摘(zhai)要:介(jie)紹采(cai)用霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)檢測(ce)浮子(zi)位移(yi)、利用(yong)低功(gong)耗單(dan)片機(ji)作爲(wei)核心(xin)處理(li)器的(de) 金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji) ，着重(zhong)介紹(shao)利用(yong)霍爾(er)傳感(gan)器對(dui)浮子(zi)位移(yi)進行(hang)檢測(ce)的基(ji)🏃‍♂️本原(yuan)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻理🛀以(yi)及霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)輸出(chu)信号(hao)處理(li)系統(tong)🙇‍♀️的硬(ying)件、軟(ruan)件設(she)計，分(fen)析這(zhe)種智(zhi)能金(jin)屬管(guan)轉子(zi)流量(liang)計 的(de)主要(yao)特點(dian)。
1引言(yan)
　　在工(gong)業生(sheng)産和(he)科研(yan)測量(liang)中，經(jing)常遇(yu)到小(xiao)流量(liang)、低雷(lei)諾數(shu)的流(liu)量測(ce)量。 浮(fu)子流(liu)量計(ji) 由于(yu)具有(you)靈敏(min)度高(gao)，測量(liang)範圍(wei)寬,壓(ya)力損(sun)失較(jiao)小且(qie)👄恒定(ding)，測量(liang)🏃‍♂️介質(zhi)種類(lei)多，工(gong)作可(ke)靠,維(wei)護簡(jian)便,對(dui)儀表(biao)前直(zhi)管段(duan)要求(qiu)不高(gao)等優(you)點,已(yi)被廣(guang)泛應(ying)用。
　　浮(fu)子流(liu)量計(ji)的浮(fu)子位(wei)移與(yu)流量(liang)之間(jian)存在(zai)明确(que)對應(ying)的函(han)數關(guan)系，測(ce)出浮(fu)子位(wei)移即(ji)可确(que)定流(liu)量大(da)小。金(jin)屬❌管(guan)浮♌子(zi)流量(liang)計(以(yi)下簡(jian)稱流(liu)量計(ji))可以(yi)連續(xu)測量(liang)封閉(bi)管道(dao)内液(ye)體、氣(qi)體或(huo)蒸汽(qi)的流(liu)量,既(ji)能就(jiu)地指(zhi)示，又(you)能遠(yuan)傳信(xin)号,可(ke)實現(xian)流量(liang)測量(liang)值的(de)遠距(ju)離🌈顯(xian)示、記(ji)錄、計(ji).算、調(diao)節控(kong)制等(deng)功能(neng),因此(ci)廣泛(fan)應用(yong)于石(shi)油、化(hua)工、能(neng)源、冶(ye)金、醫(yi)藥、輕(qing)工、國(guo)防等(deng)部門(men)]的流(liu)量👅檢(jian)測及(ji)過程(cheng)控制(zhi)。由于(yu)流量(liang)計的(de)浮子(zi)位移(yi)不能(neng)直🚶接(jie)讀出(chu),所以(yi)将磁(ci)鋼⛹🏻‍♀️封(feng)入浮(fu)子内(nei)，由設(she)☎️在轉(zhuan)換器(qi)内🏃🏻的(de)磁耦(ou)合🙇‍♀️機(ji)構得(de)到浮(fu)子位(wei)移，并(bing)由位(wei)移傳(chuan)感器(qi)将與(yu)流量(liang)對應(ying)的浮(fu)子位(wei)移轉(zhuan)換成(cheng)電信(xin)号，以(yi)實現(xian)遠❗傳(chuan)輸出(chu)。目前(qian)常用(yong)的位(wei)移⭐傳(chuan)感器(qi)有兩(liang)種:差(cha)功變(bian)壓器(qi)式傳(chuan)感器(qi)和電(dian)容式(shi)角位(wei)移傳(chuan)感器(qi)。但是(shi)使用(yong)這兩(liang)種位(wei)移🛀傳(chuan)感器(qi)要獲(huo)得與(yu)流量(liang)對應(ying)💁的位(wei)移信(xin)号,需(xu)要通(tong)過磁(ci)鋼耦(ou)合以(yi)及相(xiang)應的(de)四連(lian)杆、凸(tu)輪等(deng)機械(xie)機構(gou)進行(hang)非線(xian)性🙇‍♀️修(xiu)正和(he)傳動(dong)來實(shi)現，這(zhe)就會(hui)造成(cheng)轉換(huan)器傳(chuan)㊙️動環(huan)節多(duo)、結構(gou)複雜(za)、存在(zai)摩🈚擦(ca)力、回(hui)差增(zeng)大,從(cong)而降(jiang)低流(liu)量計(ji)的測(ce)量精(jing)度。因(yin)此無(wu)法實(shi)現流(liu)量計(ji)的轉(zhuan)換器(qi)全電(dian)子化(hua)、小塑(su)化以(yi)👣及在(zai)此基(ji)礎上(shang)的智(zhi)能化(hua)。爲此(ci)，推出(chu)采用(yong)霍爾(er)傳感(gan)器檢(jian)測浮(fu)子位(wei)移、利(li)用16位(wei)低功(gong)耗單(dan)片機(ji)作爲(wei)核心(xin)處理(li)器♊的(de)智能(neng)流量(liang)計。
2系(xi)統構(gou)成原(yuan)理
　　該(gai)流量(liang)計采(cai)用線(xian)性霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)檢測(ce)浮子(zi)位移(yi),配合(he)單🐇片(pian)機應(ying)用系(xi)統，完(wan)全去(qu)掉了(le)磁鋼(gang)耦合(he)、非線(xian)性修(xiu)正及(ji)傳動(dong)等機(ji)械機(ji)構。其(qi)工作(zuo)原理(li)如圖(tu)1所示(shi)。
 
　　當被(bei)測流(liu)體自(zi)下而(er)上流(liu)過錐(zhui)管時(shi)，浮子(zi)産生(sheng)位移(yi)，通過(guo)線性(xing)霍爾(er)傳感(gan)器的(de)磁力(li)線角(jiao)度就(jiu)會發(fa)生變(bian)化，從(cong)而使(shi)霍爾(er)傳感(gan)器輸(shu)出相(xiang)應電(dian)壓。該(gai)輸出(chu)電壓(ya)輸入(ru)到💜單(dan)片機(ji)應用(yong)系統(tong)進行(hang)處理(li)後🌈，可(ke)輸出(chu)與流(liu)量對(dui)應的(de)标準(zhun)電流(liu)🐅信号(hao),也可(ke)通過(guo)标準(zhun)通信(xin)接口(kou)🤟進行(hang)數據(ju)遠程(cheng)交換(huan)。
　　在流(liu)量計(ji)的轉(zhuan)換器(qi)中對(dui)應浮(fu)子位(wei)移範(fan)圍中(zhong)間位(wei)置處(chu)放置(zhi)兩個(ge)特性(xing)一緻(zhi)的霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi),兩個(ge)霍爾(er)⛷️傳感(gan)🏒器的(de)磁敏(min)感面(mian)❌互成(cheng)90*。霍爾(er)傳感(gan)器的(de)輸出(chu)電壓(ya)爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式(shi)中:
K1、K2爲(wei)霍爾(er)靈敏(min)度系(xi)數;
I1、I2爲(wei)霍爾(er)元件(jian)的激(ji)勵電(dian)流;
B1、B2爲(wei)霍爾(er)傳感(gan)器所(suo)處位(wei)置的(de)磁感(gan)應強(qiang)度;
θ爲(wei)磁力(li)線相(xiang)對于(yu)霍爾(er)傳感(gan)器的(de)磁敏(min)感面(mian)的傾(qing)斜角(jiao)。
　　因爲(wei)兩個(ge)霍爾(er)傳感(gan)器選(xuan)用特(te)性一(yi)緻的(de)同--型(xing)号霍(huo) 爾傳(chuan)感器(qi),采用(yong)同一(yi)激勵(li)電流(liu),處于(yu)同一(yi)-高度(du)位置(zhi),所以(yi)K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此(ci)可得(de):
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見(jian)，由E1、E2可(ke)求出(chu)磁力(li)線的(de)傾斜(xie)角。
　　由(you)圖1可(ke)見，随(sui)着浮(fu)子上(shang)升,通(tong)過霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)的磁(ci)力線(xian)的角(jiao)度順(shun)時針(zhen)變化(hua)，因此(ci)求出(chu)傾斜(xie)角0就(jiu)可以(yi)得㊙️出(chu)浮子(zi)的🏃‍♀️位(wei)移😄。
3單(dan)片機(ji)應用(yong)系統(tong)硬件(jian)設計(ji)
 
　　單片(pian)機應(ying)用系(xi)統的(de)原理(li)框圖(tu)如圖(tu)2所示(shi)。系統(tong)控制(zhi)✨器🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爲(wei)一🌈片(pian)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(dian)流消(xiao)耗:具(ju)有CPUOFF和(he)OSCOFF模式(shi)，可在(zai)電壓(ya)降至(zhi)1.8V情況(kuang)下👅工(gong)作。
(2)基(ji)礎時(shi)鍾模(mo)塊:包(bao)括1個(ge)數控(kong)振蕩(dang)器(DCO)和(he)2個晶(jing)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(kan)門狗(gou)、定時(shi)器、硬(ying)件乘(cheng)法♉器(qi)、模拟(ni)比較(jiao)器、EPROM等(deng)。
(4)16位RISC結(jie)構，125as指(zhi)令周(zhou)期，等(deng)待方(fang)式進(jin)行喚(huan)醒的(de)時間(jian)爲6Ixs.
(5)軟(ruan)件可(ke)在RAM中(zhong)運行(hang)。程序(xu)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(hang)。可降(jiang)低試(shi)驗和(he)調試(shi)的開(kai)銷。
(6)儀(yi)3種指(zhi)令格(ge)式，全(quan)部爲(wei)正交(jiao)結構(gou)，簡化(hua)了程(cheng)序的(de)開發(fa)。ROM讀🔅取(qu)🔞、RAM存取(qu)、數據(ju)處理(li)、1/O及其(qi)他外(wai)圍操(cao)作都(dou)使用(yong)公共(gong)指令(ling)，無特(te)殊指(zhi)令。
(7)系(xi)統工(gong)作穩(wen)定。上(shang)電複(fu)位後(hou)，首先(xian)由DCOCLK啓(qi)動CPU,以(yi)保證(zheng)程🔆序(xu)從正(zheng)🌍确🈲的(de)位置(zhi)開始(shi)執行(hang)，保證(zheng)晶體(ti)振蕩(dang)器有(you)足夠(gou)的起(qi)振及(ji)穩定(ding)時間(jian)。如💚果(guo)晶體(ti)振蕩(dang)器在(zai)用作(zuo)CPU時鍾(zhong)MCLK時發(fa)生故(gu)障,DCO會(hui)自動(dong)啓動(dong)，以🈲保(bao)證系(xi)統正(zheng)常工(gong)作;如(ru)果程(cheng)序☁️跑(pao)飛，看(kan)門🍓狗(gou)可将(jiang)其複(fu)位。
(8)具(ju)有高(gao)級語(yu)言編(bian)程能(neng)力,已(yi)開發(fa)了C-編(bian)譯器(qi)，支持(chi)JTAG仿真(zhen)⛱️。
　　線性(xing)霍爾(er)傳感(gan)器将(jiang)浮子(zi)位移(yi)轉換(huan)成電(dian)壓信(xin)号,經(jing)🏃‍♀️放大(da)器放(fang)大後(hou)，由16位(wei)MCU進行(hang)運算(suan)處理(li)和非(fei)線性(xing)修正(zheng)後求(qiu)💛得流(liu)量值(zhi)，一方(fang)面送(song)🐕LCD顯示(shi)器顯(xian)示，另(ling)一方(fang)面送(song)入DAC轉(zhuan)換成(cheng)模拟(ni)量，再(zai)經輸(shu)出轉(zhuan)換電(dian)路轉(zhuan)換成(cheng)标準(zhun)電流(liu)信号(hao)✉️輸出(chu)。另外(wai)，還可(ke)通過(guo)👨‍❤️‍👨串行(hang)通信(xin)接口(kou)RS485與上(shang):位機(ji)進行(hang)數據(ju)交換(huan)。
4軟件(jian)設計(ji)
　　軟件(jian)的主(zhu)流程(cheng)圖如(ru)圖3所(suo)示。單(dan)片機(ji)在上(shang)電和(he)複位(wei)的時(shi)📞候，先(xian)要📐執(zhi)行初(chu)始化(hua)程序(xu)。然後(hou)，依次(ci)判斷(duan)功能(neng)模塊(kuai)😄的标(biao)志位(wei)，當标(biao)志位(wei)有效(xiao)時，執(zhi)行該(gai)功能(neng)模塊(kuai)的程(cheng)序，如(ru)标志(zhi)位無(wu)效🛀，則(ze)跳過(guo)向下(xia)執行(hang)。當程(cheng)序執(zhi)行到(dao)最後(hou)，再循(xun)環返(fan)回到(dao)初始(shi)化之(zhi)後。
 
　　标(biao)準電(dian)流輸(shu)出模(mo)塊和(he)RS485串行(hang)通信(xin)模塊(kuai)标志(zhi)位是(shi)由掃(sao)描💔撥(bo)碼開(kai)🙇‍♀️關部(bu)分所(suo)決定(ding)的;數(shu)據存(cun)儲部(bu)分通(tong)過不(bu)斷地(di)讀取(qu)時🏃‍♂️鍾(zhong)芯💜片(pian)DS1307來🤟判(pan)斷是(shi)否到(dao)了預(yu)先設(she)定的(de)存儲(chu)時間(jian)，到存(cun)儲時(shi)間後(hou)進入(ru)數據(ju)存儲(chu)子程(cheng)序。RS485通(tong)信實(shi)現了(le)數據(ju)的遠(yuan)程傳(chuan)輸，人(ren)們不(bu)必直(zhi)接到(dao)現🤟場(chang)去查(cha)看各(ge)種儀(yi)表的(de)參數(shu)值,通(tong)過觀(guan)看通(tong)訊界(jie)面即(ji)可獲(huo)得當(dang)🚩前和(he)曆史(shi)數據(ju)。
5結束(shu)語.
　　由(you)于采(cai)用霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)進行(hang)位移(yi)檢測(ce)，使流(liu)量計(ji)的轉(zhuan)換器(qi)🌈不需(xu)要任(ren)何可(ke)動的(de)機械(xie)零件(jian),實現(xian)了全(quan)電子(zi)化和(he)小型(xing)化，大(da)大降(jiang)低了(le)回差(cha);采用(yong)16位單(dan)片機(ji)進行(hang)線性(xing)修正(zheng)和運(yun)算,可(ke)使流(liu)量計(ji)的流(liu)量指(zhi)示精(jing)度🌈由(you)2.0級提(ti)高到(dao)1.0級。
由(you)以上(shang)分析(xi)可見(jian)，由于(yu)采用(yong)霍爾(er)傳感(gan)器和(he)16位單(dan)片機(ji)，使流(liu)量計(ji)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼實現(xian)了小(xiao)型化(hua)、數字(zi)化和(he)智能(neng)化,提(ti)高了(le)流🐉量(liang)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(chang)總線(xian)型的(de)流量(liang)計成(cheng)爲可(ke)能。

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