摘要:介(jie)紹采用霍(huo)爾傳感器(qi)檢測浮子(zi)位移、利用(yong)低功耗單(dan)片機作爲(wei)核心處理(li)器的 金屬(shu)管浮子流(liu)量計 ，着重(zhong)介紹利用(yong)霍爾傳感(gan)器對浮子(zi)位移進行(hang)檢測的基(ji)⛱️本原理以(yi)及霍爾傳(chuan)感器輸出(chu)信号處理(li)系統的硬(ying)件、軟件設(she)計，分析這(zhe)種智能金(jin)屬管轉子(zi)流量計 的(de)主要特點(dian)。
1引言
　　在工(gong)業生産和(he)科研測量(liang)中，經常遇(yu)到小流量(liang)、低雷諾數(shu)✔️的流量測(ce)量。 浮子流(liu)量計 由于(yu)具有靈敏(min)度高，測量(liang)範圍寬,壓(ya)力損失較(jiao)小且恒定(ding)⛹🏻‍♀️，測量介質(zhi)種類多，工(gong)作可靠,維(wei)護簡便,對(dui)儀表⁉️前直(zhi)管段要求(qiu)不高等優(you)點,已被廣(guang)泛應用。
　　浮(fu)子流量計(ji)的浮子位(wei)移與流量(liang)之間存在(zai)明确對😘應(ying)的函數關(guan)系，測出浮(fu)子位移即(ji)可确定流(liu)量大小。金(jin)屬🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管浮子(zi)流量計😍(以(yi)下簡稱流(liu)量計)可以(yi)連續測量(liang)封閉💔管道(dao)内🏃🏻液體、氣(qi)♍體或蒸汽(qi)的流量,既(ji)能就地指(zhi)示，又能遠(yuan)傳信号,可(ke)實現流量(liang)測量值的(de)遠距離顯(xian)示、記錄、計(ji).算、調節控(kong)制🥵等功能(neng),因此廣泛(fan)應用于✔️石(shi)油、化工、能(neng)🤞源、冶金、醫(yi)藥、輕工🔴、國(guo)防等部門(men)]的流量檢(jian)測及過程(cheng)控制。由于(yu)流量計的(de)浮子位移(yi)不能直接(jie)讀出,所以(yi)将磁鋼封(feng)入浮子内(nei)，由設🌈在轉(zhuan)換器内的(de)磁耦合機(ji)構得到浮(fu)🍉子位移，并(bing)由位移傳(chuan)感器将📱與(yu)流量對應(ying)的浮子位(wei)移轉換成(cheng)電信号，以(yi)實現遠傳(chuan)輸出。目前(qian)常用的位(wei)移傳感器(qi)有兩種:差(cha)功變壓器(qi)式傳感器(qi)和電容式(shi)角位移傳(chuan)感器。但是(shi)使用這👌兩(liang)種位移傳(chuan)感器要獲(huo)得與流量(liang)對應的位(wei)移信号,需(xu)要通過磁(ci)鋼耦合以(yi)及相應的(de)四連杆、凸(tu)輪等機械(xie)機構進行(hang)非線性✊修(xiu)正和傳動(dong)來實🍉現，這(zhe)就會造㊙️成(cheng)轉換器傳(chuan)動環節多(duo)、結構複雜(za)、存在摩擦(ca)力、回差✊增(zeng)大,從而降(jiang)低流量計(ji)的測量精(jing)度。因此無(wu)法實現流(liu)量計的轉(zhuan)換器全電(dian)子化、小塑(su)化❌以及在(zai)此🌈基礎上(shang)的智能化(hua)。爲此，推出(chu)采用霍爾(er)傳感器檢(jian)測浮🆚子㊙️位(wei)移、利用16位(wei)低功耗單(dan)片機作爲(wei)核心處理(li)器的智能(neng)流量計。
2系(xi)統構成原(yuan)理
　　該流量(liang)計采用線(xian)性霍爾傳(chuan)感器檢測(ce)浮子位移(yi),配🌐合單片(pian)機應用系(xi)統，完全去(qu)掉了磁鋼(gang)耦合、非線(xian)性修正及(ji)傳動等⛱️機(ji)械機構。其(qi)工作原理(li)如圖1所示(shi)。
 
　　當被測流(liu)體自下而(er)上流過錐(zhui)管時，浮子(zi)産生位移(yi)，通過線性(xing)霍爾傳感(gan)器的磁力(li)線角度就(jiu)會發生變(bian)化，從而使(shi)霍爾傳感(gan)器輸出相(xiang)應電壓。該(gai)輸出電壓(ya)✏️輸入到單(dan)片機應用(yong)系🏃🏻‍♂️統進行(hang)處理後，可(ke)輸出與流(liu)量對應的(de)标準電流(liu)信号,也可(ke)通過标準(zhun)通信接口(kou)進行數據(ju)遠🏒程交換(huan)。
　　在流量計(ji)的轉換器(qi)中對應浮(fu)子位移範(fan)圍中間位(wei)置✔️處放置(zhi)兩個特性(xing)一緻的霍(huo)爾傳感器(qi),兩個霍爾(er)傳感器的(de)磁敏感面(mian)互成90*。霍爾(er)傳感器的(de)輸出電壓(ya)爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2爲(wei)霍爾靈敏(min)度系數;
I1、I2爲(wei)霍爾元件(jian)的激勵電(dian)流;
B1、B2爲霍爾(er)傳感器所(suo)處位置的(de)磁感應強(qiang)度;
θ爲磁力(li)線相對于(yu)霍爾傳感(gan)器的磁敏(min)感面的傾(qing)斜角。
　　因爲(wei)兩個霍爾(er)傳感器選(xuan)用特性一(yi)緻的同--型(xing)号霍 爾❗傳(chuan)感器,采用(yong)同一激勵(li)電流,處于(yu)同一-高度(du)位置,所以(yi)K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可得(de)💃:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見，由E1、E2可(ke)求出磁力(li)線的傾斜(xie)角。
　　由圖1可(ke)見，随着浮(fu)子上升,通(tong)過霍爾傳(chuan)感器的磁(ci)力線的角(jiao)度🏃🏻順時針(zhen)變化，因此(ci)求出傾斜(xie)角0就可以(yi)得出浮子(zi)的🥵位移。
3單(dan)片機應用(yong)系統硬件(jian)設計
 
　　單片(pian)機應用系(xi)統的原理(li)框圖如圖(tu)2所示。系統(tong)控制器爲(wei)一片MSP430F149單片(pian)機。MSP430F149的主要(yao)特性與功(gong)能如下:
(1)超(chao)低電流消(xiao)耗:具有CPUOFF和(he)OSCOFF模式，可在(zai)電壓降至(zhi)1.8V情況下工(gong)作。
(2)基礎時(shi)鍾模塊:包(bao)括1個數控(kong)振蕩器(DCO)和(he)2個晶體振(zhen)蕩🌈器。
(3)系統(tong)内置模塊(kuai):LCD驅動器、A/D轉(zhuan)換器、I/O口、USART串(chuan)口、看門狗(gou)、定時器🧑🏾‍🤝‍🧑🏼、硬(ying)🏒件乘法器(qi)、模拟比較(jiao)器、EPROM等。
(4)16位RISC結(jie)構，125as指令周(zhou)期，等待方(fang)式進行喚(huan)醒的時間(jian)爲6Ixs.
(5)軟件可(ke)在RAM中運行(hang)。程序可通(tong)過UART或測試(shi)引腳裝入(ru)RAM，并能在👈實(shi)時條件下(xia)運行。可降(jiang)低試驗和(he)調試的開(kai)銷。
(6)儀3種指(zhi)令格式，全(quan)部爲正交(jiao)結構，簡化(hua)了程序的(de)開發。ROM讀取(qu)、RAM存取、數據(ju)處理、1/O及其(qi)他外圍操(cao)作都使用(yong)公共指令(ling)，無特殊指(zhi)令。
(7)系統工(gong)作穩定。上(shang)電複位後(hou)，首先由DCOCLK啓(qi)動CPU,以保證(zheng)程序從正(zheng)确的位置(zhi)開始執行(hang)，保證晶體(ti)振蕩器有(you)足夠的起(qi)振及穩定(ding)時間。如果(guo)晶體振蕩(dang)器在用作(zuo)CPU時鍾MCLK時發(fa)生故障,DCO會(hui)自動啓動(dong)，以保證系(xi)統正常工(gong)作;如果程(cheng)序跑飛，看(kan)門狗可将(jiang)其複位。
(8)具(ju)有高級語(yu)言編程能(neng)力,已開發(fa)了C-編譯器(qi)，支持JTAG仿真(zhen)。
　　線性霍爾(er)傳感器将(jiang)浮子位移(yi)轉換成電(dian)壓信号,經(jing)放🧡大🔞器🌈放(fang)大後，由16位(wei)MCU進行運算(suan)處理和非(fei)線性修正(zheng)後求🐉得流(liu)量值，一方(fang)面送LCD顯示(shi)器顯示，另(ling)一方面送(song)入DAC轉換成(cheng)模拟量，再(zai)經輸出轉(zhuan)換電路轉(zhuan)換成标準(zhun)電流信号(hao)📐輸出。另外(wai)，還可通過(guo)串行通信(xin)接口RS485與上(shang)📱:位機進行(hang)數🧑🏽‍🤝‍🧑🏻據交換(huan)。
4軟件設計(ji)
　　軟件的主(zhu)流程圖如(ru)圖3所示。單(dan)片機在上(shang)電和複位(wei)✔️的👅時候，先(xian)要執行初(chu)始化程序(xu)。然後，依次(ci)判斷功能(neng)模塊的标(biao)志位，當标(biao)志位有效(xiao)時，執行該(gai)功能模塊(kuai)的程序，如(ru)标志✍️位無(wu)效，則跳過(guo)向下執行(hang)。當程序執(zhi)行到最後(hou)，再循環返(fan)回到初始(shi)化之後。
 
　　标(biao)準電流輸(shu)出模塊和(he)RS485串行通信(xin)模塊标志(zhi)位是由✔️掃(sao)描撥碼開(kai)關部分所(suo)決定的;數(shu)據存儲部(bu)分通過不(bu)斷地讀取(qu)時鍾芯片(pian)DS1307來判斷是(shi)否到了預(yu)先設定的(de)存儲時間(jian)，到存儲時(shi)間後進入(ru)數據存儲(chu)子程序。RS485通(tong)信實現了(le)數據的遠(yuan)程傳輸⛹🏻‍♀️，人(ren)們不必直(zhi)接到現📞場(chang)去查看各(ge)🎯種儀表的(de)參數值,通(tong)過觀看通(tong)訊界面即(ji)可獲得當(dang)前和曆史(shi)數據。
5結束(shu)語.
　　由于采(cai)用霍爾傳(chuan)感器進行(hang)位移檢測(ce)，使流量計(ji)的轉換器(qi)不需要任(ren)何可動的(de)機械零件(jian),實現了全(quan)電子化和(he)小型化，大(da)大🙇‍♀️降低了(le)回差;采用(yong)16位單片機(ji)進行線性(xing)修正和運(yun)算,可使流(liu)量計的流(liu)量指示精(jing)度由2.0級提(ti)高到1.0級。
由(you)以上分析(xi)可見，由于(yu)采用霍爾(er)傳感器和(he)16位單片機(ji)🌂，使流量✌️計(ji)實現了小(xiao)型化、數字(zi)化和智能(neng)化,提高了(le)流量計的(de)精度,增加(jia)了流量計(ji)的功能，并(bing)使得開發(fa)現場總線(xian)型的流量(liang)計成爲可(ke)能。

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