摘要:介紹(shào)采(cǎi)用霍(huò)爾傳感器(qì)檢測浮子位移(yí)、利用低功耗單片機作爲(wèi)核心(xīn)處理(lǐ)器的
金屬(shǔ)管浮子流量計
，着重(zhòng)介(jiè)紹利用(yòng)霍爾傳(chuán)感器對浮子(zǐ)位移進行(háng)檢測的基(jī)本原理以(yǐ)及霍爾傳感器輸出信号(hào)處理系統(tǒng)的硬(yìng)件(jiàn)、軟件設計，分(fèn)析這種智能金(jīn)屬管(guǎn)轉子(zǐ)流量(liàng)計
的(de)主(zhǔ)要特點。
1引言(yán)
在工(gōng)業生産(chǎn)和(hé)科研測量(liàng)中，經常遇(yù)到小(xiǎo)流量、低(dī)雷(léi)諾數(shù)的流量測量。
浮(fú)子流(liú)量計
由于具有靈敏度高(gāo)，測量(liàng)範圍(wéi)寬,壓(yā)力損失較(jiào)小且恒定(dìng)，測量介質(zhì)種類多，工作可(kě)靠,維護簡便,對(duì)儀表前(qián)直管段要求不(bú)高等優點,已被廣泛應(yīng)用。
浮(fú)子流量計(jì)的(de)浮子位移與(yǔ)流量(liàng)之間存在(zài)明确對應的函(hán)數關(guān)系(xì)，測出浮(fú)子位移即可确定流(liú)量大小。金(jīn)屬管浮子(zǐ)流量(liàng)計(以下簡稱流量計)可(kě)以(yǐ)連續測量(liàng)封閉(bì)管道(dào)内液體、氣體或(huò)蒸汽的流量,既(jì)能就地指(zhǐ)示，又(yòu)能遠(yuǎn)傳(chuán)信号,可(kě)實現(xiàn)流量測量(liàng)值的遠距離顯(xiǎn)示、記錄、計(jì).算、調(diào)節控制(zhì)等功能(néng),因此廣(guǎng)泛(fàn)應用(yòng)于石油、化(huà)工、能(néng)源、冶(yě)金、醫(yī)藥、輕(qīng)工、國防等部(bù)門(mén)]的流(liú)量檢(jiǎn)測及過程(chéng)控制。由于(yú)流量(liàng)計(jì)的(de)浮子位移(yí)不能直接(jiē)讀出(chū),所以将磁鋼封入浮子内(nèi)，由設在(zài)轉換器(qì)内的磁耦合機(jī)構得到浮子位(wèi)移，并(bìng)由位移傳感器(qì)将(jiāng)與(yǔ)流量(liàng)對應的(de)浮子位(wèi)移轉換成(chéng)電信(xìn)号(hào)，以(yǐ)實現(xiàn)遠傳(chuán)輸出。目前常用的位移傳(chuán)感器(qì)有兩(liǎng)種:差(chà)功變(biàn)壓器式傳感器(qì)和電(diàn)容式角位移傳感(gǎn)器(qì)。但是(shì)使用這兩種位(wèi)移傳(chuán)感器要獲得與流量對應(yīng)的位移信号,需(xū)要通(tōng)過磁(cí)鋼耦合以及相應的(de)四連杆、凸(tū)輪等(děng)機械機構進行(háng)非線(xiàn)性修(xiū)正和傳動來實現，這(zhè)就會造成(chéng)轉換(huàn)器傳(chuán)動環節多、結構(gòu)複雜(zá)、存在(zài)摩擦(cā)力、回差增(zēng)大,從而降低流(liú)量計(jì)的測量精度。因此無法實(shí)現流(liú)量(liàng)計的轉(zhuǎn)換器全電子化(huà)、小塑(sù)化(huà)以及在此基(jī)礎上(shàng)的智(zhì)能化(huà)。爲(wèi)此，推出采用霍爾傳感(gǎn)器檢(jiǎn)測浮子位(wèi)移、利用16位(wèi)低功(gōng)耗單(dān)片機作爲(wèi)核心處理(lǐ)器的(de)智能(néng)流量計。
2系統(tǒng)構成原理
該(gāi)流量(liàng)計采用線(xiàn)性霍爾傳感器(qì)檢測(cè)浮(fú)子(zǐ)位移(yí),配合(hé)單片(piàn)機應用系(xì)統，完全去(qù)掉了(le)磁(cí)鋼(gāng)耦合(hé)、非線性修正及(jí)傳動等機(jī)械機構。其(qí)工作原理(lǐ)如圖1所示。
當被(bèi)測流(liú)體(tǐ)自下(xià)而(ér)上流過錐(zhuī)管時，浮子(zǐ)産生位移(yí)，通過線性霍爾(ěr)傳感(gǎn)器的(de)磁力(lì)線角度就會發(fā)生變(biàn)化，從(cóng)而使(shǐ)霍爾傳(chuán)感(gǎn)器輸(shū)出相應電壓。該輸出電壓輸入(rù)到單片(piàn)機應用(yòng)系統進行處理後，可輸(shū)出與流(liú)量對應的(de)标準(zhǔn)電流信号,也可(kě)通過标準通信(xìn)接口(kǒu)進行數據(jù)遠程交(jiāo)換(huàn)。
在流(liú)量計的轉換器(qì)中對應浮子位移範(fàn)圍中間位(wèi)置處放置兩個(gè)特性一緻的霍爾傳感器(qì),兩個(gè)霍爾傳感器的(de)磁敏感面互成90*。霍爾傳(chuán)感器的(de)輸出(chū)電壓爲:
e1=k1·i1·b1·sinθ
e2=k2·i2·b2·sin(90°-θ)
式(shì)中:
k1、k2爲霍(huò)爾靈敏(mǐn)度(dù)系數;
i1、i2爲霍爾(ěr)元件的激(jī)勵電(diàn)流;
b1、b2爲霍(huò)爾傳感(gǎn)器所處(chù)位置的(de)磁感(gǎn)應強(qiáng)度;
θ爲(wèi)磁(cí)力線相對于(yú)霍爾(ěr)傳感(gǎn)器的磁敏感面的傾(qīng)斜角。
因(yīn)爲兩個霍爾(ěr)傳感器選(xuǎn)用(yòng)特性一(yī)緻的(de)同--型(xíng)号霍 爾傳(chuán)感器,采用(yòng)同一(yī)激勵電流,處于(yú)同一-高(gāo)度(dù)位置,所以(yǐ)k1=k2,i1=l2,b1=b2。因(yīn)此可得(dé):
e1/e2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(e1/e2)
可見，由e1、e2可求出(chū)磁力線的傾斜(xié)角。
由圖1可(kě)見，随(suí)着浮子上升,通過霍爾傳感器(qì)的磁力線的(de)角(jiǎo)度順時針(zhēn)變化(huà)，因此求出傾斜角0就(jiù)可以得出浮子的位(wèi)移。
3單(dān)片機應用系統(tǒng)硬件設計
單片機應(yīng)用系統的(de)原理(lǐ)框圖(tú)如圖(tú)2所示。系統(tǒng)控制器爲一(yī)片msp430f149單片(piàn)機。msp430f149的主要(yào)特性(xìng)與功(gōng)能如(rú)下:
(1)超(chāo)低電(diàn)流消(xiāo)耗:具(jù)有cpuoff和oscoff模(mó)式，可在(zài)電壓降至1.8v情況(kuàng)下工(gōng)作。
(2)基礎時鍾模塊:包括1個數控(kòng)振蕩器(dco)和(hé)2個晶體振(zhèn)蕩器(qì)。
(3)系統(tǒng)内(nèi)置模(mó)塊(kuài):lcd驅動(dòng)器、a/d轉(zhuǎn)換器(qì)、i/o口、usart串口、看門狗(gǒu)、定時器(qì)、硬件乘(chéng)法器(qì)、模拟(nǐ)比較(jiào)器、eprom等。
(4)16位risc結(jié)構，125as指令周(zhōu)期，等待方(fāng)式進(jìn)行(háng)喚(huàn)醒的(de)時間(jiān)爲6ixs.
(5)軟件可(kě)在ram中運行(háng)。程序(xù)可通過uart或測試(shì)引腳裝入ram，并能(néng)在實時條(tiáo)件下(xià)運行。可降低試(shì)驗和(hé)調試的開(kāi)銷。
(6)儀3種指令格式，全(quán)部爲正交(jiāo)結構，簡化(huà)了程序的(de)開(kāi)發。rom讀取(qǔ)、ram存取(qǔ)、數(shù)據處理(lǐ)、1/o及其他外圍(wéi)操(cāo)作都使用(yòng)公共指令，無特殊指(zhǐ)令。
(7)系統工作穩(wěn)定。上電複位後(hòu)，首先由dcoclk啓動cpu,以保證(zhèng)程序(xù)從正(zhèng)确的位置開始執行，保證晶體振蕩(dàng)器有足夠(gòu)的起振及穩(wěn)定(dìng)時間(jiān)。如果晶體(tǐ)振蕩器在(zài)用作(zuò)cpu時鍾mclk時發生故(gù)障,dco會自(zì)動啓動(dòng)，以保(bǎo)證系(xì)統(tǒng)正(zhèng)常工作;如(rú)果程(chéng)序跑飛，看門狗可将(jiāng)其(qí)複位。
(8)具(jù)有高級語言編(biān)程能力,已開發(fā)了c-編譯(yì)器，支持jtag仿真(zhēn)。
線(xiàn)性霍爾(ěr)傳感器(qì)将(jiāng)浮子(zǐ)位(wèi)移轉換成電(diàn)壓信号,經放大(dà)器放大後，由16位(wèi)mcu進行運算處理(lǐ)和非(fēi)線性修正(zhèng)後求得流量值(zhí)，一方面(miàn)送lcd顯示(shì)器顯(xiǎn)示，另(lìng)一方(fāng)面送(sòng)入(rù)dac轉換成(chéng)模拟量，再(zài)經輸出轉換(huàn)電路轉(zhuǎn)換成标(biāo)準電(diàn)流信号(hào)輸出。另外，還可通(tōng)過串行(háng)通信接(jiē)口rs485與上(shàng):位機(jī)進行數據(jù)交換。
4軟(ruǎn)件設計(jì)
軟件(jiàn)的(de)主(zhǔ)流程(chéng)圖如圖3所(suǒ)示。單片機在上電和(hé)複位的時候，先(xiān)要執行(háng)初始化程序。然後(hòu)，依次(cì)判斷功能模塊(kuài)的标(biāo)志位，當标(biāo)志位(wèi)有效(xiào)時，執行該(gāi)功能模(mó)塊(kuài)的程序，如(rú)标志(zhì)位無效，則跳過(guò)向下(xià)執行(háng)。當程序執行到最後(hòu)，再循(xún)環(huán)返回到(dào)初始化(huà)之後。
标準電流輸(shū)出模塊和(hé)rs485串行通信(xìn)模塊(kuài)标志(zhì)位是(shì)由掃(sǎo)描撥(bō)碼開(kāi)關部分(fèn)所(suǒ)決定(dìng)的;數據存儲部(bù)分通過不斷地(dì)讀取(qǔ)時鍾芯片(piàn)ds1307來判斷是(shì)否到了預先設定的(de)存儲時(shí)間(jiān)，到存(cún)儲時間(jiān)後進入(rù)數據存儲子程(chéng)序。rs485通(tōng)信實現了(le)數據(jù)的遠程傳(chuán)輸，人們(men)不(bú)必直接到現場(chǎng)去查(chá)看各種(zhǒng)儀表的(de)參數值,通(tōng)過觀(guān)看通訊界(jiè)面即(jí)可獲得(dé)當前和曆史數據。
5結束(shù)語(yǔ).
由(yóu)于采(cǎi)用霍(huò)爾傳(chuán)感器進行位移檢測(cè)，使流量計的轉換器(qì)不需要任(rèn)何可動的機械零件(jiàn),實現了全電(diàn)子(zǐ)化和小(xiǎo)型化，大大降低(dī)了回差(chà);采用16位單片機(jī)進行線(xiàn)性修正(zhèng)和運(yùn)算,可使流(liú)量計的流量指(zhǐ)示精(jīng)度(dù)由2.0級提(tí)高到(dào)1.0級(jí)。
由以上分析可見(jiàn)，由于(yú)采用霍爾(ěr)傳感(gǎn)器和16位單(dān)片機(jī)，使流量(liàng)計實現了小型化、數字化和智能化,提(tí)高了流量計的(de)精度,增加了流量計的功能，并(bìng)使得(dé)開發現場(chǎng)總線型的流量(liàng)計成爲可(kě)能。
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