摘要:介紹(shao)采用霍爾傳感器(qì)檢測浮子位移、利(lì)用低功耗單片機(ji)作爲核心處理器(qi)的 金屬管浮子流(liu)量計 ，着重介紹利(lì)用霍爾傳感器對(dui)浮子位移進行檢(jiǎn)測的🐅基本原理以(yǐ)及霍爾傳感器輸(shū)出信号處理系統(tǒng)👅的硬件、軟🔆件設🧑🏾‍🤝‍🧑🏼計(ji)，分析這種智能金(jin)屬管轉子流量計(ji) 的主要特點。
1引言(yan)
　　在工業生産和科(ke)研測量中，經常遇(yù)到小流量、低雷諾(nuò)數的流💛量測量。 浮(fú)子流量計 由于具(ju)有靈敏度高，測量(liang)範圍寬,壓力損失(shī)較小且恒定🈚，測量(liàng)介♍質種類多，工作(zuò)可靠,維護簡便,對(duì)儀表前直🏃🏻管段🔅要(yao)求🙇‍♀️不高等優點,已(yǐ)被廣泛應用。
　　浮子(zǐ)流量計的浮子位(wèi)移與流量之間存(cún)在明确對🈲應的函(han)數關💯系，測出浮子(zi)位移即可确定流(liu)量大小。金屬管浮(fu)子流量計(以下簡(jian)稱流量計)可以連(lián)續測量封閉管道(dao)内液體、氣體或蒸(zheng)🍉汽的流量,既能就(jiu)地指示，又能遠傳(chuán)信号,可實現流☔量(liàng)測量值的遠距離(li)🏃‍♀️顯示、記錄、計.算、調(diao)節控制等功能,因(yin)此廣泛應用于🍉石(shi)油、化工、能源、冶金(jin)、醫藥、輕工、國防等(děng)部門]的流量檢測(ce)及過程控制👅。由于(yú)流量計的浮子位(wei)移不能直接♉讀出(chu),所以将磁鋼封入(rù)浮子内，由設在轉(zhuan)換器内的磁耦合(hé)🐆機構得到浮子位(wèi)移，并由位移傳感(gǎn)器将與流量對應(ying)的浮子位移☀️轉換(huàn)成電信号，以實現(xian)遠傳輸出。目前常(cháng)用的位移傳感器(qì)有兩種:差功變壓(yā)⚽器式傳感器和電(diàn)容式角位移傳感(gǎn)器。但是使用這兩(liǎng)種位移🔞傳感器要(yào)獲得與流量對應(ying)的位移信号,需要(yao)通過磁鋼耦合以(yǐ)及相應的四連杆(gǎn)、凸輪等機械機構(gòu)進行非線性修正(zhèng)和傳動來實現，這(zhè)就會造成轉換器(qi)傳☁️動環節多、結構(gou)複雜、存在摩擦力(lì)、回差增大,從而降(jiàng)低流量計的測量(liàng)精度。因此無法實(shí)現流量計的轉換(huan)器全電子化、小塑(su)化以及在此基礎(chǔ)上的智能化。爲此(ci)，推出采用🥰霍爾傳(chuan)感器檢測浮子位(wei)移、利用16位低功耗(hao)😍單片機作爲核心(xin)處理器的智🤞能流(liu)量計。
2系統構成原(yuán)理
　　該流量計采用(yòng)線性霍爾傳感器(qi)檢測浮子位移,配(pei)合💋單片✂️機應🈲用系(xi)統，完全去掉了磁(cí)鋼耦合、非線性修(xiū)正及傳動等機械(xiè)機構。其工作原理(lǐ)如圖1所示。
 
　　當被測(cè)流體自下而上流(liu)過錐管時，浮子産(chǎn)生位移，通過線性(xìng)🔱霍爾傳感器的磁(cí)力線角度就會發(fā)生變化，從🏃而使🎯霍(huò)爾傳感🔞器輸出相(xiàng)應電壓。該輸出電(diàn)壓🤟輸入到單片機(jī)應用系統進行處(chu)理後，可輸出與流(liu)量對應的标準電(diàn)流信号,也可通過(guo)标準通信接口進(jìn)行數據遠程交換(huàn)。
　　在流量計的轉換(huàn)器中對應浮子位(wèi)移範圍中間位置(zhi)處放🙇‍♀️置兩個特性(xing)一緻的霍爾傳感(gan)器,兩個霍爾傳感(gǎn)器的磁敏感面互(hù)成90*。霍爾傳感器的(de)輸出電壓爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中(zhōng):
K1、K2爲霍爾靈敏度系(xi)數;
I1、I2爲霍爾元件的(de)激勵電流;
B1、B2爲霍爾(ěr)傳感器所處位置(zhi)的磁感應強度;
θ爲(wei)磁力線相對于霍(huò)爾傳感器的磁敏(mǐn)感面的傾斜角。
　　因(yin)爲兩個霍爾傳感(gǎn)器選用特性一緻(zhi)的同--型号霍 爾傳(chuán)感器,采用同一激(ji)勵電流,處于同一(yi)-高度位置🐆,所以K1=K2,I1=l2,B1=B2。因(yin)此💁可得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見，由E1、E2可(ke)求出磁力線的傾(qīng)斜角。
　　由圖1可見，随(sui)着浮子上升,通過(guò)霍爾傳感器的磁(ci)力線的角📐度順時(shí)針變化，因此求出(chū)傾斜角0就可以得(de)出浮子的位移。
3單(dān)片機應用系統硬(ying)件設計
 
　　單片機應(yīng)用系統的原理框(kuàng)圖如圖2所示。系統(tǒng)控制器爲一片MSP430F149單(dān)片機。MSP430F149的主要特性(xing)與功能如下:
(1)超低(di)電流消耗:具有CPUOFF和(he)OSCOFF模式，可在電壓降(jiang)至1.8V情況下工🛀作。
(2)基(jī)礎時鍾模塊:包括(kuo)1個數控振蕩器(DCO)和(he)2個晶體振蕩器💁。
(3)系(xi)統内置模塊:LCD驅動(dong)器、A/D轉換器、I/O口、USART串口(kou)、看門狗、定時器、硬(ying)🙇‍♀️件乘法器、模拟比(bǐ)較器、EPROM等。
(4)16位RISC結構，125as指(zhi)令周期，等待方式(shì)進行喚醒的時間(jian)爲6Ixs.
(5)軟件可在RAM中運(yùn)行。程序可通過UART或(huò)測試引腳裝入RAM，并(bìng)能在實時條🈲件下(xia)運行。可降低試驗(yan)和調試的開銷。
(6)儀(yi)3種指令格式，全部(bu)爲正交結構，簡化(huà)了程序的開發☎️。ROM讀(dú)取💞、RAM存⭕取、數據處理(li)、1/O及其他外圍操作(zuo)都使用公共指令(lìng)，無特殊指令🔴。
(7)系統(tǒng)工作穩定。上電複(fú)位後，首先由DCOCLK啓動(dòng)CPU,以保證程序從正(zheng)确☀️的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩(dang)器有足夠的🌈起振(zhèn)🏃🏻及穩定時間。如果(guǒ)晶體振蕩器在用(yong)作CPU時鍾MCLK時發生故(gù)障,DCO會自動啓動，以(yi)保證系♉統正常工(gong)作;如果程序跑飛(fei)，看門狗可将其🈲複(fu)位。
(8)具有高級語言(yán)編程能力,已開發(fa)了C-編譯器，支持JTAG仿(pang)真。
　　線性霍爾傳感(gǎn)器将浮子位移轉(zhuan)換成電壓信号,經(jing)放大器🎯放大後，由(you)16位MCU進行運算處理(li)和非線性修正後(hou)求🔞得流🔞量值，一方(fang)面送LCD顯示器顯示(shi)，另一方面送入DAC轉(zhuan)換🈚成模拟量，再經(jīng)輸出轉🈲換電路轉(zhuǎn)換成标準電流信(xin)号輸出。另外，還可(kě)通過串行通信接(jiē)口RS485與上:位機進行(hang)數據交換。
4軟件設(she)計
　　軟件的主流程(cheng)圖如圖3所示。單片(piàn)機在上電和複位(wei)💯的時候，先要執行(háng)初始化程序。然後(hòu)，依次判斷功能模(mo)塊的标志位😘，當标(biāo)志位⭐有效時，執行(hang)該功能模塊🌈的程(chéng)序，如标志位無效(xiào)，則跳過向下執行(háng)。當程序執行到最(zuì)後，再循環返👌回到(dào)初始化之後。
 
　　标準(zhǔn)電流輸出模塊和(he)RS485串行通信模塊标(biāo)志位是由掃描撥(bō)✉️碼開關部分所決(jue)定的;數據存儲部(bù)分通過🔴不斷☀️地讀(dú)取時鍾芯♋片DS1307來🈲判(pan)斷是否到了預先(xiān)設定的存儲時間(jian)，到存儲時💋間後進(jìn)入數據存儲子程(cheng)序。RS485通信實現了數(shù)據的📞遠程傳輸，人(ren)們不必👣直接到現(xiàn)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻場去查看各種儀(yí)表的參數值,通過(guò)觀㊙️看通訊界面即(ji)可獲得當前和曆(li)史數據。
5結束語.
　　由(yóu)于采用霍爾傳感(gan)器進行位移檢測(ce)，使流量計的轉換(huan)器不需要任何可(kě)動的機械零件,實(shi)現了全電子化和(he)小型化，大大降低(di)了回差;采用16位單(dān)片機進行線性修(xiū)正和運算,可🐉使流(liu)量計的流量指示(shi)精度由2.0級提高到(dao)1.0級。
由以上分析可(ke)見，由于采用霍爾(ěr)傳感器和16位單片(pian)機，使流量計實現(xiàn)了小型化、數字化(hua)和智能化,提高了(le)流❌量計的精度,增(zēng)加了流量計的功(gōng)能，并使得開發現(xiàn)場☁️總線型的流量(liang)計成爲可能。

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