摘要:介紹(shào)采用霍爾傳感(gan)器檢測浮子位(wèi)移、利用低功耗(hào)單片機作爲核(he)心處理器的 金(jin)屬管浮子流量(liang)計 ，着重介紹利(lì)用霍爾傳感器(qì)對浮子位移進(jìn)行檢測⚽的基本(běn)原理🌍以及霍爾(ěr)傳感器輸出信(xin)号處理系統的(de)硬件、軟件設計(ji)，分析這種智能(néng)金屬管轉子流(liú)量計 的主要特(tè)點。
1引言
　　在工業(ye)生産和科研測(cè)量中，經常遇到(dao)小流量、低雷諾(nuò)數的流量測量(liang)。 浮子流量計 由(you)于具有靈敏度(dù)高，測量範圍寬(kuan),壓力損失較小(xiao)且恒定，測量介(jiè)質種類多，工作(zuo)可靠,維護簡便(biàn),對儀表前直管(guan)段要求不高等(deng)優點,已被廣泛(fàn)應用。
　　浮子流量(liang)計的浮子位移(yi)與流量之間存(cun)在明确對♊應的(de)函數關系，測出(chū)浮子位移即可(kě)确定流量大小(xiao)。金屬管浮子流(liú)量計👨‍❤️‍👨(以下☔簡稱(cheng)流量計)可以連(lian)續測量封閉管(guǎn)道内液體、氣體(ti)或蒸汽的流量(liang),既能就地⚽指示(shì)，又能遠傳信号(hào),可實現流☀️量測(ce)量值的遠距離(li)💞顯示、記錄、計.算(suan)、調節控制等功(gong)能,因此廣泛應(yīng)用于石油、化工(gōng)、能源🏃🏻、冶金、醫藥(yào)、輕工、國防等部(bù)門]的流量檢測(ce)及過♈程控制。由(yóu)于流量計的浮(fu)子位移不能直(zhi)接讀出,所以将(jiāng)磁鋼封入浮子(zi)内，由設在轉換(huàn)器内的磁耦合(he)機構得到浮子(zi)位移，并由位移(yi)傳感器将與流(liu)量對應的浮子(zǐ)位移轉換成電(dian)信号☀️，以實現遠(yuan)⛹🏻‍♀️傳輸出。目前常(chang)用的位移🍓傳感(gǎn)器有兩種:差功(gong)變壓♍器式㊙️傳感(gan)器和電容式角(jiǎo)位移傳感器。但(dàn)是使用這兩種(zhong)位移🏃‍♀️傳感器要(yào)獲得與流量對(duì)應的位移信号(hào),需要通過磁鋼(gang)❗耦合以及相應(ying)的四連杆、凸輪(lun)等機✏️械機構進(jin)行非線性修正(zheng)和傳動來實現(xiàn)，這就會造成轉(zhuǎn)換器傳❤️動環節(jie)多、結構複雜、存(cun)在摩擦力、回差(cha)增大,從而降低(dī)流量計的測量(liàng)精度。因此無法(fa)實現流量計的(de)轉換器全電子(zi)化、小塑化🐆以及(ji)在此🏃🏻‍♂️基礎上的(de)智能化。爲此，推(tuī)出采用🤟霍爾傳(chuán)感器檢測浮子(zǐ)位移、利用16位低(di)功耗單片機作(zuo)爲核心處理器(qì)的智能流量計(ji)。
2系統構成原理(li)
　　該流量計采用(yòng)線性霍爾傳感(gǎn)器檢測浮子位(wèi)移,配合單片機(jī)應用系統，完全(quán)去掉了磁鋼耦(ǒu)合、非線性修正(zhèng)及傳動等💛機械(xiè)機構。其工作原(yuan)理如圖1所示。
 
　　當(dang)被測流體自下(xia)而上流過錐管(guan)時，浮子産生位(wei)移，通💚過線⭕性🐪霍(huò)爾傳感器的磁(ci)力線角度就會(huì)發生變化，從而(ér)使霍爾傳感器(qi)輸出相應電壓(ya)。該輸出電壓輸(shu)入到單片機應(yīng)用系統進行處(chu)理後💋，可輸出與(yu)流量對應的标(biao)準電流🌏信号,也(yě)可通過标準通(tōng)信接口進行數(shù)據遠程交換。
　　在(zai)流量計的轉換(huàn)器中對應浮子(zǐ)位移範圍中間(jian)位🐇置處放置兩(liang)🔞個特性一緻的(de)霍爾傳感器,兩(liǎng)個霍爾傳感器(qi)的磁敏感面互(hù)成90*。霍爾傳感器(qì)的輸出電壓爲(wei):
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2爲霍爾靈(ling)敏度系數;
I1、I2爲霍(huo)爾元件的激勵(li)電流;
B1、B2爲霍爾傳(chuán)感器所處位置(zhi)的磁感應強度(du);
θ爲磁力線相對(dui)于霍爾傳感器(qì)的磁敏感面的(de)傾斜角。
　　因爲兩(liǎng)個霍爾傳感器(qi)選用特性一緻(zhì)的同--型号霍 爾(ěr)☎️傳🈲感器,采用同(tong)一激勵電流,處(chu)于同一-高度位(wèi)置,所以K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可(kě)得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見，由E1、E2可求(qiu)出磁力線的傾(qīng)斜角。
　　由圖1可見(jian)，随着浮子上升(shēng),通過霍爾傳感(gan)器的磁力線的(de)角度順時針變(biàn)化，因此求出傾(qing)斜角0就可以得(dé)出浮子的位移(yí)。
3單片機應用系(xì)統硬件設計
 
　　單(dān)片機應用系統(tǒng)的原理框圖如(rú)圖2所示。系統控(kòng)制☂️器爲☎️一🈲片MSP430F149單(dan)片機。MSP430F149的主要特(tè)性與功能如下(xia):
(1)超低電流消耗(hào):具有CPUOFF和OSCOFF模式，可(kě)在電壓降至1.8V情(qing)況下工作。
(2)基礎(chu)時鍾模塊:包括(kuò)1個數控振蕩器(qi)(DCO)和2個晶體振蕩(dàng)器。
(3)系統内置模(mo)塊:LCD驅動器、A/D轉換(huàn)器、I/O口、USART串口、看門(mén)狗、定時🈲器、硬件(jian)乘法器、模拟比(bǐ)較器、EPROM等。
(4)16位RISC結構(gòu)，125as指令周期，等待(dai)方式進行喚醒(xing)的時間爲6Ixs.
(5)軟件(jian)可在RAM中運行。程(cheng)序可通過UART或測(ce)試引腳裝入RAM，并(bing)能在❄️實♈時條🤟件(jian)下運行。可降低(dī)試驗和調試的(de)開銷。
(6)儀3種指令(ling)格式，全部爲正(zhèng)交結構，簡化了(le)程序的開🤞發。ROM讀(du)取、RAM存取、數據處(chu)理、1/O及其他外圍(wei)操作都使用公(gōng)💜共指令，無特殊(shu)指令。
(7)系統工作(zuo)穩定。上電複位(wèi)後，首先由DCOCLK啓動(dong)CPU,以保證程序從(cong)正确的位置開(kai)始執行，保證晶(jīng)體振蕩器有足(zu)夠的起振及穩(wen)定時✏️間。如🐕果晶(jīng)體振蕩器在用(yòng)作CPU時鍾MCLK時發生(sheng)故障,DCO會自動啓(qǐ)動，以保證系統(tǒng)正常工作;如果(guǒ)程序🌂跑飛，看門(men)狗可将其複位(wèi)。
(8)具有高級語言(yan)編程能力,已開(kai)發了C-編譯器，支(zhi)持JTAG仿真。
　　線性霍(huò)爾傳感器将浮(fú)子位移轉換成(chéng)電壓信号,經放(fàng)大器放大後，由(yóu)16位MCU進行運算處(chu)理和非線性修(xiu)正後求💔得流量(liàng)值，一方👉面送LCD顯(xian)示器顯示，另一(yī)方面送入DAC轉換(huàn)成模拟量，再經(jīng)輸出轉換電路(lu)轉換成标準🈲電(diàn)流信号輸出。另(lìng)外，還可通過串(chuan)行通信接口RS485與(yu)上🔆:位機進行數(shu)據交換。
4軟件設(shè)計
　　軟件的主流(liú)程圖如圖3所示(shi)。單片機在上電(dian)和複位的時候(hòu)，先🈲要🈲執行初始(shǐ)化程序。然後，依(yi)次判斷功能🌂模(mo)塊的标志位，當(dang)标志位🔅有效時(shi)，執行該功能模(mó)塊的程序，如标(biāo)志位無效🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，則跳(tiào)過💘向下執行。當(dang)程序執行到最(zui)後🌈，再循環返回(huí)到初始💋化之後(hòu)。
 
　　标準電流輸出(chū)模塊和RS485串行通(tōng)信模塊标志位(wei)是由掃描撥碼(ma)開關部分所決(jue)定的;數據存儲(chu)部分通過不斷(duàn)地讀取時鍾芯(xin)片DS1307來判斷是否(fǒu)到了預先設定(dìng)✉️的存儲時間，到(dào)存儲時間後進(jìn)入數據存儲子(zi)程序。RS485通信實現(xiàn)了數據的遠程(cheng)傳輸，人們不必(bi)直接到現場去(qù)查看各種儀表(biao)的參數值,通過(guo)觀看通訊界面(mian)即可獲得當前(qian)和曆史數據。
5結(jie)束語.
　　由于采用(yong)霍爾傳感器進(jìn)行位移檢測，使(shǐ)流量計的轉換(huàn)器不需要任何(hé)可動的機械零(ling)件,實現了全電(dian)子化和小型化(huà)，大大降低了回(huí)差;采用16位單片(pian)機進行線性修(xiū)正和運算,可使(shǐ)流量計的流量(liang)指示精度由2.0級(ji)提高到1.0級。
由以(yi)上分析可見，由(yóu)于采用霍爾傳(chuan)感器和16位單片(piàn)機，使流量計🆚實(shí)現了小型化、數(shu)字化和智能化(hua),提高了流量計(ji)的精度,增🔅加了(le)☀️流量計的功能(néng)，并使得開發現(xiàn)場總線型的流(liú)量計成爲可能(néng)。

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