰辉 江泽裔 孙超 朱玺 李雅丽

摘要： 本文分析了国内现阶段，使用IC卡、远传燃气表、集中抄表、无源接触式直读表（电阻式）和无源非接触式直读表（光电式）远传抄表等管道燃气计费管理系统，在不同阶段发挥了一定积极作用，但是它们都基于机械式传动燃气计量表，脱离不了机械构件受安装精度和环境温度等的影响。基于互联网、无线通信技术等技术，智能燃气无线传输管理系统成为了人们研究的热点问题。本文设计一种基于流量压力传感器、 脱离机械构件的燃气流量采集电路，它是智能燃气无线传输管理系统中重要的组成部分，可提高燃气计费系统运行效率和处理精确度。

关键词：单片机 采集电路 串行通信

中图分类号：TB937 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（c）-0000-00

1.引言

随着科技经济的快速发展，城市居民生活现代化水平和管道燃气普及度的提高，燃气使用抄表、计费和收费工作量也与日俱增。现有的人工抄表；用户购买磁卡、IC卡收费；通过远程通信系统（如公用电话网、电力线载波、数据网等）自动获取远程仪表数据的方式，以及采用无源接触式直读表（电阻式）和无源非接触式直读表（光电式）[1]等方式 ，已经跟不上现在发展的需要。IC卡燃气表，是在现成的机械式燃气表的计量机构上，通过光电或霍尔元件等传感器，将天然气的流量转为电信号输入单片机进行计量，利于燃气企业的资金回收，减少人工查表收费中的弊端等问题[2]，但是用户要先买后用，而且受一次购气数量、IC卡营业站的工作时间和地点等的限制，给用户购气带来诸多不便。自上世纪九十年代末开始，燃气公司不同程度地对远传燃气表和集中抄表系统进行了积极尝试，采用有源脉冲式远传燃气表+通讯采集器的系统结构，但是系统存在的计量准确性低、系统可靠性差、维护工作量大等问题，直接影响了燃气表的推广应用。2005年后，推出全新的无源接触式直读表（电阻式）和无源非接触式直读表（光电式）[3]等，但是它们都基于机械式传动燃气计量表，脱离不了机械构件受安装精度和环境温度等的影响。随着互联网、zigbee无线通信技术、集成电路技术的发展，基于单片机等智能化系统在工业生产控制管理中广泛应用，本文设计一种基于单片机、气体流量传感器，实现燃气流量采集电路。

2.系统电路构成

燃气采集传输系统，由气体流量传感器、信号调理电路、采样保持器电路、A/D转换电路、电源电路、时钟电路、单片机显示电路、串行通信电路等组成，如图1所示。

图1系统框图

3.采集电路的设计

本文选用SDP1000热传导式差压传感器，量程为-5～125Pa（0.5inch H2O ，-20～500 Pa（2 inch H2O），工作电压5V，输出电压为0.25～4V，精度和分辨率可达 0.05 Pa，受温度等因素影响小，运行安全可靠。

信号调理电路选用RC低通滤波电路，以达到信号提取的精度要求。在流量采集调理电路中利用6个放大器及电阻构成了求差式放大电路，选择合适的电阻值可将SDP1000输出的模拟电压0.25-4V，转换为ADC0809所需0～5V的输入电压。

采样保持器电路：由于输入模拟信号是连续变化的，而A/D转换器要完成一次模拟数字转换需要一定的时间，为使在A/D转换期间，保持采样输入信号的大小不变而设计。电路由电容CH和两级输入缓冲器A1、A2和控制开关S1组成，A1为高增益放大器。该电路工作先后经历两种工作模式：采样和保持，采样保持器可以通过模拟控制信号来选择工作模式[4]。

A/D转换电路：由括采样、量化、编码三部分组成，将输入的模拟量转换为数字量，为数码显示和串行通信鉴定基础。

时钟电路和复位电路：AT89C51时钟电路主要由12Hz晶振、30pF电容组成。单片机系统工作需要外部提供时钟晶振才能启动工作，此外为了使系统工作稳定往往要加上一定的滤波电容，避免由于噪声干扰而死机。

ADC0809与单片机AT89C51连接电路：本系统将单片机AT89C51与ADC0809直接连接，通过P2口传递数字信号，P1口发送控制信号，从而实现单片机AT89C51与ADC0809的连接，具体连接方式如图2所示。

图2 单片机AT89C51与ADC809连接

单片机串行通信电路：由于计算机的串行接口屬于RS-232C标准，接口信号的电平不能和单片机的串行接口直接相连。利用芯片MAX232可以作为电平转换器实现单片机与计算机的通信。

LED显示电路：通过程序控制，将单片机处理后的数据，显示在LED数码管上。本燃气流量采集传输系统，选用了4位软件译码动态LED显示方式。

4. 电路制作及实验检测

用软件Protel，画出燃气流量采集传输系统的电路原理图，然后需要对原理图各个元器件进行封装，部分元器件需要自己设计其封装图比如SDP1000、74LS02、AT89C51等，最后生成PCB图即可生成PCB版图，在PCB版图中，需要对元器件调整排列布局，使得各元器件之间的连线尽可能的方便简单。由于元件库有些元件和需要的不一致，在生成PCB图时会产生错误，所以在生成版图后要检查线路的连接是否和原电路图相对应，核对无误，把图打印在相片纸上。本燃气流量采集传输系统的PCB版图如图3所示。在生成PCB图后，利用Photoshop软件将图片进行镜像处理并打印在透明的相片纸上，最后在覆铜板上制成了印刷电路板。气体流量传感器输出的模拟电压采用直流模拟电压代替进行实验检测。当整个系统实物通电后，给调理电路加上+5V、+12V电压后调节输入的模拟电压，当缓慢改变气体流量即增大输入电压时，测量结果与计算仿真基本一致。

本文设计的基于压力传感器的燃气流量采集电路，可以摆脱传统的燃气表的机械传动构件，克服了机械构件受外力、安装精度和环境温度等的影响，而且能够摆脱复杂的机械传动系统，可提高燃气计费系统运行效率和处理精确度。为进一步借助互联网、zigbee无线通信等技术，构建新型的、智能化的、高效率的燃气计量、收费和综合管理系统提供了基础。

参考文献：

[1] 任彩峰：IC 卡在燃气计量系统的应用.科技资讯.2008，No.23

[2] 刘福玉 李文玉：光电直读式远传燃气表及集中抄表系统.科技信息.2012.25

[3] 徐晓丹.基于WEB服务IC卡燃气售气管理系统的设计与实现.电脑开发与应用.2010.25（3）

[4] 于秀丽，欧阳斌林，宋锡强.智能IC卡预付费燃气表的电控系统设计[N].东北农业大学学报.2004