摘要:介紹采(cǎi)用霍爾傳感(gǎn)器檢測浮子(zǐ)位移、利用低(dī)功耗單片機(jī)作爲核心處(chù)理器的 金屬(shu)管浮子流量(liang)計 ，着重介紹(shao)利用霍爾傳(chuán)感器對浮子(zi)位移進行檢(jian)測的👄基本原(yuan)理以及霍爾(ěr)傳感器輸出(chū)信号處理系(xi)統的硬件、軟(ruan)件設計，分析(xī)這種智能金(jīn)屬管轉子流(liú)量計 的主要(yào)特點。
1引言
　　在(zai)工業生産和(hé)科研測量中(zhōng)，經常遇到小(xiǎo)流量、低雷諾(nuò)數的流量測(cè)量。 浮子流量(liàng)計 由于具有(you)靈敏度高，測(cè)量範圍寬,壓(ya)力損失較小(xiǎo)且恒定，測量(liang)介質種類多(duō)，工作可靠,維(wéi)護簡便,對儀(yí)表前直管段(duàn)要求不高等(děng)優🏃🏻‍♂️點,已被廣(guǎng)泛應用。
　　浮子(zǐ)流量計的浮(fu)子位移與流(liu)量之間存在(zai)明确對應的(de)函數關系，測(cè)出浮子位移(yi)即可确定流(liú)量大小。金屬(shǔ)管浮子流量(liang)計♋(以下🔅簡稱(chēng)流量計)可以(yi)連續測量封(fēng)閉管道内🍓液(ye)體、氣體或蒸(zheng)汽的流量,既(ji)能就地指示(shì)，又能📱遠傳信(xin)号,可實現流(liu)量測量值的(de)遠距離🈲顯示(shì)、記錄、計❗.算、調(diào)節控制🌈等功(gong)能,因此廣泛(fan)應用于石油(yóu)、化工、能源、冶(yě)金、醫藥、輕工(gōng)、國防等部門(men)]的流量檢測(ce)及過程控制(zhì)♊。由于流量計(ji)的浮子位移(yi)不能直接讀(dú)出,所以将磁(cí)鋼封入浮子(zi)内，由設在轉(zhuan)換器内的磁(ci)耦合機構得(de)到浮子位移(yí)，并由位移傳(chuan)感器将🏃🏻‍♂️與流(liu)量對應的浮(fu)🈲子位移轉換(huan)成電信号，以(yi)實現遠傳輸(shū)出。目前常用(yòng)的位移傳感(gan)器有兩種:差(chà)功變壓器式(shi)傳感器和電(dian)容式角位移(yi)傳感器。但是(shì)使用這兩種(zhong)位移傳感器(qì)要獲得與流(liu)量對應的位(wèi)移信号,需要(yao)通過磁鋼耦(ǒu)合🔆以及相應(yīng)的四連杆、凸(tū)輪等👌機械機(jī)構進行非線(xian)性修正和傳(chuan)動來實現，這(zhe)就會造成轉(zhuǎn)換器傳🎯動環(huan)節多、結🐕構複(fu)雜、存在摩擦(ca)力、回差增大(dà),從而降低流(liú)量計的測量(liàng)🙇‍♀️精度。因此無(wu)法實現流量(liàng)計的轉換器(qi)全電子化、小(xiǎo)塑化以及在(zài)此基礎上的(de)智能化。爲此(cǐ)，推出采用🛀霍(huò)爾傳感器☁️檢(jian)測浮子☎️位移(yí)、利用16位低功(gong)耗單片機作(zuo)爲核心處理(li)器💋的智❤️能流(liu)量計。
2系統構(gòu)成原理
　　該流(liu)量計采用線(xiàn)性霍爾傳感(gan)器檢測浮子(zi)位移,配合單(dan)片機應用系(xì)統，完全去掉(diào)了磁鋼耦合(he)、非線性修正(zheng)及傳動等機(ji)械機構。其工(gōng)作原理如圖(tú)1所示。
 
　　當被測(cè)流體自下而(er)上流過錐管(guǎn)時，浮子産生(shēng)位移，通過線(xiàn)性霍爾傳感(gǎn)器的磁力線(xian)角度就會發(fā)生變化，從而(er)使霍爾傳感(gan)器輸出相應(yīng)電壓。該輸出(chu)電壓輸入到(dào)單片機應用(yong)系統進行處(chu)理後，可輸出(chū)與流🌈量對應(ying)的标準電流(liu)信号,也可通(tong)過标準通信(xìn)接口進行數(shù)據遠程交換(huan)。
　　在流量計的(de)轉換器中對(dui)應浮子位移(yí)範圍中間位(wei)置處放置兩(liǎng)個特性一緻(zhi)的霍爾傳感(gan)器,兩個霍爾(er)傳感器的磁(ci)敏感面互成(chéng)90*。霍爾傳感器(qi)的輸出電壓(yā)爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2爲霍(huo)爾靈敏度系(xì)數;
I1、I2爲霍爾元(yuán)件的激勵電(dian)流;
B1、B2爲霍爾傳(chuán)感器所處位(wei)置的磁感應(yīng)強度;
θ爲磁力(lì)線相對于霍(huò)爾傳感器的(de)磁敏感面的(de)傾斜角。
　　因爲(wèi)兩個霍爾傳(chuán)感器選用特(te)性一緻的同(tong)--型号霍 爾傳(chuán)感🔴器,采用同(tong)一激勵電流(liú),處于同一-高(gao)度位置,所以(yǐ)K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可(ke)見，由E1、E2可求出(chū)磁力線的傾(qing)斜角。
　　由圖1可(ke)見，随着浮子(zǐ)上升,通過霍(huo)爾傳感器的(de)磁力線的角(jiǎo)度順時針變(biàn)化，因此求出(chū)傾斜角0就可(kě)以得出浮子(zi)的位移🛀🏻。
3單片(pian)機應用系統(tǒng)硬件設計
 
　　單(dān)片機應用系(xì)統的原理框(kuang)圖如圖2所示(shì)。系統控制器(qì)💚爲一片MSP430F149單片(piàn)機。MSP430F149的主要特(tè)性與功能如(rú)下:
(1)超低電流(liu)消耗:具有CPUOFF和(he)OSCOFF模式，可在電(dian)壓降至1.8V情況(kuang)下㊙️工作。
(2)基礎(chu)時鍾模塊:包(bāo)括1個數控振(zhen)蕩器(DCO)和2個晶(jīng)體振蕩器。
(3)系(xì)統内置模塊(kuai):LCD驅動器、A/D轉換(huàn)器、I/O口、USART串口、看(kan)門狗、定時器(qì)、硬件乘法器(qì)、模拟比較器(qi)、EPROM等。
(4)16位RISC結構，125as指(zhi)令周期，等待(dai)方式進行喚(huàn)醒的時間爲(wei)6Ixs.
(5)軟件可在RAM中(zhong)運行。程序可(ke)通過UART或測試(shì)引腳裝入RAM，并(bing)能在實時🌂條(tiáo)件下運行。可(kě)降低試驗和(hé)調試的開銷(xiao)。
(6)儀3種指令格(ge)式，全部爲正(zheng)交結構，簡化(huà)了程序的開(kāi)發。ROM讀取♈、RAM存取(qu)、數據處理、1/O及(jí)其他外圍操(cao)作都使用公(gōng)共指💛令，無特(tè)殊指令。
(7)系統(tǒng)工作穩定。上(shang)電複位後，首(shǒu)先由DCOCLK啓動CPU,以(yǐ)保證程序從(cóng)正🐉确的位置(zhi)開始執行，保(bao)證晶體振蕩(dàng)器有足夠的(de)起振及穩定(ding)時間。如果晶(jīng)體振蕩器在(zài)用作CPU時鍾MCLK時(shí)發生故障,DCO會(huì)自動啓動，以(yi)保證系統正(zhèng)常工作;如果(guǒ)程序🌐跑飛，看(kàn)門狗可将其(qi)複位。
(8)具有高(gao)級語言編程(cheng)能力,已開發(fā)了C-編譯器，支(zhī)持JTAG仿真。
　　線性(xìng)霍爾傳感器(qi)将浮子位移(yi)轉換成電壓(ya)信号,經🈚放大(dà)器放大後，由(you)16位MCU進行運算(suàn)處理和非線(xiàn)性修正後求(qiú)☀️得流量值，一(yī)方面送LCD顯示(shi)器顯示，另一(yi)方面送入DAC轉(zhuǎn)換成模拟量(liang)，再經輸出轉(zhuǎn)換電路轉換(huan)成标準電流(liu)信号輸出。另(ling)外，還可通過(guo)串行通信接(jie)口RS485與上:位機(jī)進行數據交(jiāo)換。
4軟件設計(jì)
　　軟件的主流(liú)程圖如圖3所(suo)示。單片機在(zài)上電和複位(wèi)的時⛹🏻‍♀️候☁️，先要(yào)執行初始化(huà)程序。然後，依(yi)次判斷功能(néng)模塊的标志(zhi)位，當标志位(wei)有效時，執行(háng)該功能模塊(kuài)🧡的程序，如标(biāo)志位無效，則(zé)跳過向下執(zhí)行。當程序執(zhi)行到最後，再(zài)循環返回到(dao)初始化之後(hòu)。
 
　　标準電流輸(shū)出模塊和RS485串(chuàn)行通信模塊(kuai)标志位是由(you)掃描撥碼開(kāi)關部分所決(jue)定的;數據存(cún)儲部分通過(guò)不斷地讀取(qu)時鍾芯片DS1307來(lái)判斷是否到(dao)了預先設定(dìng)的存儲時間(jiān)，到存儲時間(jiān)後進入數據(jù)存儲子程序(xu)。RS485通信實現🌈了(le)數據的遠程(cheng)傳輸，人們不(bú)必直接到現(xiàn)場去查看各(ge)種儀表的參(cān)數值,通過觀(guān)🐉看通訊界面(mian)即可獲得當(dang)🔴前和曆史數(shu)據。
5結束語.
　　由(yóu)于采用霍爾(er)傳感器進行(háng)位移檢測，使(shǐ)流量計的轉(zhuǎn)換器🌍不❗需🌈要(yao)任何可動的(de)機械零件,實(shi)現了全電子(zǐ)化和小型化(hua)，大大降低💛了(le)回差;采用16位(wei)單片機進行(háng)線性修正和(hé)運算,可使流(liu)量🐕計的流量(liang)指示精度由(you)2.0級提高到1.0級(jí)。
由以上分析(xi)可見，由于采(cǎi)用霍爾傳感(gan)器和16位單片(piàn)機，使流量🔴計(jì)💰實現了小型(xíng)化、數字化和(he)智能化,提高(gāo)了流量計的(de)精♻️度,增🌈加了(le)流量計的功(gōng)能，并使得開(kai)發現場總線(xiàn)型的流量計(jì)成爲可能。

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