摘(zhai)要:介(jie)紹采(cai)用霍(huo)爾傳感器(qi)檢測(ce)浮子(zi)位移(yi)、利用低(di)功(gong)耗單(dan)片機(ji)作爲(wei)核心(xin)處理(li)器的 金屬(shu)管浮子(zi)流(liu)量計(ji) ，着重介紹(shao)利用(yong)霍爾(er)傳(chuan)感器對(dui)浮子位移(yi)進行(hang)檢測(ce)的基本原(yuan)理以及霍爾傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)處理系(xi)統(tong)的硬(ying)件、軟件(jian)設(she)計，分析這種智能金(jin)屬管(guan)轉子流量(liang)計 的(de)主(zhu)要特點(dian)。
1引言
　　在工(gong)業生(sheng)産和科研(yan)測量(liang)中，經常遇(yu)到小(xiao)流量(liang)、低雷(lei)諾數(shu)的流(liu)量(liang)測量。 浮(fu)子流(liu)量計 由于(yu)具有靈敏(min)度高，測量(liang)範圍寬,壓(ya)力損失較小且恒定(ding)，測(ce)量(liang)介質(zhi)種類多，工(gong)作可靠,維護(hu)簡(jian)便,對(dui)儀表(biao)前直(zhi)管段(duan)要求不高(gao)等優(you)點,已(yi)被廣(guang)泛應(ying)用。
　　浮(fu)子流量計(ji)的浮子(zi)位(wei)移與(yu)流量之間存在(zai)明确對(dui)應(ying)的函(han)數關系，測出浮(fu)子位(wei)移即(ji)可确定流量大(da)小。金(jin)屬管(guan)浮子(zi)流量(liang)計(以下簡稱流(liu)量計)可(ke)以(yi)連續(xu)測量封閉管道(dao)内液體、氣體或(huo)蒸汽的(de)流量,既(ji)能就地指(zhi)示，又(you)能遠(yuan)傳(chuan)信号,可(ke)實現(xian)流(liu)量測量(liang)值的(de)遠(yuan)距(ju)離顯(xian)示、記錄、計.算、調(diao)節控制(zhi)等功能(neng),因此(ci)廣泛應用(yong)于石(shi)油(you)、化(hua)工、能(neng)源、冶金(jin)、醫(yi)藥、輕(qing)工、國(guo)防(fang)等(deng)部門(men)]的流量檢測及(ji)過程控制(zhi)。由于(yu)流量計的(de)浮子(zi)位移(yi)不能直接(jie)讀出(chu),所(suo)以将磁(ci)鋼封入浮子内(nei)，由設在轉換器内的磁耦合機(ji)構得到浮(fu)子位移，并(bing)由位移傳(chuan)感器(qi)将(jiang)與(yu)流量對應(ying)的浮子位(wei)移轉換成(cheng)電信(xin)号，以(yi)實(shi)現(xian)遠傳(chuan)輸出。目前(qian)常用(yong)的位(wei)移傳感器(qi)有兩種(zhong):差功變(bian)壓器式傳(chuan)感器(qi)和電(dian)容式(shi)角位移傳(chuan)感(gan)器。但是(shi)使用這(zhe)兩(liang)種位(wei)移傳(chuan)感器(qi)要獲(huo)得與流量對應的位(wei)移信(xin)号,需(xu)要通過磁鋼耦(ou)合以及相應的(de)四連(lian)杆、凸(tu)輪等(deng)機械機(ji)構進行(hang)非線性修正和傳動(dong)來(lai)實(shi)現，這(zhe)就會造成(cheng)轉換器傳(chuan)動環節多(duo)、結構複(fu)雜(za)、存在(zai)摩擦力(li)、回差增(zeng)大,從而降(jiang)低流(liu)量計(ji)的測(ce)量精(jing)度。因此(ci)無(wu)法實現流(liu)量計(ji)的轉(zhuan)換器全電(dian)子化(hua)、小塑化以及在(zai)此基礎上的智(zhi)能化(hua)。爲(wei)此(ci)，推出(chu)采用霍爾(er)傳感器檢(jian)測浮子位(wei)移、利(li)用(yong)16位(wei)低功(gong)耗單(dan)片機作爲(wei)核心處(chu)理(li)器的(de)智能流量(liang)計。
2系(xi)統構(gou)成原(yuan)理
　　該(gai)流量計(ji)采用線(xian)性霍爾傳(chuan)感器檢測(ce)浮子(zi)位移(yi),配合單(dan)片(pian)機應用系(xi)統(tong)，完全去(qu)掉了(le)磁(ci)鋼耦合(he)、非線性(xing)修(xiu)正及(ji)傳動等(deng)機(ji)械機(ji)構。其(qi)工作(zuo)原理(li)如圖(tu)1所示(shi)。
 
　　當被測流體(ti)自下而(er)上流過(guo)錐(zhui)管時(shi)，浮子産生(sheng)位移(yi)，通過線(xian)性(xing)霍爾傳感(gan)器的磁力(li)線角(jiao)度就(jiu)會發(fa)生變(bian)化(hua)，從而使(shi)霍爾傳(chuan)感器輸(shu)出相(xiang)應(ying)電(dian)壓。該(gai)輸出電壓輸入(ru)到單(dan)片(pian)機應用(yong)系統(tong)進行(hang)處理(li)後，可(ke)輸(shu)出與流(liu)量對(dui)應(ying)的标準(zhun)電流信号,也可(ke)通過(guo)标準(zhun)通信(xin)接口(kou)進行(hang)數據(ju)遠程(cheng)交(jiao)換(huan)。
　　在流(liu)量計的(de)轉換器(qi)中對應(ying)浮(fu)子位(wei)移範圍中(zhong)間位(wei)置處放置(zhi)兩個特性(xing)一緻(zhi)的霍(huo)爾傳感器,兩個(ge)霍爾傳感器的(de)磁敏(min)感(gan)面互成90*。霍爾傳感器的(de)輸出(chu)電(dian)壓爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式(shi)中:
K1、K2爲(wei)霍(huo)爾(er)靈敏(min)度系(xi)數;
I1、I2爲(wei)霍爾元件(jian)的(de)激(ji)勵電(dian)流;
B1、B2爲霍(huo)爾(er)傳感(gan)器所(suo)處(chu)位(wei)置的(de)磁感(gan)應強(qiang)度;
θ爲(wei)磁力線相對于(yu)霍爾傳感(gan)器的(de)磁敏感(gan)面的傾(qing)斜角。
　　因爲(wei)兩個(ge)霍爾傳感(gan)器選(xuan)用特性一(yi)緻的(de)同--型(xing)号霍(huo) 爾傳(chuan)感器,采用同一(yi)激勵(li)電流,處于(yu)同一-高(gao)度(du)位置,所以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(jian)，由(you)E1、E2可(ke)求出(chu)磁力線(xian)的(de)傾斜(xie)角。
　　由(you)圖1可(ke)見，随(sui)着浮(fu)子(zi)上升,通(tong)過霍(huo)爾(er)傳(chuan)感器(qi)的磁力線的角(jiao)度順時針(zhen)變化(hua)，因此(ci)求出(chu)傾斜(xie)角0就可(ke)以得出(chu)浮子的位(wei)移。
3單(dan)片機應用(yong)系統硬件設計
 
　　單片(pian)機應用(yong)系(xi)統的原理(li)框(kuang)圖如圖(tu)2所示。系統(tong)控制器爲一(yi)片MSP430F149單片(pian)機。MSP430F149的(de)主要(yao)特性(xing)與功(gong)能如(ru)下:
(1)超(chao)低電流消耗:具(ju)有CPUOFF和OSCOFF模式(shi)，可在(zai)電壓降至(zhi)1.8V情況下工(gong)作(zuo)。
(2)基(ji)礎時(shi)鍾模塊:包(bao)括1個數控振蕩(dang)器(DCO)和(he)2個晶體振(zhen)蕩器(qi)。
(3)系統(tong)内置(zhi)模塊(kuai):LCD驅動(dong)器、A/D轉(zhuan)換器(qi)、I/O口、USART串(chuan)口、看門狗(gou)、定時器、硬(ying)件乘(cheng)法器(qi)、模拟(ni)比較(jiao)器、EPROM等。
(4)16位RISC結(jie)構，125as指令周(zhou)期(qi)，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(huo)測試(shi)引腳(jiao)裝入(ru)RAM，并能(neng)在實(shi)時條(tiao)件下(xia)運行。可降(jiang)低試驗和(he)調(diao)試的開(kai)銷。
(6)儀(yi)3種指令格(ge)式，全(quan)部(bu)爲(wei)正交(jiao)結構(gou)，簡化(hua)了程(cheng)序的(de)開發。ROM讀取(qu)、RAM存取(qu)、數(shu)據處理(li)、1/O及其(qi)他外(wai)圍操(cao)作都使用(yong)公共(gong)指令(ling)，無(wu)特(te)殊指(zhi)令。
(7)系統(tong)工(gong)作穩(wen)定。上電複(fu)位後(hou)，首先(xian)由DCOCLK啓(qi)動CPU,以保證(zheng)程(cheng)序(xu)從正(zheng)确的(de)位(wei)置(zhi)開始(shi)執行，保證晶體(ti)振蕩(dang)器有(you)足夠(gou)的起振及(ji)穩定(ding)時間。如果晶體(ti)振蕩器(qi)在用作(zuo)CPU時鍾(zhong)MCLK時發(fa)生故障,DCO會(hui)自(zi)動(dong)啓動(dong)，以保(bao)證(zheng)系(xi)統正常工(gong)作(zuo);如果程(cheng)序跑(pao)飛，看(kan)門狗(gou)可将(jiang)其複位。
(8)具(ju)有高級語言編程能(neng)力,已開發(fa)了C-編譯(yi)器，支持JTAG仿真(zhen)。
　　線(xian)性霍爾(er)傳感器(qi)将浮子(zi)位移(yi)轉(zhuan)換成電(dian)壓信(xin)号,經(jing)放大(da)器放大後，由16位(wei)MCU進行運算(suan)處理和非(fei)線(xian)性修正(zheng)後求得流量值(zhi)，一方面(mian)送LCD顯示(shi)器顯示，另一方(fang)面送(song)入DAC轉換成(cheng)模拟(ni)量，再經輸出轉(zhuan)換電路轉(zhuan)換成标準(zhun)電流(liu)信号輸出(chu)。另外(wai)，還可通(tong)過(guo)串行(hang)通信接口(kou)RS485與上(shang):位機進行(hang)數據(ju)交換。
4軟件設計(ji)
　　軟件(jian)的主(zhu)流程(cheng)圖如圖3所示。單(dan)片機在(zai)上(shang)電和(he)複位的時(shi)候，先(xian)要執行(hang)初(chu)始化(hua)程序(xu)。然(ran)後(hou)，依次(ci)判斷(duan)功能(neng)模塊(kuai)的标(biao)志位(wei)，當标(biao)志位有(you)效(xiao)時，執(zhi)行該功能模塊(kuai)的程序(xu)，如(ru)标志(zhi)位無效，則(ze)跳過(guo)向下執行。當程(cheng)序執(zhi)行到最後(hou)，再循環(huan)返(fan)回到初始(shi)化之(zhi)後。
 
　　标(biao)準電流輸(shu)出模塊和(he)RS485串行通信(xin)模塊标志位是(shi)由掃描撥(bo)碼開(kai)關部(bu)分(fen)所決定(ding)的;數(shu)據(ju)存儲部(bu)分通過不斷地讀取(qu)時(shi)鍾(zhong)芯片(pian)DS1307來判斷是(shi)否到了預(yu)先設(she)定的(de)存儲(chu)時間(jian)，到存儲時間後進入(ru)數據存儲(chu)子程(cheng)序。RS485通(tong)信實現了(le)數據的遠(yuan)程傳(chuan)輸，人(ren)們(men)不必直(zhi)接到(dao)現場(chang)去查(cha)看各(ge)種儀表的(de)參數值(zhi),通(tong)過觀(guan)看通(tong)訊(xun)界(jie)面即(ji)可獲得當前和曆史(shi)數據(ju)。
5結束(shu)語.
　　由于(yu)采用霍(huo)爾傳感器(qi)進行(hang)位移(yi)檢測(ce)，使流(liu)量計(ji)的轉換器(qi)不需要(yao)任(ren)何可(ke)動的(de)機(ji)械零件(jian),實現(xian)了(le)全電子(zi)化和(he)小(xiao)型化，大(da)大降低了(le)回差;采用(yong)16位單(dan)片機(ji)進行線(xian)性修正(zheng)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(ji)。
由以上(shang)分析可見，由于(yu)采用(yong)霍(huo)爾(er)傳感(gan)器和(he)16位單片機(ji)，使流量計(ji)實現(xian)了小(xiao)型化、數字(zi)化和智(zhi)能(neng)化,提高了(le)流量計的(de)精度(du),增加(jia)了流(liu)量計(ji)的功(gong)能，并(bing)使得(de)開發(fa)現場總線(xian)型的(de)流量(liang)計成爲可(ke)能。

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