摘(zhai)要:介紹(shao)采用霍(huò)爾傳感(gǎn)器檢測(ce)浮子位(wei)移、利用(yong)低功耗(hao)單片機(jī)作爲核(hé)心處理(li)器的 金(jin)屬管浮(fu)子流量(liang)計 ，着重(zhong)介紹利(lì)用霍爾(er)傳感器(qì)對浮子(zi)位移進(jin)行檢測(ce)❌的基本(běn)原理以(yi)及霍爾(er)傳感器(qi)輸出信(xìn)号處理(li)系統🔱的(de)硬件、軟(ruan)件設㊙️計(ji)，分析這(zhe)種智能(néng)金屬管(guǎn)轉子流(liú)量計 的(de)主要特(te)點。
1引言(yan)
　　在工業(ye)生産和(he)科研測(cè)量中，經(jīng)常遇到(dào)小流量(liang)、低雷諾(nuò)數的流(liú)量測量(liang)。 浮子流(liú)量計 由(you)于具有(yǒu)靈敏度(du)高，測量(liàng)範圍寬(kuan),壓力損(sun)失較小(xiao)且恒定(ding)🌈，測👈量介(jie)質種類(lèi)多，工作(zuò)可靠,維(wei)護簡便(biàn),對儀表(biǎo)前直管(guǎn)段要求(qiú)不高等(děng)優點,已(yi)被廣泛(fàn)應用。
　　浮(fú)子流量(liang)計的浮(fú)子位移(yí)與流量(liang)之間存(cún)在明确(què)對💛應的(de)函數關(guān)系，測出(chū)浮子位(wèi)移即可(ke)确定流(liu)量大小(xiao)。金屬管(guǎn)浮子流(liu)🥵量計(以(yi)下簡稱(cheng)流量計(jì))可以連(lian)續測量(liang)封閉管(guan)道内液(ye)體、氣體(ti)或蒸汽(qi)的流量(liang),既能就(jiù)地指示(shi)，又能遠(yuǎn)傳信号(hào),可實現(xian)流量測(cè)量值的(de)遠距離(lí)顯示、記(ji)錄、計🏃🏻.算(suàn)、調節控(kong)制等功(gōng)能,因此(ci)廣泛應(ying)用于石(shi)油、化工(gong)、能源☀️、冶(yě)金、醫藥(yào)、輕工🌏、國(guó)防等部(bu)門]的流(liú)量檢測(ce)及過程(cheng)控制♻️。由(you)于流🏃‍♂️量(liang)計的浮(fú)子位移(yí)不能直(zhí)接讀出(chu),所以将(jiang)磁鋼封(fēng)入浮子(zǐ)内，由設(shè)在📱轉換(huan)器内的(de)磁耦合(hé)機構得(dé)到浮子(zi)位移，并(bing)由位移(yi)傳感器(qi)将與流(liú)量對應(yīng)的浮子(zǐ)位移轉(zhuan)換成電(diàn)信号，以(yi)實現遠(yuǎn)傳輸出(chu)。目前常(cháng)用的位(wèi)移傳感(gǎn)器有兩(liǎng)種:差功(gong)變壓器(qì)式傳感(gan)器和電(diàn)容式角(jiao)位移傳(chuan)☎️感器。但(dan)是使用(yòng)這兩種(zhong)位移傳(chuan)感器要(yào)獲得與(yu)流量對(duì)應🍉的位(wei)移信号(hao),需要通(tong)過磁鋼(gāng)耦合以(yi)及相應(yīng)的四連(lián)杆、凸輪(lun)等機械(xiè)機構進(jin)行非線(xiàn)性修正(zhèng)和傳動(dong)來實現(xiàn)，這就會(huì)造成轉(zhuǎn)換器傳(chuán)動環節(jie)多、結構(gou)複雜、存(cun)在摩擦(cā)力、回差(cha)增大,從(cóng)而降低(dī)流量計(ji)的測量(liang)精度。因(yin)此無🔅法(fa)實現🤩流(liú)量計的(de)轉換器(qi)全電子(zi)化、小塑(su)化以及(jí)在此❓基(jī)礎上的(de)智能化(hua)。爲此，推(tui)出采用(yòng)霍爾傳(chuan)感器檢(jiǎn)測浮子(zǐ)位移、利(lì)用16位低(di)功耗單(dan)片機作(zuò)爲核心(xīn)處理器(qì)的智能(néng)流量計(jì)。
2系統構(gou)成原理(lǐ)
　　該流量(liàng)計采用(yong)線性霍(huo)爾傳感(gǎn)器檢測(ce)浮子位(wei)移,配合(hé)單片✍️機(jī)應💰用系(xi)統，完全(quán)去掉了(le)磁鋼耦(ǒu)合、非線(xiàn)性修正(zheng)及傳動(dong)等機械(xie)機構💚。其(qí)工作原(yuán)理如圖(tu)1所示。
 
　　當(dang)被測流(liu)體自下(xia)而上流(liu)過錐管(guan)時，浮子(zǐ)産生位(wèi)移，通🛀過(guò)線性霍(huo)爾傳感(gǎn)器的磁(ci)力線角(jiǎo)度就會(hui)發生變(biàn)化，從而(ér)使霍爾(er)傳感器(qi)輸出相(xiàng)應電壓(ya)。該輸出(chu)電壓輸(shu)入到💯單(dan)片機應(yīng)用系🔞統(tong)進行處(chù)理後，可(kě)輸出與(yǔ)流量對(dui)應的标(biao)準電流(liú)信号,也(ye)可💛通過(guò)标準通(tong)信接口(kǒu)進行數(shù)據遠程(cheng)交換。
　　在(zài)流量計(jì)的轉換(huan)器中對(duì)應浮子(zi)位移範(fàn)圍中間(jiān)位置🔆處(chù)放☁️置兩(liang)🚶‍♀️個特性(xìng)一緻的(de)霍爾傳(chuan)感器,兩(liang)個霍爾(er)傳感器(qì)的磁敏(min)感面互(hù)成90*。霍爾(er)傳感器(qi)的輸出(chū)電壓爲(wèi):
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2爲(wèi)霍爾靈(ling)敏度系(xì)數;
I1、I2爲霍(huò)爾元件(jiàn)的激勵(lì)電流;
B1、B2爲(wèi)霍爾傳(chuan)感器所(suo)處位置(zhì)的磁感(gǎn)應強度(du);
θ爲磁力(li)線相對(duì)于霍爾(er)傳感器(qi)的磁敏(mǐn)感面的(de)傾斜角(jiǎo)。
　　因爲兩(liǎng)個霍爾(er)傳感器(qì)選用特(te)性一緻(zhì)的同--型(xíng)号霍 爾(er)傳感器(qì),采用同(tong)一激勵(lì)電流,處(chu)于同一(yī)-高度位(wèi)置,所以(yi)🔴K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此🏃‍♀️可(ke)得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見(jiàn)，由E1、E2可求(qiú)出磁力(li)線的傾(qing)斜角。
　　由(yóu)圖1可見(jian)，随着浮(fu)子上升(sheng),通過霍(huò)爾傳感(gan)器的磁(ci)力線的(de)角度順(shun)時針變(biàn)化，因此(cǐ)求出傾(qīng)斜角0就(jiu)可以得(de)出浮子(zǐ)的位移(yí)。
3單片機(jī)應用系(xì)統硬件(jian)設計
 
　　單(dan)片機應(ying)用系統(tong)的原理(li)框圖如(ru)圖2所示(shi)。系統控(kòng)制器爲(wei)㊙️一片MSP430F149單(dan)片機。MSP430F149的(de)主要特(tè)性與功(gōng)能如下(xià):
(1)超低電(diàn)流消耗(hao):具有CPUOFF和(hé)OSCOFF模式，可(kě)在電壓(yā)降至1.8V情(qing)況下工(gong)作。
(2)基礎(chu)時鍾模(mo)塊:包括(kuò)1個數控(kong)振蕩器(qi)(DCO)和2個晶(jīng)體振蕩(dang)器。
(3)系統(tong)内置模(mó)塊:LCD驅動(dong)器、A/D轉換(huàn)器、I/O口、USART串(chuàn)口、看門(mén)狗、定時(shi)器、硬件(jian)乘法器(qi)、模拟比(bǐ)較器、EPROM等(děng)。
(4)16位RISC結構(gòu)，125as指令周(zhou)期，等待(dai)方式進(jìn)行喚醒(xǐng)的時間(jian)爲6Ixs.
(5)軟件(jian)可在RAM中(zhong)運行。程(chéng)序可通(tong)過UART或測(ce)試引腳(jiǎo)裝入RAM，并(bìng)👌能在實(shi)時條件(jiàn)下運行(háng)。可降低(dī)試驗和(hé)調試的(de)開銷。
(6)儀(yí)3種指令(ling)格式，全(quán)部爲正(zheng)交結構(gòu)，簡化了(le)程序的(de)開發。ROM讀(dú)取、RAM存🧑🏽‍🤝‍🧑🏻取(qu)、數據處(chù)理、1/O及其(qi)他外圍(wéi)操作都(dou)使用公(gong)共指令(ling)，無💘特殊(shu)指令。
(7)系(xì)統工作(zuo)穩定。上(shàng)電複位(wèi)後，首先(xian)由DCOCLK啓動(dòng)CPU,以保證(zheng)程序從(cóng)✔️正确的(de)位置開(kai)始執行(hang)，保證晶(jing)體振蕩(dang)器有足(zú)夠的👣起(qi)振及穩(wen)定時間(jiān)。如果晶(jing)體振蕩(dàng)器在用(yong)作CPU時鍾(zhōng)MCLK時發生(sheng)故障,DCO會(huì)自動啓(qi)動，以👄保(bao)證系統(tong)正常工(gong)作;如果(guǒ)程序跑(pao)飛，看門(mén)狗可将(jiāng)其複位(wei)。
(8)具有高(gao)級語言(yán)編程能(néng)力,已開(kāi)發了C-編(bian)譯器，支(zhi)持JTAG仿🔆真(zhen)🔴。
　　線性霍(huò)爾傳感(gǎn)器将浮(fu)子位移(yi)轉換成(chéng)電壓信(xin)号,經放(fang)大🍉器💜放(fàng)大後，由(you)16位MCU進行(háng)運算處(chu)理和非(fēi)線性修(xiū)正後求(qiú)得流量(liàng)值，一方(fāng)面送LCD顯(xian)示器顯(xiǎn)示，另一(yī)方面送(song)入DAC轉換(huan)成模拟(nǐ)量，再經(jing)輸出轉(zhuan)換電路(lù)💃🏻轉換成(cheng)标準電(dian)流信号(hao)輸出。另(ling)外，還可(kě)通過串(chuan)行通信(xin)接口RS485與(yu)上:位機(ji)進行數(shu)據交換(huàn)。
4軟件設(she)計
　　軟件(jian)的主流(liú)程圖如(ru)圖3所示(shi)。單片機(ji)在上電(diàn)和複位(wèi)的時候(hòu)，先要🏃‍♂️執(zhí)行初始(shǐ)化程序(xu)。然後，依(yi)次判斷(duan)功能⛷️模(mó)塊的标(biao)志位，當(dang)标志位(wèi)有效時(shí)，執行該(gai)功能模(mo)塊的程(chéng)序♊，如标(biāo)志位無(wú)效，則跳(tiao)過向下(xià)執行。當(dang)程序執(zhi)行到最(zuì)後，再循(xún)環返回(hui)到初始(shǐ)✂️化之後(hou)。
 
　　标準電(diàn)流輸出(chū)模塊和(he)RS485串行通(tōng)信模塊(kuai)标志位(wei)是由💜掃(sao)描撥碼(mǎ)開關部(bù)分所決(jué)定的;數(shu)據存儲(chǔ)部分通(tōng)過不斷(duàn)地讀取(qu)時鍾芯(xin)片DS1307來判(pàn)斷是否(fǒu)到了預(yù)先設定(dìng)的存儲(chu)時間，到(dào)存儲時(shí)間後進(jìn)入數據(jù)⭐存儲子(zi)程序。RS485通(tōng)信實現(xiàn)了數據(ju)的🚩遠程(chéng)傳輸，人(ren)們不必(bi)直接到(dào)現場去(qu)查看各(ge)種儀表(biao)的參數(shù)值,通過(guo)觀看通(tong)訊界面(mian)即可獲(huò)得當前(qian)和曆史(shi)數據。
5結(jie)束語.
　　由(yóu)于采用(yòng)霍爾傳(chuán)感器進(jin)行位移(yí)檢測，使(shi)流量計(jì)的轉換(huàn)器🌈不需(xū)要任何(hé)可動的(de)機械零(líng)件,實現(xiàn)了全電(diàn)子化🚶和(hé)小型化(huà)🐪，大大降(jiang)低了回(hui)差;采用(yòng)16位單片(piàn)機進行(háng)線性修(xiū)正和運(yùn)算,可使(shi)流量計(jì)的流量(liang)指示精(jing)度由2.0級(jí)提高到(dao)1.0級。
由以(yi)上分析(xi)可見，由(yóu)于采用(yòng)霍爾傳(chuan)感器和(he)16位單片(pian)機，使流(liú)💃🏻量計實(shí)現了小(xiǎo)型化、數(shu)字化和(hé)智能化(huà),提高了(le)流量計(ji)的精度(du),增加了(le)流量計(ji)的功能(néng)，并使得(de)開發現(xian)場總線(xiàn)型的流(liu)量計成(chéng)爲可能(néng)。

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