摘要:介紹采(cai)用霍爾傳感(gǎn)器檢測浮子(zǐ)位移、利用低(di)功耗單片機(ji)作爲核心處(chù)理器的 金屬(shu)管浮子流量(liang)計 ，着重介紹(shào)利用霍爾傳(chuán)感器對浮子(zi)位移進行檢(jiǎn)測的基本💋原(yuan)理☎️以及霍爾(er)傳感器輸出(chu)信号處理系(xi)統的硬件、軟(ruan)件設計，分析(xi)這種智能金(jīn)屬管轉子流(liu)量計 的主要(yao)特點。
1引言
　　在(zai)工業生産和(hé)科研測量中(zhōng)，經常遇到小(xiao)流量、低雷諾(nuo)數的流量測(ce)量。 浮子流量(liang)計 由于具有(you)靈敏度高，測(cè)量範圍寬,壓(yā)力損失較小(xiǎo)且恒定，測量(liàng)介質種類多(duo)，工作可靠,維(wéi)護簡便,對儀(yí)表前直管段(duan)😘要求不高等(deng)優點,已被廣(guang)泛應用。
　　浮子(zi)流量計的浮(fu)子位移與流(liu)量之間存在(zai)明确對應🈲的(de)🙇‍♀️函數關系，測(cè)出浮子位移(yí)即可确定流(liu)量大小。金屬(shu)💚管浮🌐子流量(liàng)計(以下簡稱(cheng)流量計)可以(yǐ)連續測量封(fēng)閉管道内液(ye)體、氣體或蒸(zhēng)汽的流量,既(jì)能就地指示(shì)，又能遠傳信(xìn)号,可實現流(liu)量測量值的(de)遠距離㊙️顯示(shì)、記錄、計.算、調(diao)節控制等功(gōng)能,因此廣泛(fàn)應用于石油(you)、化工、能源💞、冶(ye)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(cí)耦合機構得(de)到浮子位移(yí)，并由位移傳(chuán)感器将🥰與流(liú)量對應的浮(fu)⁉️子位移轉換(huan)成電信号⁉️，以(yǐ)實現遠傳輸(shu)出。目前常用(yòng)的位移傳☀️感(gan)器有兩種:差(chà)功變壓器式(shi)🏃傳感器和電(dian)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(wèi)移信号📧,需要(yào)通過磁鋼😄耦(ou)合以及相應(yīng)的四連杆、凸(tu)輪等🐅機械機(jī)構進行非線(xiàn)性修正和傳(chuán)動來實💋現，這(zhè)就會造成轉(zhuǎn)換器傳動環(huan)節多、結構複(fu)雜、存在摩擦(cā)力、回差增大(da),從而降低流(liú)量計的測量(liang)精度。因此無(wú)法實現🐇流量(liang)計的轉換器(qì)全電子化、小(xiǎo)塑化以及在(zài)此基礎上的(de)智能化。爲此(ci)，推出采用霍(huo)爾傳感器檢(jiǎn)測浮子位移(yí)、利用16位低功(gōng)耗單片機作(zuò)爲核心處理(li)器的智能流(liu)量計。
2系統構(gou)成原理
　　該流(liu)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)了磁鋼耦合(hé)、非線性修正(zheng)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(ér)上流過錐管(guǎn)時，浮子産生(sheng)位移，通過🍓線(xian)性霍⭐爾傳感(gan)器的磁力線(xiàn)角度就會發(fa)生變化，從而(ér)使霍爾傳感(gan)器輸出相應(yīng)電壓。該輸出(chu)電壓輸入到(dào)單片機☀️應用(yòng)系統進行處(chu)理後，可輸出(chū)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(duì)應浮子位移(yí)範圍中間位(wei)置🤞處放置兩(liang)個特性一緻(zhi)的霍爾傳感(gan)器,兩個霍爾(er)傳感器的磁(cí)敏感面互成(cheng)90*。霍爾傳感器(qì)的輸出電壓(yā)爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2爲霍(huò)爾靈敏度系(xi)數;
I1、I2爲霍爾元(yuan)件的激勵電(diàn)流;
B1、B2爲霍爾傳(chuán)感器所處位(wèi)置的磁感應(yīng)強度;
θ爲磁力(li)線相對于霍(huò)爾傳感器的(de)磁敏感面的(de)傾斜角。
　　因爲(wei)兩個霍爾傳(chuán)感器選用特(tè)性一緻的同(tong)--型号霍 爾傳(chuan)感🔴器,采用同(tóng)一激勵電流(liu),處于同一-高(gao)度位置,所以(yi)K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可(kě)見，由E1、E2可求出(chu)磁力線的傾(qing)斜角。
　　由圖1可(kě)見，随着浮子(zi)上升,通過霍(huo)爾傳感器的(de)磁力線的🌏角(jiǎo)⭐度順時針變(biàn)化，因此求出(chū)傾斜角0就可(kě)以得出浮子(zi)的位移。
3單片(pian)機應用系統(tong)硬件設計
 
　　單(dān)片機應用系(xi)統的原理框(kuàng)圖如圖2所示(shì)。系統控制🐆器(qì)🌈爲♋一片MSP430F149單片(pian)機。MSP430F149的主要特(te)性與功能如(rú)下:
(1)超低電流(liu)消耗:具有CPUOFF和(he)OSCOFF模式，可在電(diàn)壓降至1.8V情況(kuang)下工作。
(2)基礎(chu)時鍾模塊:包(bāo)括1個數控振(zhen)蕩器(DCO)和2個晶(jing)體振蕩器。
(3)系(xi)統内置模塊(kuài):LCD驅動器、A/D轉換(huan)器、I/O口、USART串口、看(kàn)門狗、定時器(qì)、硬件❤️乘法器(qi)、模拟比較器(qì)、EPROM等。
(4)16位RISC結構，125as指(zhi)令周期，等待(dai)方式進行喚(huàn)醒的時間爲(wei)6Ixs.
(5)軟件可在RAM中(zhong)運行。程序可(kě)通過UART或測試(shi)引腳裝入RAM，并(bìng)能在實時條(tiáo)件下運行。可(ke)降低試驗和(hé)調試的開銷(xiao)。
(6)儀3種指令格(gé)式，全部爲正(zheng)交結構，簡化(hua)了程序的開(kai)發。ROM讀取、RAM存取(qu)👣、數據處理、1/O及(jí)其他外圍操(cāo)作都使用公(gong)共指令，無特(te)殊㊙️指令。
(7)系統(tong)工作穩定。上(shang)電複位後，首(shǒu)先由DCOCLK啓動CPU,以(yi)保證程序從(cóng)正🏃‍♀️确的位置(zhi)開始執行，保(bǎo)證晶體振蕩(dang)器有足夠的(de)起振及穩定(dìng)時間。如果晶(jing)體振蕩器在(zài)用作CPU時鍾MCLK時(shí)發生故障,DCO會(huì)自動啓動，以(yi)保證系統正(zheng)常工作;如果(guo)程序跑飛，看(kan)門❓狗可将其(qi)🙇‍♀️複位。
(8)具有高(gāo)級語言編程(cheng)能力,已開發(fa)了C-編譯器，支(zhī)持JTAG仿真💃。
　　線性(xìng)霍爾傳感器(qi)将浮子位移(yí)轉換成電壓(ya)信号,經放大(da)🌂器放大後，由(you)16位MCU進行運算(suan)處理和非線(xiàn)性修正後求(qiú)得流量值，一(yī)方面送LCD顯示(shi)器顯示，另一(yi)方面送入DAC轉(zhuan)換成模拟量(liàng)，再經輸出轉(zhuǎn)換電路轉換(huan)成标準電流(liu)信号輸出。另(ling)外💰，還可通過(guo)串行通信接(jie)口RS485與上:位機(jī)進行數㊙️據交(jiāo)換。
4軟件設計(jì)
　　軟件的主流(liu)程圖如圖3所(suǒ)示。單片機在(zai)上電和複位(wèi)的時候，先要(yào)執行初始化(hua)程序。然後，依(yī)次判斷功能(néng)模塊的标志(zhì)位，當标🔱志位(wei)🚶‍♀️有效時，執行(hang)該功能模塊(kuai)的程序，如标(biao)志位無效，則(ze)跳過向下執(zhí)行。當程序執(zhi)行到最後，再(zài)循環返回到(dào)初始🍓化之後(hòu)。
 
　　标準電流輸(shu)出模塊和RS485串(chuàn)行通信模塊(kuai)标志位是由(you)掃描撥碼開(kai)關部分所決(jue)定的;數據存(cún)儲部分通過(guò)不斷地讀🧡取(qu)時鍾芯片DS1307來(lái)💃🏻判斷是否到(dào)了預先設定(ding)的存儲💞時間(jian)，到存儲時間(jian)後進入數據(ju)存儲子程序(xù)。RS485通信實現了(le)數據的遠程(cheng)傳輸♌，人們不(bú)必直接到現(xian)場去查看各(gè)種儀表的參(can)數值,通過觀(guan)看通訊界面(miàn)即可獲得當(dāng)前和曆史數(shù)據。
5結束語.
　　由(yóu)于采用霍爾(ěr)傳感器進行(háng)位移檢測，使(shi)流量計的轉(zhuan)換器不需要(yao)任何可動的(de)機械零件,實(shí)現了全電子(zǐ)化和小型化(hua)，大大🍓降低了(le)回差;采用16位(wèi)單片機進行(hang)線性🈲修正和(hé)運算,可使流(liú)量計的流量(liàng)指示精度由(yóu)2.0級提高到1.0級(ji)。
由以上分析(xī)可見，由于采(cǎi)用霍爾傳感(gan)器和16位單片(piàn)機，使流量計(ji)實現了小型(xíng)化、數字化和(hé)智能化,提高(gāo)😄了流量計⭕的(de)精度,增加了(le)流量計的功(gōng)能，并使得開(kāi)發現場總線(xiàn)型的流量計(ji)成爲🐕可能。

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