摘要:介紹(shao)采用霍爾傳感(gan)器檢測浮子位(wei)移、利用低功耗(hào)單片機作爲核(he)心處理器的 金(jin)屬管浮子流量(liang)計 ，着重介紹利(lì)用霍爾傳感器(qi)對浮子位移進(jin)行檢測的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼基本(běn)原理以及霍爾(ěr)傳感器輸出信(xin)号處理系統的(de)硬件、軟🔱件設計(jì)，分析這種智能(neng)金屬管轉子流(liu)量計 的主要特(tè)點。
1引言
　　在工業(ye)生産和科研測(cè)量中，經常遇到(dao)小流量、低雷諾(nuo)數✌️的☔流量測量(liang)。 浮子流量計 由(yóu)于具有靈敏度(du)高，測量範圍寬(kuan),壓力損失較小(xiǎo)且恒定，測量介(jiè)☎️質種類多，工作(zuò)可靠,維護簡便(bian),對儀表前直✏️管(guǎn)段要求不高😘等(děng)優點,已被廣泛(fàn)應用。
　　浮子流量(liang)計的浮子位移(yí)與流量之間存(cún)在明确對應🚩的(de)函數關系，測出(chu)浮子位移即可(ke)确定流量大小(xiao)。金屬管浮子流(liu)量計💯(以下簡稱(chēng)流量計)可以連(lian)續測♻️量封閉管(guǎn)道内液體、氣體(ti)或蒸汽的流量(liang),既能就地✌️指示(shi)，又能遠傳信号(hào),可實現流量測(cè)量值的遠距離(lí)顯示、記錄、計.算(suan)、調節控制等功(gong)能,因此⛱️廣泛應(yīng)用于‼️石油、化工(gōng)、能源、冶金、醫藥(yào)、輕工、國防等部(bù)門]的流量檢測(cè)及過♍程控制。由(yóu)于流量計的浮(fú)子位移不能直(zhi)接讀出,所以将(jiang)磁鋼封入浮子(zǐ)内，由設在轉換(huàn)器内的磁耦合(he)機構得到浮子(zi)位移🔴，并由位移(yí)傳感器将♋與流(liú)量對應的浮子(zǐ)位移轉換成電(diàn)信号，以實現遠(yuǎn)傳輸出。目前常(cháng)用的位移💘傳感(gǎn)器有兩種:差功(gōng)變壓器式傳感(gan)器和電容式角(jiǎo)🚶‍♀️位移傳感器。但(dan)是使用這兩種(zhǒng)位移👄傳感器要(yào)獲得與流量對(duì)應☔的位移信号(hào),需要通過磁鋼(gāng)耦合以及相應(yīng)的四連杆、凸輪(lun)等機械機構進(jin)行非線性修正(zheng)和傳動來實現(xiàn)，這就會造成轉(zhuǎn)換器傳動環節(jiē)多、結構複雜、存(cún)在摩擦力、回差(cha)增大,從而降🐉低(di)流量計的測量(liàng)精度。因此無法(fǎ)實現🐇流量計的(de)轉換器全電子(zǐ)化、小塑化以及(ji)在此基礎上的(de)智能⭐化。爲此，推(tuī)出采用♊霍爾傳(chuan)感器檢測浮🌈子(zi)位移、利用16位低(di)功耗🧑🏽‍🤝‍🧑🏻單片機作(zuò)爲核📱心處理器(qi)的智🆚能流量計(jì)。
2系統構成原理(lǐ)
　　該流量計采用(yòng)線性霍爾傳感(gǎn)器檢測浮子位(wei)移,配合單片機(jī)應用系統，完全(quan)去掉了磁鋼耦(ou)合、非線性修正(zhèng)及傳動等機械(xiè)👣機構。其工作原(yuan)理如圖1所示。
 
　　當(dang)被測流體自下(xia)而上流過錐管(guan)時，浮子産生位(wèi)移，通過線性霍(huò)爾傳感器的磁(cí)力線角度就會(huì)發生變化，從而(ér)使霍爾傳感💃器(qì)輸出相應電壓(yā)。該輸出電壓輸(shū)入到單片機應(yīng)用系統進行處(chù)理後，可輸出與(yǔ)流量對應的标(biao)準電流信号,也(yě)可通過标準通(tong)信接口進行數(shù)據遠程交換。
　　在(zai)流量計的轉換(huàn)器中對應浮子(zǐ)位移範圍中間(jian)位置處放🏃置兩(liang)個特性一緻的(de)霍爾傳感器,兩(liǎng)個霍爾傳感💯器(qì)的磁敏感面互(hù)成90*。霍爾傳感器(qi)的輸出電壓爲(wèi):
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2爲霍爾靈(líng)敏度系數;
I1、I2爲霍(huo)爾元件的激勵(li)電流;
B1、B2爲霍爾傳(chuan)感器所處位置(zhi)的磁感應強度(dù);
θ爲磁力線相對(dui)于霍爾傳感器(qì)的磁敏感面的(de)傾斜角。
　　因爲兩(liǎng)個霍爾傳感器(qì)選用特性一緻(zhi)的同--型号霍 爾(ěr)傳感器,采用同(tong)一激勵電流,處(chù)于同一-高度位(wei)置,所以K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可(kě)得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見，由E1、E2可求(qiu)出磁力線的傾(qīng)斜角。
　　由圖1可見(jiàn)，随着浮子上升(sheng),通過霍爾傳感(gǎn)器的磁力線的(de)角度順📞時針變(bian)化，因此求出傾(qīng)斜角0就可以得(dé)出浮🐇子的✨位移(yí)。
3單片機應用系(xì)統硬件設計
 
　　單(dān)片機應用系統(tǒng)的原理框圖如(rú)圖2所示。系統控(kong)制器爲一♋片MSP430F149單(dan)🔞片機。MSP430F149的主要特(te)性與功能如下(xia):
(1)超低電流消耗(hao):具有CPUOFF和OSCOFF模式，可(kě)在電壓降至1.8V情(qíng)況下工作☔。
(2)基礎(chu)時鍾模塊:包括(kuo)1個數控振蕩器(qì)(DCO)和2個晶體振蕩(dàng)器。
(3)系統内置模(mo)塊:LCD驅動器、A/D轉換(huan)器、I/O口、USART串口、看門(men)狗、定時器、硬件(jiàn)🔅乘法器、模拟比(bi)較器、EPROM等。
(4)16位RISC結構(gòu)，125as指令周期，等待(dài)方式進行喚醒(xing)的時間爲6Ixs.
(5)軟件(jian)可在RAM中運行。程(chéng)序可通過UART或測(cè)試引腳裝入RAM，并(bing)能在實🚶‍♀️時條件(jian)下運行。可降低(di)試驗和調試的(de)開銷。
(6)儀3種指令(lìng)格式，全部爲正(zheng)交結構，簡化了(le)程序的開發。ROM讀(du)取、RAM存⭐取、數據處(chù)理、1/O及其他外圍(wéi)操作都使用公(gōng)共指令，無特殊(shū)指令🐕。
(7)系統工作(zuo)穩定。上電複位(wèi)後，首先由DCOCLK啓動(dong)CPU,以保證程序🈲從(cong)💚正确的位置開(kāi)始執行，保證晶(jing)體振蕩器有足(zú)夠的起振及穩(wen)定時🈲間。如果晶(jing)體振蕩器在用(yong)作CPU時鍾MCLK時發生(sheng)故障,DCO會自動啓(qǐ)動，以保證系統(tong)正常工作;如果(guo)程序跑飛，看門(mén)狗可将其複位(wei)。
(8)具有高級語言(yán)編程能力,已開(kāi)發了C-編譯器，支(zhi)持JTAG仿✂️真。
　　線性霍(huo)爾傳感器将浮(fú)子位移轉換成(cheng)電壓信号,經放(fang)大器放大後，由(yóu)16位MCU進行運算處(chù)理和非線性修(xiu)正🔴後求得流量(liang)值，一方面送LCD顯(xiǎn)示器顯示，另一(yī)方面送入DAC轉換(huàn)成模拟☔量，再經(jing)輸出轉換電路(lu)轉換成标準電(dian)流信号輸出。另(lìng)外，還可通過❄️串(chuan)行通信🤞接口RS485與(yu)上:位機進行數(shu)據交換。
4軟件設(shè)計
　　軟件的主流(liu)程圖如圖3所示(shi)。單片機在上電(dian)和複位的時候(hòu)，先要執行初始(shi)化程序。然後，依(yī)次判斷功能模(mó)塊的标志位，當(dang)标志位有效時(shí)，執行該功能模(mo)塊的程序✂️，如标(biao)志位無效，則跳(tiào)過向下執行。當(dāng)程序執行到最(zui)後，再循環返回(hui)到初始化之後(hou)。
 
　　标準電流輸出(chū)模塊和RS485串行通(tōng)信模塊标志位(wei)是由🔴掃🧑🏾‍🤝‍🧑🏼描撥碼(mǎ)開關部分所決(jue)定的;數據存儲(chu)部分通過‼️不斷(duàn)地讀🏃‍♀️取時鍾芯(xīn)片DS1307來判斷是否(fǒu)到了預先設定(dìng)的存儲時間，到(dao)存儲時間後進(jin)✊入數據存儲子(zǐ)程序☂️。RS485通信實現(xian)了數據的遠程(chéng)傳輸，人們不必(bi)直接到現場去(qù)查看各種儀表(biao)的參數值,通過(guò)觀看通訊界面(miàn)即可獲得當前(qián)和曆史數據。
5結(jié)束語.
　　由于采用(yòng)霍爾傳感器進(jin)行位移檢測，使(shi)流量計的🛀轉換(huan)器不需要任何(hé)可動的機械零(ling)件,實現了全電(dian)子化和小型化(huà)，大大降低了回(huí)差;采用16位單片(piàn)機進行線性修(xiū)正和運算,可使(shǐ)流量計的流量(liang)指示精度🐪由2.0級(jí)提高到1.0級。
由以(yi)上分析可見，由(yóu)于采用霍爾傳(chuan)感器和16位單片(pian)機，使💁流量計🆚實(shí)現了小型化、數(shù)字化和智能化(hua),提高了流量計(jì)🏃🏻‍♂️的精度,增加了(le)流量計的功能(néng)，并使得開發現(xian)場總線型的流(liu)量計成爲可能(néng)。

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