引(yin)言
在(zai)工業(ye)生産(chan)和科(ke)研測(ce)量中(zhong)，經常(chang)遇到(dao)小流(liu)量、低(di)雷諾(nuo)數的(de)流🔞量(liang)測量(liang)。浮子(zi)流量(liang)計由(you)于具(ju)有靈(ling)敏度(du)高，測(ce)量範(fan)圍寬(kuan)，壓力(li)損失(shi)較小(xiao)且恒(heng)定，測(ce)量介(jie)質種(zhong)類多(duo)，工作(zuo)可靠(kao)，維護(hu)簡便(bian)，對儀(yi)表前(qian)直管(guan)段要(yao)求不(bu)高等(deng)優點(dian)，已被(bei)廣泛(fan)應用(yong)。
浮子(zi)流量(liang)計的(de)浮子(zi)位移(yi)與流(liu)量之(zhi)間存(cun)在明(ming)确對(dui)應的(de)函數(shu)關系(xi)，測出(chu)浮子(zi)位移(yi)即可(ke)确定(ding)流量(liang)大小(xiao)。金屬(shu)管浮(fu)子流(liu)量計(ji)(以下(xia)簡稱(cheng)流量(liang)計)可(ke)以連(lian)續測(ce)量封(feng)閉管(guan)道内(nei)液體(ti)🔞、氣體(ti)或🧡蒸(zheng)🌈汽🔆的(de)流量(liang)，既能(neng)就地(di)指示(shi)，又能(neng)遠傳(chuan)信号(hao)，可實(shi)✨現流(liu)量測(ce)量值(zhi)的遠(yuan)距離(li)顯示(shi)、記錄(lu)、計算(suan)、調節(jie)控制(zhi)等功(gong)能，因(yin)此廣(guang)泛應(ying)用于(yu)㊙️石油(you)、化工(gong)、能源(yuan)、冶金(jin)、醫藥(yao)、輕工(gong)、國防(fang)等部(bu)門的(de)流量(liang)檢測(ce)及過(guo)程控(kong)制。由(you)于流(liu)量計(ji)的浮(fu)子位(wei)移不(bu)😘能直(zhi)接讀(du)出🌈，所(suo)以将(jiang)磁鋼(gang)封入(ru)浮子(zi)内⛷️，由(you)設在(zai)轉換(huan)器内(nei)的磁(ci)藕合(he)機構(gou)得到(dao)浮子(zi)位移(yi)，并由(you)位移(yi)傳感(gan)器将(jiang)與流(liu)量對(dui)應的(de)浮子(zi)位移(yi)轉換(huan)成電(dian)信号(hao)🐪，以實(shi)現遠(yuan)傳輸(shu)出。目(mu)前常(chang)用的(de)位移(yi)傳感(gan)器有(you)兩種(zhong):差動(dong)變壓(ya)📧器式(shi)傳感(gan)器和(he)電容(rong)式角(jiao)位移(yi)傳感(gan)器💘。但(dan)是使(shi)用這(zhe)兩種(zhong)位移(yi)傳感(gan)器要(yao)獲得(de)與流(liu)量💰對(dui)應的(de)位移(yi)信号(hao)，需要(yao)通過(guo)磁鋼(gang)藕合(he)以及(ji)相應(ying)的四(si)連杆(gan)、凸輪(lun)等機(ji)械機(ji)構進(jin)行非(fei)線性(xing)修正(zheng)和傳(chuan)動來(lai)實現(xian)，這就(jiu)會造(zao)成轉(zhuan)換器(qi)傳動(dong)環節(jie)多、結(jie)構複(fu)雜、存(cun)在摩(mo)👄擦力(li)、回差(cha)增大(da)，從而(er)降低(di)流量(liang)⛹🏻♀️計的(de)測量(liang)精度(du)。因此(ci)無法(fa)實現(xian)流量(liang)計的(de)轉換(huan)器全(quan)電子(zi)化、小(xiao)型化(hua)以及(ji)在此(ci)基礎(chu)上的(de)智能(neng)🌈化。爲(wei)此，推(tui)出采(cai)用霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)檢測(ce)浮子(zi)位移(yi)、利用(yong)16位低(di)功耗(hao)☁️單片(pian)機作(zuo)爲核(he)心處(chu)理器(qi)的智(zhi)能流(liu)量計(ji)。
2系統(tong)構成(cheng)原理(li)
該流(liu)量計(ji)采用(yong)線性(xing)霍爾(er)傳感(gan)器檢(jian)測浮(fu)子位(wei)移，配(pei)合單(dan)片機(ji)應用(yong)系統(tong)，完全(quan)去掉(diao)了磁(ci)鋼禍(huo)合、非(fei)線性(xing)修正(zheng)💞及傳(chuan)動等(deng)機械(xie)機構(gou)。其工(gong)作原(yuan)理如(ru)圖1所(suo)示。
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)🚩900。霍爾(er)傳感(gan)器的(de)輸出(chu)電壓(ya)爲:
E1=K1·I1·B1·-sin θ
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)同一(yi)型号(hao)👣霍爾(er)傳感(gan)器，采(cai)用同(tong)一激(ji)勵電(dian)流，處(chu)于同(tong)一高(gao)度位(wei)置，所(suo)以有(you)K1= K2, I1= I2，B1= B2。因此(ci)可得(de):
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
可見(jian)，由E,, 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θ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。M SP430F149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)、1/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61xso
(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)僅(jin)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)、I/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一(yi)編譯(yi)器，支(zhi)持JTAG仿(pang)真。
線(xian)性霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)将浮(fu)子位(wei)移轉(zhuan)換成(cheng)電壓(ya)信号(hao)，經放(fang)大器(qi)放⁉️大(da)後，由(you)16位MCU進(jin)行運(yun)算處(chu)理和(he)非線(xian)性修(xiu)正📐後(hou)求得(de)流量(liang)值，一(yi)方面(mian)送LCD顯(xian)示器(qi)顯示(shi)，另一(yi)方面(mian)送入(ru)DAC轉換(huan)成模(mo)拟🔴量(liang)，再經(jing)輸出(chu)轉換(huan)電路(lu)🔴轉換(huan)成标(biao)準電(dian)流信(xin)号輸(shu)出。另(ling)外，還(hai)可通(tong)過串(chuan)行通(tong)信🌂接(jie)口RS485與(yu)上💯位(wei)機進(jin)行數(shu)據交(jiao)換。
4軟(ruan)件設(she)計
軟(ruan)件的(de)主流(liu)程圖(tu)如圖(tu)3所示(shi)。單片(pian)機在(zai)上電(dian)和複(fu)位的(de)時候(hou)🔞，先要(yao)執行(hang)初始(shi)化程(cheng)序。然(ran)後，依(yi)次判(pan)斷功(gong)能模(mo)塊的(de)标志(zhi)位，當(dang)标志(zhi)位有(you)效時(shi)，執行(hang)該功(gong)能模(mo)塊的(de)程序(xu)，如标(biao)志位(wei)無效(xiao)，則跳(tiao)過向(xiang)下執(zhi)👣行。當(dang)程序(xu)執㊙️行(hang)到最(zui)後🛀，再(zai)循環(huan)返回(hui)到初(chu)始☁️化(hua)之後(hou)。
标準(zhun)電流(liu)輸出(chu)模塊(kuai)和RS485串(chuan)行通(tong)信模(mo)塊标(biao)志位(wei)是由(you)掃描(miao)撥碼(ma)開關(guan)部分(fen)所決(jue)定的(de);數據(ju)存儲(chu)部分(fen)通過(guo)不斷(duan)地讀(du)取時(shi)鍾芯(xin)片DS1307來(lai)判斷(duan)是否(fou)到了(le)預先(xian)設定(ding)🚶♀️的存(cun)儲時(shi)間，到(dao)🔞存儲(chu)時間(jian)後進(jin)入數(shu)據存(cun)儲子(zi)程序(xu)。RS485通信(xin)實現(xian)了數(shu)據的(de)遠程(cheng)傳輸(shu)，人們(men)不必(bi)🔱直接(jie)到現(xian)📱場去(qu)查看(kan)各種(zhong)儀表(biao)的參(can)數值(zhi)，通過(guo)觀看(kan)通訊(xun)界面(mian)即可(ke)獲得(de)當前(qian)🚶♀️和曆(li)史數(shu)據。
5結(jie)束語(yu)
由于(yu)采用(yong)霍爾(er)傳感(gan)器進(jin)行位(wei)移檢(jian)測，使(shi)流量(liang)計的(de)轉換(huan)☂️器不(bu)需要(yao)任何(he)可動(dong)的機(ji)械零(ling)件，實(shi)現了(le)全電(dian)子化(hua)😘和小(xiao)型化(hua)，大大(da)降低(di)了回(hui)差;采(cai)用16位(wei)單片(pian)機進(jin)行線(xian)性修(xiu)正和(he)運算(suan)，可使(shi)流量(liang)🧑🏽🤝🧑🏻計的(de)流㊙️量(liang)指示(shi)精确(que)🔞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)現場(chang)總線(xian)型的(de)流量(liang)計成(cheng)爲可(ke)能。
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