摘要:介(jie)紹采用(yong)霍爾傳(chuan)感器檢(jian)測浮子(zi)位移、利(li)用低㊙️功(gong)😍耗單📧片(pian)機作爲(wei)核心處(chu)理器的(de) 金屬管(guan)浮子流(liu)量計 ，着(zhe)重介紹(shao)利用霍(huo)爾傳感(gan)器對浮(fu)子位移(yi)進行檢(jian)測的基(ji)🔆本📐原理(li)以及霍(huo)爾傳感(gan)器輸出(chu)信号處(chu)理系統(tong)的硬🏃件(jian)、軟件設(she)計，分析(xi)這種智(zhi)能金屬(shu)管轉子(zi)流量計(ji) 的主要(yao)特點。
1引(yin)言
　　在工(gong)業生産(chan)和科研(yan)測量中(zhong)，經常遇(yu)到小流(liu)量、低雷(lei)諾數的(de)流量♋測(ce)量。 浮子(zi)流量計(ji) 由于具(ju)有靈敏(min)度高，測(ce)量範圍(wei)寬,壓力(li)損失較(jiao)小且恒(heng)⛱️定🈲，測㊙️量(liang)介🏃🏻‍♂️質種(zhong)類多，工(gong)作可靠(kao),維護簡(jian)便,對儀(yi)表前直(zhi)管段要(yao)求不高(gao)等優點(dian),已被廣(guang)泛應用(yong)。
　　浮子流(liu)量計的(de)浮子位(wei)移與流(liu)量之間(jian)存在明(ming)确對應(ying)🔞的函數(shu)關系，測(ce)出浮子(zi)位移即(ji)可确定(ding)流量大(da)小。金屬(shu)管浮📐子(zi)流量計(ji)(以下簡(jian)稱流量(liang)計)可以(yi)連續測(ce)量封閉(bi)管道内(nei)液體、氣(qi)🌈體或蒸(zheng)汽的流(liu)量,既能(neng)就地指(zhi)示，又能(neng)遠傳信(xin)号👌,可實(shi)現流量(liang)測量值(zhi)的遠距(ju)離🌈顯示(shi)、記錄、計(ji)🔅.算、調節(jie)控制等(deng)功能,因(yin)此廣泛(fan)應用于(yu)石油、化(hua)工、能🌈源(yuan)、冶金、醫(yi)藥、輕工(gong)、國防等(deng)部門]的(de)流量檢(jian)測及過(guo)程控制(zhi)。由于流(liu)量計的(de)浮子位(wei)移不能(neng)直接讀(du)出,所以(yi)将磁鋼(gang)封入浮(fu)子内，由(you)設⚽在轉(zhuan)換器内(nei)的磁耦(ou)合機構(gou)得到浮(fu)子位移(yi)，并由位(wei)移傳感(gan)器将與(yu)流量對(dui)應的浮(fu)🌏子位移(yi)轉換成(cheng)電信号(hao)🔴，以實現(xian)遠🤩傳輸(shu)出。目前(qian)⭕常用的(de)位移傳(chuan)👌感器有(you)兩種:差(cha)功變壓(ya)❗器式傳(chuan)感器和(he)電容式(shi)角位移(yi)✌️傳感器(qi)。但是使(shi)用這兩(liang)種位移(yi)傳感器(qi)要獲得(de)與流量(liang)對應的(de)♉位移信(xin)号,需要(yao)通過磁(ci)鋼🈲耦合(he)以及相(xiang)應的四(si)連杆、凸(tu)輪等機(ji)械機構(gou)進行非(fei)線性修(xiu)正和傳(chuan)動來實(shi)現，這就(jiu)會造成(cheng)轉☁️換器(qi)傳動環(huan)節多、結(jie)✨構複雜(za)、存在摩(mo)擦力、回(hui)差增大(da),從而降(jiang)低流量(liang)計的測(ce)量精度(du)。因此無(wu)法實現(xian)流量計(ji)的轉換(huan)器全🧑🏾‍🤝‍🧑🏼電(dian)子化、小(xiao)塑化以(yi)💰及在此(ci)基礎上(shang)的智能(neng)化。爲此(ci)，推出采(cai)用🌍霍爾(er)傳感器(qi)檢測浮(fu)❄️子位移(yi)、利用16位(wei)低功耗(hao)單片機(ji)作爲核(he)💋心處理(li)器的智(zhi)🌂能流量(liang)計。
2系統(tong)構成原(yuan)理
　　該流(liu)量計采(cai)用線性(xing)霍爾傳(chuan)感器檢(jian)測浮子(zi)位移,配(pei)合單片(pian)機應用(yong)系統，完(wan)全去掉(diao)了磁鋼(gang)耦合、非(fei)線性修(xiu)正及傳(chuan)動等機(ji)械機構(gou)🌈。其工作(zuo)原理如(ru)圖1所示(shi)。
 
　　當被測(ce)流體自(zi)下而上(shang)流過錐(zhui)管時，浮(fu)子産生(sheng)位移，通(tong)過💁線性(xing)♉霍爾傳(chuan)感器的(de)磁力線(xian)角度就(jiu)會發生(sheng)變化，從(cong)而使🐪霍(huo)爾傳感(gan)器輸出(chu)相應電(dian)壓。該輸(shu)出電壓(ya)輸入到(dao)單片機(ji)應用系(xi)統進行(hang)處理後(hou)，可輸出(chu)與流量(liang)對應的(de)标準電(dian)流信号(hao),也可通(tong)過标準(zhun)👈通信接(jie)口🏒進行(hang)數據遠(yuan)💁程交換(huan)。
　　在流量(liang)計的轉(zhuan)換器中(zhong)對應浮(fu)子位移(yi)範圍中(zhong)間位置(zhi)🌈處放置(zhi)兩個特(te)性一緻(zhi)的霍爾(er)傳感器(qi),兩個霍(huo)爾傳感(gan)器的☂️磁(ci)敏感面(mian)⭕互成90*。霍(huo)爾傳感(gan)器的輸(shu)出電壓(ya)爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中(zhong):
K1、K2爲霍爾(er)靈敏度(du)系數;
I1、I2爲(wei)霍爾元(yuan)件的激(ji)勵電流(liu);
B1、B2爲霍爾(er)傳感器(qi)所處位(wei)置的磁(ci)感應強(qiang)度;
θ爲磁(ci)力線相(xiang)對于霍(huo)爾傳感(gan)器的磁(ci)敏感面(mian)的傾斜(xie)🈲角。
　　因爲(wei)兩個霍(huo)爾傳感(gan)器選用(yong)特性一(yi)緻的同(tong)--型号霍(huo) 爾傳感(gan)器,采用(yong)同一激(ji)勵電流(liu),處于同(tong)一-高度(du)位置,所(suo)以K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此(ci)可得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可(ke)見，由E1、E2可(ke)求出磁(ci)力線的(de)傾斜角(jiao)。
　　由圖1可(ke)見，随着(zhe)浮子上(shang)升,通過(guo)霍爾傳(chuan)感器的(de)磁力💃🏻線(xian)的角💜度(du)順時針(zhen)變化，因(yin)此求出(chu)傾斜角(jiao)0就可以(yi)得出浮(fu)子的位(wei)移。
3單片(pian)機應用(yong)系統硬(ying)件設計(ji)
 
　　單片機(ji)應用系(xi)統的原(yuan)理框圖(tu)如圖2所(suo)示。系統(tong)控制器(qi)爲一片(pian)MSP430F149單片機(ji)。MSP430F149的主要(yao)特性與(yu)功能如(ru)下:
(1)超低(di)電流消(xiao)耗:具有(you)CPUOFF和OSCOFF模式(shi)，可在電(dian)壓降至(zhi)1.8V情況下(xia)工作。
(2)基(ji)礎時鍾(zhong)模塊:包(bao)括1個數(shu)控振蕩(dang)器(DCO)和2個(ge)晶體振(zhen)蕩器。
(3)系(xi)統内置(zhi)模塊:LCD驅(qu)動器、A/D轉(zhuan)換器、I/O口(kou)、USART串口、看(kan)門狗、定(ding)時💃🏻器、硬(ying)件乘法(fa)💞器、模拟(ni)比較器(qi)、EPROM等。
(4)16位RISC結(jie)構，125as指令(ling)周期，等(deng)待方式(shi)進行喚(huan)醒的時(shi)間爲6Ixs.
(5)軟(ruan)件可在(zai)RAM中運行(hang)。程序可(ke)通過UART或(huo)測試引(yin)腳裝入(ru)RAM，并能在(zai)實🌐時🈲條(tiao)件下運(yun)行。可降(jiang)低試驗(yan)和調試(shi)的開銷(xiao)。
(6)儀3種指(zhi)令格式(shi)，全部爲(wei)正交結(jie)構，簡化(hua)了程序(xu)的開發(fa)。ROM讀取、RAM存(cun)取、數據(ju)處理、1/O及(ji)其他外(wai)圍操作(zuo)都使用(yong)公共指(zhi)令，無特(te)殊指令(ling)。
(7)系統工(gong)作穩定(ding)。上電複(fu)位後，首(shou)先由DCOCLK啓(qi)動CPU,以保(bao)證程序(xu)從正确(que)的位置(zhi)開始執(zhi)行，保證(zheng)晶體振(zhen)蕩器有(you)足夠的(de)起振及(ji)穩定時(shi)間。如果(guo)晶體振(zhen)蕩器在(zai)用作CPU時(shi)鍾MCLK時發(fa)生故障(zhang),DCO會自動(dong)啓動，以(yi)保證系(xi)統正常(chang)工作;如(ru)果程序(xu)跑飛，看(kan)門🧡狗可(ke)将其🌈複(fu)位。
(8)具有(you)高級語(yu)言編程(cheng)能力,已(yi)開發了(le)C-編譯器(qi)，支持JTAG仿(pang)♍真。
　　線性(xing)霍爾傳(chuan)感器将(jiang)浮子位(wei)移轉換(huan)成電壓(ya)信号,經(jing)放大器(qi)☂️放大後(hou)，由16位MCU進(jin)行運算(suan)處理和(he)非線性(xing)修正後(hou)求得流(liu)量值，一(yi)方面送(song)LCD顯示器(qi)顯示，另(ling)一方面(mian)送入DAC轉(zhuan)換成模(mo)拟量，再(zai)經輸出(chu)轉換電(dian)路轉換(huan)成标準(zhun)電流信(xin)号👈輸出(chu)。另外，還(hai)可通過(guo)串行通(tong)信接口(kou)RS485與上🔞:位(wei)機進行(hang)數據交(jiao)換。
4軟件(jian)設計
　　軟(ruan)件的主(zhu)流程圖(tu)如圖3所(suo)示。單片(pian)機在上(shang)電和複(fu)位的時(shi)候，先要(yao)執行初(chu)始化程(cheng)序。然後(hou)，依次判(pan)斷功能(neng)模塊🍓的(de)标志位(wei)，當标志(zhi)位有效(xiao)時，執行(hang)該功能(neng)模塊的(de)程序✔️，如(ru)标志位(wei)無效，則(ze)跳過向(xiang)下執行(hang)。當程序(xu)執行到(dao)最後，再(zai)循環返(fan)回到初(chu)始化之(zhi)後。
 
　　标準(zhun)電流輸(shu)出模塊(kuai)和RS485串行(hang)通信模(mo)塊标志(zhi)位是由(you)掃👣描撥(bo)🈲碼開關(guan)部分所(suo)決定的(de);數據存(cun)儲部分(fen)通過不(bu)斷地讀(du)取時鍾(zhong)芯片DS1307來(lai)判斷是(shi)否到了(le)預先設(she)定的存(cun)儲🎯時間(jian)，到存儲(chu)時間後(hou)進入數(shu)據存儲(chu)子程序(xu)。RS485通信實(shi)現⛱️了數(shu)據的遠(yuan)程傳輸(shu)，人們不(bu)必直接(jie)到現🐪場(chang)去查看(kan)各種儀(yi)表的參(can)數值,通(tong)過觀看(kan)通訊界(jie)面即可(ke)獲得當(dang)前和曆(li)史數據(ju)。
5結束語(yu).
　　由于采(cai)用霍爾(er)傳感器(qi)進行位(wei)移檢測(ce)，使流量(liang)計的轉(zhuan)換☎️器不(bu)需要任(ren)何可動(dong)的機械(xie)零件,實(shi)現了全(quan)電子化(hua)和小型(xing)化，大大(da)降低了(le)回差;采(cai)用16位單(dan)片機進(jin)行線性(xing)修正和(he)🌈運算,可(ke)🛀使流量(liang)計的流(liu)量指示(shi)精度由(you)2.0級提高(gao)到1.0級。
由(you)以上分(fen)析可見(jian)，由于采(cai)用霍爾(er)傳感器(qi)和16位單(dan)片☀️機🔴，使(shi)流量計(ji)⭐實現了(le)小型化(hua)、數字化(hua)和智能(neng)化,提高(gao)了流量(liang)計的精(jing)度,增㊙️加(jia)了🌈流量(liang)計的功(gong)能，并使(shi)得開發(fa)現場♉總(zong)線型的(de)流量計(ji)成爲可(ke)能。

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