引言
在(zai)工業生産和(hé)科研測量中(zhong)，經常遇到小(xiǎo)流量、低雷🐕諾(nuò)數的流量💰測(cè)量。浮子流量(liang)計由于具有(you)靈敏度高，測(cè)量範圍寬，壓(ya)力損失較小(xiao)且恒♍定，測量(liang)🔴介質種類多(duo)，工作可靠，維(wéi)護簡便，對儀(yi)表前直管段(duàn)📧要求不高等(děng)優點，已被廣(guǎng)泛應用。
浮子(zi)流量計的浮(fu)子位移與流(liú)量之間存在(zài)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(shu)管浮子流量(liàng)計(以下簡稱(cheng)流量計)可以(yi)連續測量封(feng)閉管道内液(yè)體、氣體或蒸(zheng)汽的流量，既(ji)能就地指示(shi)，又能遠傳信(xìn)号，可實現流(liu)🏃量測量值的(de)遠距離顯示(shi)、記錄、計算、調(diao)節控制等功(gōng)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(cè)及過🏃🏻程控制(zhi)。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(zǐ)内，由設在轉(zhuǎn)換器内的磁(ci)藕合機構得(dé)到浮子位移(yí)，并由位移傳(chuan)感器将與流(liú)量對應的浮(fú)子位移轉換(huan)成電信号，以(yǐ)實現遠傳輸(shu)出。目前常用(yong)的位移傳感(gǎn)器有兩種:差(cha)動變壓器式(shì)傳感器和電(diàn)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(wei)移信号，需要(yao)通過磁鋼藕(ou)合以及♊相應(yīng)的四連杆、凸(tu)輪等機械機(ji)構進行非線(xiàn)性🔴修正和傳(chuan)🐆動來實現，這(zhè)就會造成轉(zhuǎn)換器傳動環(huán)節⛱️多、結構複(fu)雜、存在摩擦(ca)力、回差增大(dà)，從而降低流(liu)量計的測量(liang)精度。因此無(wú)法實現流量(liàng)計🏒的轉換器(qi)全電子化、小(xiǎo)型化以及在(zai)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(gōng)耗單片機作(zuo)爲核心處理(lǐ)器的智能流(liú)量計。
2系統構(gòu)成原理
該流(liú)量計采用線(xian)性霍爾傳感(gan)器檢測浮子(zi)位移，配🌈合單(dan)片機應用系(xi)統，完全去掉(diao)了磁鋼禍合(hé)、非線性修正(zhèng)及傳動等機(ji)械機構。其工(gōng)作原理如圖(tu)1所示。
當被測(ce)流體自下而(er)上流過錐管(guan)時，浮子産生(shēng)位移，通過線(xian)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(gǎn)😄器輸出相應(yīng)電壓。該輸出(chū)電壓輸入到(dao)單片機應用(yong)系統進行🛀🏻處(chu)理後，可輸出(chu)與流量對應(yīng)的标準電流(liú)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(yi)範圍中間位(wei)置處放🚩置兩(liang)個特性一緻(zhi)的霍爾傳感(gǎn)器，兩個霍爾(ěr)👉傳感器的磁(ci)敏感面互成(chéng)🛀900。霍爾傳感器(qi)的輸出電壓(ya)爲:
E1=K1·I1·B1·-sin θ
E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
式中:
K1、K2爲霍(huò)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(chuan)感器所處位(wei)置的磁感應(yīng)強度;
θ爲磁力(lì)線相對于霍(huo)爾傳感器的(de)磁敏感面的(de)傾斜角。
因爲(wei)兩個霍爾傳(chuan)感器選用特(te)性一緻的同(tóng)一型号霍🌍爾(er)傳感器，采用(yòng)同一激勵電(dian)流，處于同一(yi)高度位置，所(suo)以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因此可(ke)得:
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
可見，由E,, E2可(ke)求出磁力線(xian)的傾斜角。
由(you)圖1可見，随着(zhe)浮子上升，通(tōng)過霍爾傳感(gǎn)器的磁力線(xian)的角度順㊙️時(shi)針變化，因此(cǐ)求出傾斜角(jiao)θ就可以得出(chu)浮子的位移(yi)。
3單片機應用(yòng)系統硬件設(shè)計
單片機應(yīng)用系統的原(yuán)理框圖如圖(tú)2所示。系統控(kòng)制器爲一片(pian)MSP430F149單片機。M SP430F149的主(zhǔ)要特性與功(gōng)能如下:
(1)超低(di)電流消耗:具(ju)有CPUOFF和OSCOFF模式，可(ke)在電壓降至(zhi)1.8V情況下工作(zuò)。
(2)基礎時鍾模(mo)塊:包括1個數(shu)控振蕩器(DCO)和(he)2個晶體振蕩(dàng)器。
(3)系統内置(zhi)模塊:LCD驅動器(qì)、A/D轉換器、1/O口、USART串(chuàn)口、看門狗、定(dìng)時🔞器、硬🐉件乘(chéng)🏃🏻♂️法❤️器、模拟比(bi)較器、EPROM等。
(4) 16位RISC結(jie)構，125as指令周期(qi)，等待方式進(jin)行喚醒的時(shí)間爲61xso
(5)軟件可(kě)在RAM中運行。程(cheng)序可通過UART或(huò)測試引腳裝(zhuang)入RAM，并能在實(shí)時條♍件下運(yun)行。可降低試(shì)驗和調試的(de)開銷。
(6)僅3種指(zhǐ)令格式，全部(bù)爲正交結構(gou)，簡化了程序(xù)的開發。ROM讀🐉取(qu)、RAM存取🔞、數據處(chù)理、I/O及其他外(wai)圍操作都使(shǐ)用公共指㊙️令(lìng)，無㊙️特殊指令(ling)。
(7)系統工作穩(wen)定。上電複位(wei)後，首先由DCOCLK啓(qǐ)動CPU，以保證程(cheng)序從正确💋的(de)位置開始執(zhí)行，保證晶體(tǐ)振蕩器有足(zu)夠的起振及(jí)穩定時間。如(rú)果晶體振蕩(dàng)器在用作CPU時(shí)鍾MCLK時發生故(gù)障，DCO會自動啓(qǐ)動，以🏒保證系(xi)統正常工作(zuò);如果程序跑(pao)飛，看門狗可(ke)将其複位。
(8)具(jù)有高級語言(yán)編程能力，已(yǐ)開發了C一編(bian)譯器，支持JTAG仿(páng)真。
線性霍爾(ěr)傳感器将浮(fú)子位移轉換(huan)成電壓信号(hào)，經放大器放(fàng)大後，由16位MCU進(jìn)行運算處理(li)和非線性修(xiū)正🧑🏾🤝🧑🏼後求得流(liu)量值，一方面(mian)送LCD顯示器顯(xiǎn)示，另一方面(mian)送入DAC轉換成(cheng)模拟量，再經(jīng)輸出轉換電(dian)路轉換成标(biao)準電流信号(hào)輸出。另外，還(hai)可通過串行(háng)通信接口RS485與(yǔ)上💞位機進行(háng)數據交換。
4軟(ruǎn)件設計
軟件(jiàn)的主流程圖(tu)如圖3所示。單(dān)片機在上電(diàn)和複位的時(shí)♋候，先要執行(háng)初始化程序(xu)。然後，依次判(pan)斷功能🚩模塊(kuài)的标志位，當(dāng)标志位有效(xiào)時，執行該功(gōng)能模塊的程(cheng)序，如标志🐉位(wei)無效，則跳過(guò)向下執行。當(dang)程序執行到(dào)最後，再循環(huan)返回到初始(shǐ)📧化之後。
标準(zhun)電流輸出模(mó)塊和RS485串行通(tōng)信模塊标志(zhi)位是由♍掃描(miáo)撥碼開關部(bu)分所決定的(de);數據存儲部(bù)分通過不斷(duan)地讀取時鍾(zhong)芯片DS1307來判斷(duan)是否到了預(yù)先設定⛱️的存(cun)儲時間，到存(cun)儲時🏃♀️間後進(jìn)入數據存儲(chǔ)子程序🍓。RS485通信(xin)實現了數據(ju)的遠程傳輸(shu)，人們不必✔️直(zhí)接到現👅場去(qu)查看各🏃♀️種儀(yi)表的參數值(zhi)，通過觀看通(tōng)訊界面即可(ke)獲得當前和(hé)曆史數據。
5結(jie)束語
由于采(cǎi)用霍爾傳感(gan)器進行位移(yi)檢測，使流量(liàng)計的轉換器(qì)不需要任何(he)可動的機械(xie)零件，實現了(le)全電子化和(he)小型化，大大(da)降低了回差(chà);采用16位單片(pian)機進行線性(xing)修正和💋運算(suàn)，可使流量‼️計(ji)的流量指示(shi)精确度由2.0級(jí)提🏒高到1.0級。
由(yóu)以上分析可(ke)見，由于采用(yong)霍爾傳感器(qì)和16位單片機(jī)，使🌈流量計實(shi)現了小型化(huà)、數字化和智(zhì)能化，提高了(le)流量計的精(jing)🈲度，增加了流(liú)量計的功能(neng)，并使得現👨❤️👨場(chǎng)總線型的流(liú)❌量計成爲可(kě)能。
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