引言(yan)
在工業(yè)生産和(hé)科研測(cè)量中，經(jīng)常遇到(dào)小流量(liàng)、低雷諾(nuo)🏃🏻數🏃🏻的流(liu)💋量測量(liang)。浮子流(liu)量計由(yóu)于具有(yǒu)靈敏度(dù)高，測量(liang)範圍寬(kuān)，壓力損(sǔn)失較小(xiao)且恒定(ding)，測量介(jie)質種類(lèi)多，工作(zuò)可靠，維(wéi)護簡便(biàn)，對儀表(biao)前直管(guan)段要求(qiú)❗不高等(deng)優點，已(yǐ)被廣泛(fan)應用。
浮(fú)子流量(liang)計的浮(fu)子位移(yi)與流量(liang)之間存(cún)在明确(què)對🌈應的(de)函數關(guān)系，測出(chu)浮子位(wei)移即可(kě)确定流(liu)量大小(xiao)。金屬管(guǎn)浮子流(liú)量計(以(yǐ)下簡稱(cheng)流量計(ji))可以連(lián)續測量(liang)封閉管(guan)道内液(ye)體、氣體(tǐ)⭐或蒸汽(qì)的流量(liàng)，既能就(jiu)地指示(shi)，又能遠(yuan)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(gong)能，因此(ci)廣泛🔴應(yīng)用于石(shi)油、化工(gong)、能源、冶(ye)金🔅、醫藥(yào)、輕工、國(guó)防等部(bu)門的流(liú)量檢測(ce)及過程(chéng)控制。由(yóu)于流量(liàng)計的浮(fu)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(she)在轉換(huan)器内的(de)磁藕合(he)機構得(de)到浮子(zǐ)位移，并(bìng)由位移(yí)傳感器(qì)将與流(liu)量對應(ying)的浮子(zǐ)位移轉(zhuǎn)換成電(dian)信号，以(yi)實現遠(yuǎn)傳輸出(chū)。目🈲前常(chang)用的位(wèi)移傳感(gan)器有兩(liang)種:差動(dòng)變壓器(qi)式傳感(gǎn)器和🔴電(diàn)容🐆式角(jiao)位移傳(chuan)感器🤞。但(dàn)是使用(yòng)這兩種(zhǒng)位移傳(chuan)感器要(yào)獲得與(yǔ)流量對(dui)應的位(wei)移信号(hào)，需要通(tong)過磁鋼(gāng)藕合以(yi)及相應(ying)的四連(lian)杆、凸輪(lún)等機🈚械(xiè)機構進(jin)行非線(xiàn)性修正(zhèng)和傳動(dong)來實現(xian)，這就會(hui)造成轉(zhuan)換器🈲傳(chuán)動環節(jiē)多、結構(gou)複雜、存(cún)在摩🈚擦(ca)力、回差(cha)增大，從(cóng)而降低(dī)流😘量計(ji)的測量(liàng)精度。因(yin)此👅無法(fa)實現流(liú)量計的(de)轉換器(qi)全電子(zǐ)化、小型(xíng)化以及(ji)在此🈚基(jī)礎上的(de)智能化(huà)。爲此，推(tuī)出采用(yong)霍爾傳(chuán)感器檢(jian)測👌浮子(zǐ)位移、利(lì)用16位低(di)功耗單(dān)片機作(zuo)爲核心(xīn)處理器(qi)的智能(néng)流量🈲計(jì)。
2系統構(gou)成原理(li)
該流量(liang)計采用(yong)線性霍(huo)爾傳感(gan)器檢測(ce)浮子位(wei)移，配合(hé)單片機(ji)應用系(xì)統，完全(quan)去掉了(le)磁鋼禍(huo)合、非線(xiàn)性修正(zhèng)😄及傳動(dong)等❤️機械(xiè)機構。其(qí)工作原(yuan)理如圖(tú)1所示。
當(dāng)被測流(liú)體自下(xià)而上流(liú)過錐管(guan)時，浮子(zi)産生位(wei)移，通過(guò)線🈚性霍(huo)💋爾傳感(gǎn)器的磁(cí)力線角(jiao)度就會(hui)發生變(bian)化，從而(ér)使霍爾(er)傳感器(qì)輸🔴出相(xiàng)應電壓(yā)。該輸出(chu)電壓⚽輸(shu)入到單(dān)片機應(ying)用系統(tǒng)進行處(chù)理後💃🏻，可(kě)輸出與(yu)流量對(duì)應的标(biāo)準電流(liu)信号，也(ye)可通過(guò)标準通(tong)信接口(kǒu)進行數(shu)據遠程(chéng)交換。
在(zài)流量計(ji)的轉換(huàn)器中對(dui)應浮子(zǐ)位移範(fan)圍中間(jian)位置處(chù)放置兩(liang)個特性(xing)一緻的(de)霍爾傳(chuán)感器，兩(liǎng)個霍爾(ěr)傳感器(qì)的磁敏(mǐn)感面互(hu)成⛹🏻♀️900。霍爾(er)傳感器(qi)的輸出(chu)電壓爲(wei):
E1=K1·I1·B1·-sin θ
E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
式中:
K1、K2爲(wèi)霍爾靈(ling)敏度系(xi)數;
I1、I2爲霍(huò)爾元件(jian)的激勵(lì)電流;
B1 、B2爲(wèi)霍爾傳(chuan)感器所(suo)處位置(zhi)的磁感(gan)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(liang)個霍爾(ěr)傳感器(qi)選用特(tè)性一緻(zhì)的同一(yi)型号霍(huò)爾傳感(gan)器，采用(yòng)同一激(jī)勵電流(liu)，處于同(tong)一高度(dù)位置，所(suǒ)以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因(yin)此可得(de):
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
可見，由(yóu)E,, E2可求出(chu)磁力線(xian)的傾斜(xie)角。
由圖(tú)1可見，随(sui)着浮子(zi)上升，通(tōng)過霍爾(ěr)傳感器(qì)的磁力(lì)線🙇♀️的角(jiǎo)度順時(shí)針變化(hua)，因此求(qiú)出傾斜(xié)角θ就可(kě)以得出(chū)浮🈚子的(de)位移。
3單(dān)片機應(ying)用系統(tǒng)硬件設(shè)計
單片(pian)機應用(yong)系統的(de)原理框(kuang)圖如圖(tu)2所示。系(xi)統控制(zhì)器爲一(yī)💚片⚽MSP430F149單片(piàn)機。M SP430F149的主(zhu)要特性(xìng)與功能(néng)如下:
(1)超(chāo)低電流(liú)消耗:具(ju)有CPUOFF和OSCOFF模(mó)式，可在(zai)電壓降(jiang)至1.8V情況(kuàng)下工㊙️作(zuo)。
(2)基礎時(shi)鍾模塊(kuài):包括1個(ge)數控振(zhèn)蕩器(DCO)和(he)2個晶體(ti)振蕩器(qì)。
(3)系統内(nei)置模塊(kuai):LCD驅動器(qì)、A/D轉換器(qì)、1/O口、USART串口(kǒu)、看門狗(gǒu)、定時器(qi)、硬🐪件乘(cheng)法器、模(mó)拟比較(jiao)器、EPROM等。
(4) 16位(wèi)RISC結構，125as指(zhi)令周期(qi)，等待方(fāng)式進行(hang)喚醒的(de)時間爲(wèi)61xso
(5)軟件可(ke)在RAM中運(yùn)行。程序(xù)可通過(guo)UART或測試(shì)引腳裝(zhuang)入RAM，并能(néng)在☂️實時(shí)條件下(xià)運行。可(kě)降低試(shì)驗和調(diao)試的開(kai)銷。
(6)僅3種(zhong)指令格(ge)式，全部(bù)爲正交(jiāo)結構，簡(jian)化了程(cheng)序的開(kāi)發。ROM讀☀️取(qu)🌈、RAM存取、數(shu)據處理(li)、I/O及其他(tā)外圍操(cāo)作都使(shǐ)用公共(gòng)指令，無(wú)特殊✂️指(zhi)令。
(7)系統(tong)工作穩(wěn)定。上電(dian)複位後(hòu)，首先由(yóu)DCOCLK啓動CPU，以(yǐ)保證程(cheng)序從🌈正(zhèng)确的🔞位(wèi)置開始(shi)執行，保(bǎo)證晶體(ti)振蕩器(qì)有足夠(gou)的起振(zhèn)及穩定(ding)時間。如(rú)果晶體(tǐ)振蕩器(qi)在用作(zuo)CPU時鍾MCLK時(shi)發生故(gù)障，DCO會自(zi)動🈚啓動(dòng)，以保證(zhèng)系統正(zhèng)常工作(zuo);如果程(cheng)序⭐跑飛(fēi)，看門狗(gǒu)可将其(qí)複位。
(8)具(jù)有高級(ji)語言編(biān)程能力(lì)，已開發(fa)了C一編(bian)譯器，支(zhī)持JTAG仿真(zhēn)。
線性霍(huo)爾傳感(gan)器将浮(fu)子位移(yí)轉換成(cheng)電壓信(xìn)号，經♌放(fàng)大器放(fang)🧑🏽🤝🧑🏻大後，由(yóu)16位MCU進行(hang)運算處(chù)理和非(fei)線性修(xiu)正後求(qiú)得流量(liàng)值，一方(fang)面送LCD顯(xiǎn)示器顯(xiǎn)示，另一(yī)方面送(sòng)入DAC轉換(huan)成模拟(nǐ)㊙️量，再經(jīng)輸出轉(zhuan)換電路(lu)轉換成(chéng)标準電(dian)流信号(hao)輸出。另(ling)外🧑🏽🤝🧑🏻，還可(ke)通過串(chuàn)行通信(xìn)接口RS485與(yu)上位機(ji)進行數(shù)❄️據交換(huàn)。
4軟件設(shè)計
軟件(jian)的主流(liú)程圖如(rú)圖3所示(shi)。單片機(jī)在上電(dian)和複位(wèi)的✍️時候(hou)，先要執(zhi)行初始(shi)化程序(xù)。然後，依(yī)次判斷(duàn)功能模(mó)塊的标(biāo)志位🚩，當(dāng)标志位(wei)💁有效時(shi)，執行該(gai)功能模(mo)塊的程(cheng)序，如标(biāo)志位無(wú)效，則跳(tiào)過向下(xia)執行。當(dang)程序執(zhi)行到最(zui)後🧑🏽🤝🧑🏻，再循(xun)環返回(hui)到初始(shǐ)化之後(hòu)。
标準電(diàn)流輸出(chū)模塊和(he)RS485串行通(tong)信模塊(kuài)标志位(wèi)是由掃(sao)🐪描撥碼(mǎ)開關部(bù)分所決(jué)定的;數(shu)據存儲(chu)部分通(tōng)過不斷(duan)地讀取(qǔ)時鍾芯(xin)片DS1307來判(pan)斷是否(fǒu)到了預(yu)先設定(dìng)的存儲(chǔ)時間，到(dào)㊙️存儲時(shí)間後進(jìn)入數據(jù)存儲子(zǐ)程序。RS485通(tong)信實現(xiàn)了數據(ju)的遠程(chéng)傳輸，人(rén)們不必(bì)直接到(dao)現😄場去(qu)查看各(ge)種儀表(biǎo)的參數(shù)值，通過(guò)觀看通(tōng)訊界面(miàn)♈即可獲(huò)得當前(qián)🈚和曆史(shi)數據。
5結(jié)束語
由(yóu)于采用(yòng)霍爾傳(chuan)感器進(jìn)行位移(yí)檢測，使(shǐ)流量計(jì)的轉換(huan)器不📐需(xu)要任何(hé)可動的(de)機械零(ling)件，實現(xian)了全電(diàn)子化和(he)小型化(huà)，大大降(jiàng)低⚽了回(hui)差;采用(yong)16位單片(piàn)機進❌行(hang)線性修(xiū)正和運(yùn)算，可使(shǐ)流量計(jì)的流量(liàng)指示精(jīng)确度由(you)2.0級提㊙️高(gāo)到1.0級。
由(you)以上分(fen)析可見(jiàn)，由于采(cai)用霍爾(er)傳感器(qi)和16位單(dan)片機，使(shǐ)♻️流量計(ji)實現了(le)小型化(hua)、數字化(huà)和智能(néng)化，提高(gao)了流👨❤️👨量(liang)計的精(jīng)度，增加(jiā)了流量(liang)計的功(gong)能，并使(shǐ)得現場(chang)總線型(xíng)的流量(liàng)計成🏃♂️爲(wèi)可能。
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