CN105784035A - 一种低功耗浸入型热式气体流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低功耗浸入型热式气体流量测量方法和装置。由单片机产生PWM控制电源输出，使装置间断处于工作状态和休眠状态，通过缩短装置工作时间降低功耗。PWM的占空比和输出频率根据传感器的动态响应时间和单片机信号采集时间决定。该装置采用电池供电，通过降压转化电路输出3V电压给传感器电路芯片，信号处理电路芯片和单片机供电，通过开关稳压电路输出6V电压连接到传感器电路，传感器电路把气体流量信号转化为电压信号后输入到信号处理电路，滤波放大后连接到单片机AD端，经单片机软件分析处理输出流量值到LCD显示。本发明通过PWM控制，装置间断性工作的方式实现气体流量低功耗测量，延长了电池使用时间。

Description

一种低功耗浸入型热式气体流量测量方法及装置

技术领域

本发明属于流体检测技术领域，涉及一种低功耗浸入型热式气体流量测量方法及装置。

背景技术

热式气体流量测量是一种新型的气体流量测量方法，根据气体热传导原理，流经热式传感器表面的气体会带走传感器的部分热量，通过气体流量与热式传感器之间热交换的关系即可测得气体流量。热式气体流量计测量精度高，量程宽，灵敏性好，同时因为无可动部件，对气体流场的影响小，压力损失低，使用寿命长，因此逐渐被应用于石油化工，半导体加工，航空航天等领域。

目前，热式气体流量计按结构分可分为分布型结构和浸入型结构两种。分布型热式流量计由两个温度传感器和一个加热器组成，一般被置于管道内壁面或旁路管道中，能量消耗低，用于测量低流速气体流量。浸入型热式流量计把传感器置于管道中心，用于测量中高流速的气体流量，其中传感器包括一个测温探头和一个测速探头，测温探头用于补偿环境温度，测速探头用于测量气体流量。浸入型热式气体流量计测量量程宽，实用性好，但是能量消耗大。现在，浸入式热式气体流量计或者采用直流电源供电，或者电池供电，但是直流电源供电不方便，使用电池供电则需要经常更换，使用成本高，因此设计一种低功耗浸入型热式气体流量测量方法和装置具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗浸入型热式气体流量测量方法和装置，采用合适占空比和输出频率的PWM控制电源输出，使装置间断性处于工作状态和休眠状态的方式，实现装置的低功耗测量，延长电池的使用时间。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明的测量方法是通过单片机产生PWM，控制电源输出电路的导通与截止。当电源导通时，装置处于工作状态，完成气体流量信号的采集、转换、处理和显示；当电源截止时，装置处于休眠状态，通过PWM使装置不断处于工作状态和休眠状态。本装置中传感器具有动态响应特点，根据传感器完成一次信号转换需要的时间和单片机采集信号的时间确定PWM的占空比和输出频率，减少装置在工作状态的时间，增加休眠状态时间，降低装置的能源消耗。本测量方法用PWM控制电源输出时间的方式替代持续供电和间歇供电，使装置工作时间最短，功耗最低，可以有效延长电池使用时间。

本发明由电池提供7.2V电源，通过降压转换电路转为3V给单片机、信号处理电路和传感器电路的芯片供电，通过开关稳压电路给传感器电路6V供电，传感器电路产生的电压信号由信号处理电路处理后连接到单片机的AD输入端，通过单片机软件分析处理后将气体流量值输出到显示屏LCD上。在单片机的I/O口输出一个一定占空比的PWM，连接到开关稳压电路、传感器电路和信号处理电路的芯片上，控制电路输出和截止。

所述传感器电路由温度传感器铂热电阻，电阻，精密电阻，PNP三极管和运算放大器组成。

所述信号处理电路包括信号减法电路，信号放大电路和信号滤波电路三个部分。

所述软件处理指用C语言编程，将输入电压信号模数转化，根据气体流量与电压关系式得到气体流量值。

本发明根据浸入型热式气体流量计特点设计测量电路，用PWM控制电源输出使装置间断测量的方式代替装置持续测量，有效降低了热式气体流量计的使用功耗，扩大了流量计使用范围和应用领域。

附图说明

图1是低功耗浸入型热式气体流量测量装置结构原理图；

图2是低功耗浸入型热式气体流量测量装置具体电路图；

图3是PWM供电模式下传感器电路输出信号曲线图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1所示，本发明装置包括电池，降压转换电路，开关稳压电路，传感器电路，信号处理电路，单片机和LCD。装置由两节3.6V锂电池供电，通过开关稳压电路转换为6V电压后，连接到传感器电路。传感器电路中的温度传感器将管道中的气体流量信号转化为电路的电压信号后连接到信号处理电路，信号处理电路通过滤波放大等处理后与单片机的AD输入口连接。液晶显示屏LCD作为外部设备连接单片机。单片机对输入电压进行AD转换，分析处理后，输出流量值到LCD上。开关稳压电路，信号处理电路中的芯片和传感器电路中的运算放大器均为可使能控制的芯片，将单片机的I/O口分别连接到这些芯片的使能控制端，由I/O口产生一个一定占空比的PWM，当PWM为高电平芯片输出电路导通，低电平输出电路截止。同时通过降压转换电路，把电池7.2V电压转化为3V稳定电压给传感器电路，信号处理电路中的芯片和单片机供电。

图2所示为本发明装置的具体电路图。图中1为开关稳压电路，芯片U1为LMR12007开关稳压芯片，具有使能控制引脚，关断电流为30nA。芯片第5脚连接7.2V电源，第2脚接地，第1脚通过二极管D2连接到第5脚，第1脚与第6脚之间连接自举电容C5，电感L1一端连接到第6脚，另一端作为电压输出端，二极管D1的一端连接到第6脚，另一端接地，第3脚通过电阻R2和电阻R3分别连接到输出端和地，电容C6连接输出端和地。通过选择电阻R2、R3阻值，使输入电压7.2V转化为6V输出。第4脚为芯片使能引脚，连接到单片机的P1.0口，由P1.0口产生的PWM波控制芯片的输出和截止。电阻R1连接第4脚和第5脚。

图中2为装置的传感器电路，传感器为铂热电阻。铂热电阻RS1，RS2，RS3和RS4构成小惠更斯电桥，用于测量低流速气体流量。精密电阻R5，R6，铂热电阻RS5和小惠更斯电桥构成大惠更斯电桥，用于测量中高流速气体流量，惠更斯电桥可以对环境温度自动补偿。大惠更斯电桥输出点P3连接到运算放大器OPA836的第4脚，输出点P4连接到第3脚，第1脚通过电阻R4连接到三极管Q1的基极，第5脚为芯片使能引脚，连接到单片机的P1.0口，第6脚连接3V电源，第2脚接地。三极管Q1的集电极连接6V电压，发射极连接惠更斯电桥，所用三极管Q1为MJD122。

图中3，4，5为信号处理电路，用于处理传感器输出的电压信号。图中3为减法电路，芯片U2采用双通道运算放大器OPA2836，具有使能控制引脚PD，开关相应时间短，功耗低。芯片的第2脚和第3脚分别通过电阻R7和R8和小惠更斯电桥的输出点P1和输出点P2相连，电阻R9连接第1脚和第2脚作为反馈回路，电阻R10的一端接第3脚，另一端接地，通过该运放将小惠更斯电桥输出点P1，P2两点电压做减法处理。大惠更斯电桥的输出点P3通过电阻R15后连接到芯片第7脚，第8脚连接电阻R13和R12，并通过电阻R12连接到第9脚构成反馈回路，开关稳压电路输出电压6V连接到R13的另一端和电阻R14，R14另一端接地，该部分用于大惠更斯电桥的输出点P3与6V电压相减。芯片的第4脚和第6脚连接到单片机的P1.0脚，第10脚接3V电压，第5脚接地，第1脚和第9脚分别输出电压V1和V1’。

图中4为信号放大电路，芯片U3为OPA2836双通道运算放大器，由于两个通道工作原理一样，这里选择输出电压V所在通道说明。电压V1通过电阻R16连接芯片U3第3脚，电阻R18一端连接芯片第2脚，另一端连接第1脚构成反馈回路，电阻R17一端连接第2脚，另一端接地，第1脚输出放大电压V2。芯片第4脚和第6脚接单片机P1.0脚，第10脚接3V电压，第5脚接地。

图中5为信号滤波电路，芯片U4为OPA2836双通道运算放大器，同理选择输出电压V2所在通道进行说明。电压V2通过电阻R23后连接电阻R25和电容C10，R25的另一端连接电容C9和U4第7脚，电容C9和C10另一端接地，芯片第8脚和第9脚相连，作为电压跟随器，芯片第9脚输出电压V3。芯片第4脚和第6脚接单片机P1.0脚，第10脚接3V电压，第5脚接地。

图中6为单片机电路。单片机芯片U4采用MSP430F4371，具有5种低功耗模式，工作电流为280μA。单片机的第8脚连接晶振Y的一端和电容C11的一端，第9脚连接晶振Y的另一端和电容C12的一端，电容C11和C12的另一端共同接地。单片机第1脚，第52脚，第80脚分别连接3V输入电压，第53脚，第78脚和第79脚分别接地，电容C13的两端连接第52脚和地，电容C14的两端连接第1脚和地，电容C15的两端连接第80脚和地。输出电压V3连接到单片机第75脚，输出电压V3’连接到第76脚。单片机的第67脚产生一定占空比的PWM波，控制外部芯片的使能输出。单片机第12脚到第41脚，第45脚和第46脚连接外部液晶显示屏LCD。

图中7为降压转换电路，把电池输入的7.2V电压转化为3V电压输出，采用RH5RL30AA作为转化芯片。芯片U6的第2脚，电容C1正端和电容C2一端连接7.2V输入电压，电容C1负端和电容C2另一端接地。U6第3脚连接电容C3正端和电容C4一端，并作为输出电压端输出3V电压，电容C3负端和电容C4另一端连接到电阻R26的一端，电阻R26的另一端接地，芯片的第1脚接地。

图3所示为PWM供电模式下传感器电路输出信号曲线图，其中曲线1为传感器电路输出电压VOUT曲线图，曲线2为PWM曲线图。PWM由单片机的P1.0口产生，在一个周期T内产生一个高电平和一个低电平，传感器电路输出电压VOUT随着PWM高低电平动态响应。图中为两个脉冲周期的曲线图，当PWM处于高电平t1时间段时，芯片U1使能导通，输出6V电压，输出电压VOUT瞬间升高，通过惠更斯电桥平衡后再逐渐降低，如曲线1中t3段所示，然后电压稳定输出，在t4段输出气体流量对应的传感器电压。在t2时间段，PWM输出低电平，芯片U1使能截止，传感器处于休眠状态，输出电压VOUT为0。当传感器电路导通后，需要通过时间t3才能输出稳定电压，t4段的时间长度与单片机在这段时间内采集信号的数量和传感器电压信号从输出到输入单片机AD端的时间有关，通过t3和t4时间段，装置即可以完成一次流量信号的计算，根据这一特点，设置PWM的占空比和输出频率，使得在PWM高电平段，装置正好完成一次信号采集和处理，最大程度缩短供电时间，提高电能的利用率。通过PWM供电模式，可避免了持续供电导致的能源消耗，实现低功耗气体流量测量。

Claims (2)

1.一种低功耗浸入型热式气体流量装置，其特征在于：包括降压转换电路、开关稳压电路、传感器电路、信号处理电路、单片机、LCD和电池；

装置由电池提供7.2V电源，通过降压转换电路转为3V电压输出，给单片机、信号处理电路中的芯片和传感器电路中的芯片供电；通过开关稳压电路把7.2V电源转化为6V给传感器电路供电；传感器通过传感器电路把气体流量信号转化为电压信号后连接到信号处理电路，信号处理电路将处理后的电压信号连接到单片机的AD输入端，由软件分析处理后将气体流量值输出显示到LCD上；在单片机的I/O口输出一定占空比的PWM，连接到开关稳压电路、传感器电路和信号处理电路中可控芯片的使能控制引脚上；

所述传感器电路包括铂热电阻RS1，RS2，RS3，RS4，RS5，精密电阻R5，R6，PNP三极管和运算放大器，其中铂热电阻RS1，RS2，RS4，RS3顺序首尾相连构成小惠更斯电桥，精密电阻R5，R6，铂热电阻RS5，小惠更斯电桥顺序首尾相连构成大惠更斯电桥，大惠更斯电桥通过运算放大器和PNP三极管构成反馈回路；

所述信号处理电路包括电压信号的减法电路；减法电路用于对小惠更斯电桥两输出端电压做减法和大惠更斯电桥一输出端电压与6V电压做减法；

所述可控芯片为具有使能控制引脚，在PWM为高电平输入时芯片输出导通，PWM为低电平输入时芯片输出截止。

2.一种低功耗浸入型热式气体流量测量，使用权利要求1所述的装置，其特征在于：单片机产生PWM使装置间断处于工作状态和休眠状态，PWM的占空比和输出频率由传感器的动态响应时间和单片机信号采集时间决定；在PWM为高电平时测量电路导通，传感器刚好完成一次气体流量信号采集，并将该信号转化为电压信号输入到信号处理电路处理，单片机在该时间段采集一定数量的电压信号点，分析处理后输出显示气体流量值；在PWM为低电平时装置处于休眠状态，信号输出截止。