电磁流量计是基于法拉第电磁感应定律的一种测量导电性
液体体积流量的仪
表
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。其励磁方式的选择直接影响传感器内部
励磁线圈所产生的磁场情况，进一步影响传感器输出的感应电
动势信号和仪表的测量准确度。在总结现有励磁方法及前人的
工作的基础上，作者在第三届仪器科学与技术国际学术研讨会
上提出了三值梯形波励磁方式 !"#。这种励磁方式采用正$零$负
三极性规律的梯形波作为励磁电压波形。使用梯形波代替矩形
波可以减小励磁波形上升沿和下降沿造成的磁场突变，有效地
降低了对感应电动势产生的微分干扰，有利于仪表零点稳定性
和测量准确度的提高。
本文详细介绍了采用三值梯形波作为励磁方式的电磁流量
计样机的软硬件
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
。此流量计采用美国德州仪器公司（%&）的
’()*+,-"*. 单 片 机 的 与 "/ 位 0 12 转 换 芯 片
02344+" 产生三值梯形波并经功率放大后作为电磁流
量计的励磁电压，较好地消除了低频矩形波励磁所产生的
微分效应，进而提高了仪表的零点稳定性和测量准确度。
! 系统硬件结构
基于三值梯形波励磁的电磁流量计硬件系统主要由
励磁电路、信号处理电路和 3)5 三部分组成。
"6" 励磁电路
低频矩形波励磁电路一般采用分频芯片对工频电源进行降
频处理，再经过开关管进行功率放大，此种电路难以针对梯形波的
斜边进行线性放大，而且励磁频率单一，不能通过软件编程修改励
磁频率。因此，作者根据梯形波励磁方式的特点设计了如图 "所示
的功率放大电路及如图 7所示的梯形波励磁信号产生电路。
功率放大电路部分，作者采用互补对称式功率放大电路。通
过运算放大器对励磁信号电压放大，两级互补对称功率放大电
路对励磁信号电流放大，之后输入电磁流量计励磁线圈，作为励
磁电压。此电路可线性放大梯形波斜边部分，满足了梯形波励磁
方式的要求。
图 7梯形波励磁信号产生电路
梯形波励磁信号产生电路部分，作者采用 "/ 位 0 1 2 转换
芯片 02344+"通过电平转换芯片 (84*2937*:与 ’()*+,$
-"*. 单片机的 5(2;% 通信模块相连的方式产生励磁信号。
基于’()*+,单片机的电磁流量计设计
徐 辰 张宏建 周洪亮 胡赤鹰 王 俭 浙江大学控制科学与工程学系（+",,74）
"#$%&’(%
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@>A KAB@B@SK> IDQ TNG=@ TDQ>J BF ’()*+,-"*. ’356
AGC>F@Q QLBI>J @LD@ @L> A>=D@GM> >AABA TDQ>J BF @LA>>$MD=N> @ADK>R
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摘 要
提出了采用三值梯形波励磁方式的电磁流量计设计。构建了采用 ’()*+,-"*.单片机的电磁流量计样机。试验表明，
三值梯形波励磁方式在小流速阶段，相对误差在$:67/U以内，小于矩形波励磁方式的$46,/U，可以减弱微分干扰，提高测
量准确度。文中对系统的软硬件设计作了详细的介绍。
关键词：电磁流量计，三值梯形波励磁方式，’()*+,-"*.
基于 ’()*+,单片机的电磁流量计设计
图 " 功率放大电路
//
《工业控制计算机》!""#年 $%卷第 &期
’()**+$输出量程为,#-./#-，内部参考电压 $"-，01(23为
4线 156主机模式。此励磁信号产生电路，通过 7154+"单片机
的定时器进行分频，可软件编程修改励磁频率，为电磁流量计选
择不同的励磁频率提供了更大的方便。
$8! 信号处理电路
电磁流量计是法拉第电磁感应定律的具体应用。导电流体
在磁场中流动切割磁力线，产生感应电动势。此感应电动势是一
个微弱的交变信号，在实际测量中基本上可以测出 $9 : ; 流速
对应 "8$9- 感应电动势，且此信号内阻高，为兆欧级，同时噪声
信号多，尤其为 #"<= 工频干扰，幅值远远大于流量的感应电动
势信号。
根据感应电动势信号的上述特点，作者设计了如图 + 所示
的信号处理电路。两路电极信号首先经过仪用放大器 (’&!"进
行差分放大，放大倍数为 $""" 倍，差分放大后的信号经过电压
跟随器先后经过高低通滤波器后进入单片机进行 ( :’ 转换。高
低通滤波器截止频率分别为 "8!+<= 和 !+84<=。
图 + 信号处理电路
$8+ )50 部分
作者采用 7154+">$4?单片机作为电磁流量计 )50，包括
( :’ 转换模块（单片机片内自带 $! 位 ( :’ 转换器）、@)’ 显示
模块、按键模块、基础时钟模块和复位电路等。基础时钟模块选
用 %7<= 高速晶振作为系统主时钟（7)@A）和子系统时钟
（17)@A）为系统程序、定时器、156 和 @)’ 等提供时钟源。
7154+">$4? 片内 $! 位 ( :’ 转换模块，转换量程为 ".+8+-，
最大采样速率为 !""B;C;，转换模式为单通道重复转换D!E。
! 系统软件流程
系统软件由主程序、键盘菜单处理、定时器中断、梯形波励
磁信号产生、( :’ 采样、@)’ 显示等部分组成。如图 4、#、&所示
分别为系统主程序流程图，定时器 $ 中断服务程序流程图和定
时器 !中断服务程序流程图。
图 4 系统主程序流程图
" 试验结果及结论
试验所用传感器的内径为 #"99，采用
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
计量罐进行标
定。低频矩形波励磁、三值低频矩形波励磁和三值梯形波励磁方
式的励磁频率均为 &8!#<=，励磁电压为 F。
图 # 定时器 $中断服务程序
图 & 定时器 !中断服务程序
由于仪表的零点稳定性主要反应于小流速（一般在 "8!#9 :
; 以下）的测量准确度，因此作者主要集中在此流速段进行了试
验。从试验结果可以表明三值梯形波励磁方式与低频矩形波励
磁方式相比，在相同的标定流速下的相对误差更小，而且在接近
零流速的试验点（标定流速为 "8"*"%9 : ;），三值梯形波励磁方
式下的测量相对误差为,#8!&G，小于低频矩形波励磁方式下
的,*8"&G，说明了作者提出的三值梯形波励磁方式在提高零点
稳定性方面效果明显。具体试验结果请参见参考文献D$E。
本系统通过软硬件协同设计，实现了用户通过键盘设置改
变励磁频率、梯形波斜坡斜度和高低零值励磁段时间比。在流速
变化小，测量准确度要求高的情况下选用较低的励磁频率，以保
证更好的零点稳定性和测量准确度，在流速变化大，测量实时性
要求高的情况下选用较高的励磁频率，以保证电磁流量计的响
应速度。相比现有电磁流量计单一励磁频率难以满足不同测量
要求方面取得了一定的突破。
参考文献
$ HI )JKLMNJOLP WQ[9KTKY\; 3JYKK ,FOWIK -OYSO]WK ,UYK^IKLX_ 3YOCK=QS‘OW
aOFKUQY9 VbXSTSLP 7Q‘KM61613 !""4 HS\OL 5828)JSLOM+**.+4"
! 胡大可87154+" 系列超低功耗 $& 位单片机原理与应用8北京：北京
航空航天大学出版社，!""$
［收稿日期：!""48$!8+$］
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浙公网安备 33021202002483