引(yǐn)言
在工(gōng)業生産(chǎn)和科(kē)研(yán)測量中(zhōng)，經常遇到小流(liú)量、低雷諾數的流量測量(liàng)。浮子流量計由于具(jù)有靈(líng)敏度高，測量範圍寬，壓力(lì)損失較小且恒(héng)定，測量介(jiè)質種(zhǒng)類多，工作可靠(kào)，維護簡便，對儀(yí)表(biǎo)前直管段要(yào)求不(bú)高等優點，已被廣泛應用(yòng)。
浮子(zǐ)流量計的(de)浮子(zǐ)位(wèi)移與流(liú)量(liàng)之(zhī)間存在明(míng)确對應(yīng)的(de)函(hán)數關系(xì)，測出浮子(zǐ)位移(yí)即(jí)可确定流量(liàng)大小。金屬(shǔ)管(guǎn)浮(fú)子(zǐ)流量計(jì)(以下簡稱流(liú)量(liàng)計)可以連(lián)續測量封閉管(guǎn)道内(nèi)液體(tǐ)、氣(qì)體或蒸汽(qì)的(de)流量(liàng)，既能(néng)就地指示(shì)，又(yòu)能(néng)遠傳信(xìn)号(hào)，可實(shí)現流量測量值的遠(yuǎn)距離顯示(shì)、記錄、計算(suàn)、調節控制(zhì)等功能，因(yīn)此廣泛應(yīng)用于(yú)石油、化(huà)工(gōng)、能源(yuán)、冶金、醫藥(yào)、輕工、國防等部門的(de)流量(liàng)檢測及過(guò)程控制。由于流(liú)量計的(de)浮子位移不(bú)能直接讀出，所以将磁鋼封入浮子内，由(yóu)設在轉換器内(nèi)的磁(cí)藕(ǒu)合機構得到浮(fú)子(zǐ)位移，并由位(wèi)移傳感(gǎn)器将與流量對(duì)應的浮(fú)子位移轉換成(chéng)電(diàn)信号(hào)，以實(shí)現遠傳輸(shū)出。目(mù)前常(cháng)用的(de)位移(yí)傳感器有(yǒu)兩種(zhǒng):差動變壓器式傳(chuán)感器和電容式角(jiǎo)位移(yí)傳感器。但是使(shǐ)用這(zhè)兩種位(wèi)移(yí)傳感器要獲得(dé)與流量(liàng)對(duì)應的(de)位移信号(hào)，需要通過磁鋼藕合(hé)以及(jí)相應的(de)四連杆、凸輪等機(jī)械機構(gòu)進(jìn)行非(fēi)線性修正和傳(chuán)動來實現，這就(jiù)會造(zào)成轉換器傳動環節(jiē)多、結(jié)構複雜(zá)、存在摩(mó)擦力、回差(chà)增大(dà)，從而降低流量(liàng)計的(de)測量(liàng)精度(dù)。因此無(wú)法(fǎ)實現流量計的轉換(huàn)器全電子化、小型(xíng)化(huà)以及在此(cǐ)基礎上的(de)智能(néng)化。爲此，推(tuī)出采(cǎi)用霍爾(ěr)傳(chuán)感器(qì)檢測(cè)浮子位移(yí)、利用16位低功耗(hào)單片機(jī)作爲核(hé)心處理(lǐ)器(qì)的智(zhì)能流量計。
2系統構成原理
該流量(liàng)計采(cǎi)用線性(xìng)霍爾(ěr)傳感器檢(jiǎn)測浮(fú)子(zǐ)位(wèi)移，配(pèi)合單片機(jī)應用(yòng)系統(tǒng)，完(wán)全(quán)去掉(diào)了磁(cí)鋼禍合、非(fēi)線性(xìng)修(xiū)正及傳(chuán)動等機(jī)械(xiè)機構(gòu)。其工(gōng)作(zuò)原理如圖1所示(shì)。
當被(bèi)測流(liú)體自(zì)下而上流過錐(zhuī)管時，浮子産生(shēng)位移，通(tōng)過線性霍爾(ěr)傳感器的(de)磁力線角度就(jiù)會發生變化，從(cóng)而使霍爾傳感(gǎn)器輸(shū)出相應電(diàn)壓。該(gāi)輸出電(diàn)壓(yā)輸入(rù)到單(dān)片機(jī)應用系(xì)統(tǒng)進行(háng)處理(lǐ)後，可(kě)輸出與流(liú)量對應的(de)标準電流信(xìn)号(hào)，也可(kě)通過(guò)标準通信接口進行(háng)數據遠程交換。
在流量計的轉(zhuǎn)換器中對應浮(fú)子位(wèi)移範圍中(zhōng)間位置處(chù)放置(zhì)兩個特性一緻(zhì)的霍爾傳感器(qì)，兩個霍爾傳感(gǎn)器的磁敏(mǐn)感面互成900。霍爾傳感(gǎn)器的輸出電壓爲:
e1=k1·i1·b1·-sin θ
e2=k2·i2·b2·sin (90°-θ)
式中:
k1、k2爲(wèi)霍爾(ěr)靈敏度系(xì)數;
i1、i2爲(wèi)霍爾元件(jiàn)的激(jī)勵電流(liú);
b1 、b2爲霍爾(ěr)傳感(gǎn)器所處位(wèi)置的磁(cí)感應強(qiáng)度;
θ爲(wèi)磁力線相(xiàng)對于霍爾傳感器的磁(cí)敏(mǐn)感面(miàn)的傾斜(xié)角。
因爲(wèi)兩個霍爾傳感(gǎn)器選用特性一緻的同一型号(hào)霍爾(ěr)傳感器，采(cǎi)用同(tóng)一激勵電流，處于同一高(gāo)度位置，所以(yǐ)有(yǒu)k1= k2, i1= i2，b1= b2。因此可得(dé):
e1/ e2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(e1/ e2)
可見，由e,, e2可求出(chū)磁力(lì)線的(de)傾斜角。
由(yóu)圖1可見，随(suí)着浮(fú)子上(shàng)升，通過霍(huò)爾傳感器(qì)的磁(cí)力線的角度順時針(zhēn)變化，因此求出(chū)傾斜角θ就(jiù)可以(yǐ)得出浮(fú)子(zǐ)的位移。
3單片機(jī)應用系(xì)統硬件(jiàn)設計
單片機應用(yòng)系統的原理(lǐ)框圖如圖2所示。系統(tǒng)控制(zhì)器爲一片msp430f149單片(piàn)機。m sp430f149的(de)主要(yào)特(tè)性與功(gōng)能如下:
(1)超低電(diàn)流消(xiāo)耗:具有cpuoff和oscoff模式，可在電壓降至1.8v情況(kuàng)下工(gōng)作。
(2)基礎時(shí)鍾模塊:包(bāo)括1個(gè)數控(kòng)振蕩(dàng)器(dco)和(hé)2個晶體振蕩器。
(3)系統(tǒng)内置模(mó)塊(kuài):lcd驅動器、a/d轉(zhuǎn)換器、1/o口、usart串(chuàn)口、看門狗、定時(shí)器、硬件乘法器(qì)、模拟比較(jiào)器、eprom等。
(4) 16位risc結(jié)構(gòu)，125as指令周(zhōu)期，等待方(fāng)式進(jìn)行喚醒的(de)時間(jiān)爲61xso
(5)軟件可在ram中(zhōng)運行。程序可通(tōng)過uart或(huò)測試(shì)引腳裝入(rù)ram，并能在實(shí)時(shí)條件下(xià)運行(háng)。可降低(dī)試(shì)驗(yàn)和(hé)調試的開(kāi)銷。
(6)僅(jǐn)3種指令(lìng)格式，全部爲正(zhèng)交(jiāo)結構(gòu)，簡化(huà)了程序的(de)開發。rom讀取(qǔ)、ram存(cún)取、數據處理、i/o及其(qí)他外圍操作都使用公共指令(lìng)，無(wú)特殊指令。
(7)系統工作穩定(dìng)。上(shàng)電複(fú)位後，首先由dcoclk啓動(dòng)cpu，以保證程序(xù)從正(zhèng)确的(de)位置(zhì)開始執行(háng)，保證晶體振蕩(dàng)器有(yǒu)足夠的起(qǐ)振及(jí)穩定(dìng)時間。如果(guǒ)晶體振蕩(dàng)器在用作cpu時鍾(zhōng)mclk時發生故(gù)障(zhàng)，dco會(huì)自動啓動(dòng)，以保(bǎo)證系統正常工作;如(rú)果程(chéng)序跑(pǎo)飛，看門狗(gǒu)可将(jiāng)其複位(wèi)。
(8)具有(yǒu)高(gāo)級語言編程能(néng)力，已(yǐ)開(kāi)發(fā)了c一(yī)編譯(yì)器，支持jtag仿(páng)真。
線(xiàn)性霍(huò)爾傳(chuán)感器(qì)将(jiāng)浮子位(wèi)移轉換成電壓(yā)信号(hào)，經(jīng)放大器(qì)放大後，由16位mcu進(jìn)行運(yùn)算(suàn)處理和(hé)非線性修(xiū)正後求得流量值，一(yī)方面送(sòng)lcd顯示器(qì)顯示，另一方面(miàn)送入dac轉換成模(mó)拟量，再(zài)經(jīng)輸出(chū)轉換電路轉換(huàn)成标(biāo)準電(diàn)流信(xìn)号輸出(chū)。另外，還(hái)可通過串行通(tōng)信接口rs485與(yǔ)上位機進行數據交換。
4軟件(jiàn)設計
軟件的主流(liú)程圖(tú)如圖3所示。單片(piàn)機在(zài)上電和複(fú)位的時候(hòu)，先要執行(háng)初始(shǐ)化程(chéng)序。然後(hòu)，依(yī)次判斷功(gōng)能(néng)模塊的(de)标志位，當标志(zhì)位有效時(shí)，執行(háng)該功(gōng)能模(mó)塊的程序，如标志位無效，則跳過向(xiàng)下執行(háng)。當程序(xù)執行到最(zuì)後，再(zài)循環返回到初(chū)始化之後(hòu)。
标準電流輸(shū)出模塊(kuài)和rs485串行(háng)通信模(mó)塊标志位是由(yóu)掃描(miáo)撥碼開關部分(fèn)所決定的(de);數據存(cún)儲部分(fèn)通過(guò)不(bú)斷地讀(dú)取時鍾(zhōng)芯(xīn)片ds1307來判斷(duàn)是(shì)否到了(le)預先設定的存(cún)儲時間，到存儲(chǔ)時間後進入數據存儲子程序(xù)。rs485通信實現了數據的遠程(chéng)傳輸，人們不必(bì)直接(jiē)到現(xiàn)場(chǎng)去查看各種儀表(biǎo)的參(cān)數值，通過觀看(kàn)通訊界(jiè)面即可獲得(dé)當前(qián)和曆(lì)史數據(jù)。
5結束語
由于(yú)采用霍爾(ěr)傳感器進(jìn)行位移檢測，使流量計的轉換(huàn)器不(bú)需要任何可動(dòng)的機械零件，實(shí)現了全(quán)電子化(huà)和小(xiǎo)型(xíng)化(huà)，大大(dà)降(jiàng)低(dī)了回差;采(cǎi)用16位(wèi)單片機進行線性(xìng)修(xiū)正和(hé)運算(suàn)，可(kě)使(shǐ)流量(liàng)計的(de)流量指示(shì)精确(què)度由(yóu)2.0級提(tí)高到(dào)1.0級。
由(yóu)以上(shàng)分析可見，由于(yú)采用霍爾傳感(gǎn)器和16位單(dān)片機(jī)，使流(liú)量計實現(xiàn)了小型(xíng)化、數字(zì)化和(hé)智能(néng)化，提(tí)高了流量(liàng)計的精度，增加(jiā)了流(liú)量計的功能，并(bìng)使得現(xiàn)場總線(xiàn)型的流量(liàng)計成(chéng)爲可(kě)能。
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