引言(yan)
在工業生産和科(kē)研測量中，經常遇(yù)到小流量、低雷諾(nuò)數的流量測量。浮(fú)子流量計由于具(jù)有靈敏度高，測量(liàng)範圍寬，壓力損失(shi)較小且恒定，測🏃量(liàng)介🌈質種類多，工作(zuo)可靠，維護簡便，對(duì)儀表💃前直管段要(yao)求不高等優點，已(yi)被廣泛應用。
浮子(zǐ)流量計的浮子位(wèi)移與流量之間存(cún)在明确對應的函(hán)數關系，測出浮子(zi)位移即可确定流(liú)量大小。金屬管浮(fu)子流量計(以下簡(jiǎn)稱流量計)可以連(lián)續測量封閉管道(dao)内液體✍️、氣體或蒸(zhēng)汽✔️的流量，既能就(jiu)地指示，又能遠傳(chuan)信号👣，可實現流量(liang)測量值的遠距離(lí)顯示、記錄、計算、調(diao)節控制等功能，因(yīn)此廣泛應用于石(shí)油、化✂️工、能源、冶金(jin)、醫藥、輕工、國防等(děng)部門的流量檢測(ce)及過程控制。由于(yú)流量計的浮子位(wèi)移不能直接讀出(chū)，所以将磁鋼封入(rù)浮子内💛，由設在轉(zhuan)換器内的磁藕合(he)機構得到浮子位(wei)移，并由位⛱️移傳感(gǎn)器将與流🐇量對應(yīng)的浮子位移轉換(huan)成電信号，以實現(xiàn)遠傳輸出㊙️。目前常(chang)用的位移傳感器(qì)有兩種:差動變壓(ya)器式傳感器和電(dian)容🏃式角位移傳感(gǎn)器⛹🏻♀️。但是使用這兩(liang)種位移❤️傳感器要(yào)獲得與流量🈲對應(ying)的位移🏒信号，需要(yào)通過磁鋼藕合🔞以(yǐ)及相應的四連杆(gan)、凸輪等機🈲械機構(gou)進行非線性修正(zhèng)和傳動來實現，這(zhe)就會造成轉換器(qi)傳動環節多、結構(gou)複雜、存在摩擦力(li)、回差增大，從而降(jiang)低流量🙇♀️計的測量(liàng)精度。因此無法實(shi)現流量計☀️的轉換(huàn)器全電子🤩化、小型(xing)化以及在此基礎(chu)上的智能🛀化。爲此(cǐ)，推出采用霍爾傳(chuán)感器檢測浮子位(wei)移、利用16位低功耗(hao)🍉單片機作爲核心(xin)處🌏理器的智能流(liú)量計。
2系統構成原(yuan)理
該流量計采用(yong)線性霍爾傳感器(qì)檢測浮子位移，配(pei)合單片⭐機💃應‼️用系(xì)統，完全去掉了磁(cí)鋼禍合、非線性修(xiū)正及傳動等機械(xiè)🐆機構。其工作原理(lǐ)如圖1所示。
當被(bèi)測流體自下而上(shàng)流過錐管時，浮子(zǐ)産生位移，通過線(xiàn)性霍爾傳感器的(de)磁力線角度就會(hui)發生變化，從而使(shi)霍爾傳感器輸出(chū)相應電壓。該輸出(chū)電壓輸入到單片(piàn)機應用系統進行(hang)處理後，可輸出與(yu)流量對應的🈲标準(zhǔn)電流信号，也可通(tong)過标準通信接口(kǒu)🤞進行數據遠程交(jiao)換。
在流量計的轉(zhuan)換器中對應浮子(zǐ)位移範圍中間位(wei)置處放置兩個特(te)性一緻的霍爾傳(chuan)感器，兩個霍爾🙇🏻傳(chuan)感器的磁敏感面(mian)互成900。霍爾傳感器(qi)的輸出電壓爲:
E1=K1·I1·B1·-sin θ
E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
式(shì)中:
K1、K2爲霍爾靈敏度(du)系數;
I1、I2爲霍爾元件(jian)的激勵電流;
B1 、B2爲霍(huo)爾傳感器所處位(wei)置的磁感應強度(du);
θ爲磁力線相對于(yu)霍爾傳感器的磁(cí)敏感面的傾斜🏃角(jiao)。
因爲兩個霍爾傳(chuán)感器選用特性一(yī)緻的同一型号霍(huò)爾💃🏻傳感器，采用同(tong)一激勵電流，處于(yú)同一高度位置，所(suo)以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因此可得:
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
可(kě)見，由E,, E2可求出磁力(lì)線的傾斜角。
由圖(tu)1可見，随着浮子上(shàng)升，通過霍爾傳感(gan)器的磁力🔱線的💯角(jiǎo)度順時針變化，因(yīn)此求出傾斜角θ就(jiu)可以得😄出浮子的(de)💜位移。
3單片機應用(yong)系統硬件設計
單(dan)片機應用系統的(de)原理框圖如圖2所(suǒ)示。系統控制❤️器爲(wei)♈一片MSP430F149單片機。M SP430F149的主(zhu)要特性與功能如(ru)下:
(1)超低電流消耗(hào):具有CPUOFF和OSCOFF模式，可在(zai)電壓降至1.8V情況下(xia)工作。
(2)基礎時鍾模(mó)塊:包括1個數控振(zhèn)蕩器(DCO)和2個晶體振(zhen)蕩器。
(3)系統内置模(mo)塊:LCD驅動器、A/D轉換器(qi)、1/O口、USART串口、看門狗、定(dìng)時🥰器、硬件乘法器(qì)、模拟比較器、EPROM等。
(4) 16位(wei)RISC結構，125as指令周期，等(děng)待方式進行喚醒(xǐng)的時間爲61xso
(5)軟件可(kě)在RAM中運行。程序可(ke)通過UART或測試引腳(jiǎo)裝入RAM，并能在實時(shí)條件下運行。可降(jiàng)低試驗和調試的(de)開銷。
(6)僅3種指令格(gé)式，全部爲正交結(jie)構，簡化了程序的(de)開發。ROM讀取、RAM存🏃🏻♂️取、數(shù)據處理、I/O及其他外(wài)圍操作都使用公(gong)共指⭕令，無特殊💞指(zhi)令。
(7)系統工作穩定(dìng)。上電複位後，首先(xiān)由DCOCLK啓動CPU，以保證程(chéng)序從正确的位置(zhì)開始執行，保證晶(jīng)體振蕩器有足夠(gòu)的起振及穩定時(shí)間。如果晶體振蕩(dang)器在用作CPU時鍾MCLK時(shí)發生故障，DCO會自動(dong)啓動，以保證系統(tong)正常工作🐆;如果程(cheng)序跑飛，看門狗可(ke)将其複位。
(8)具有高(gao)級語言編程能力(li)，已開發了C一編譯(yi)器，支持JTAG仿真。
線性(xìng)霍爾傳感器将浮(fú)子位移轉換成電(dian)壓信号，經放大器(qi)放大後，由16位MCU進行(háng)運算處理和非線(xian)性修正後求得流(liu)量值💋，一方面送LCD顯(xiǎn)示器顯示，另一方(fang)面送入DAC轉換成模(mó)拟量，再經輸出轉(zhuǎn)換電路✉️轉換成标(biao)準電流信号輸出(chū)。另外🌂，還可通過🌈串(chuàn)行通信接口RS485與上(shang)位機進行數據交(jiao)換。
4軟件設計
軟件(jiàn)的主流程圖如圖(tu)3所示。單片機在上(shang)電和複位的時候(hòu)，先要執行初始化(hua)程序。然後，依次判(pàn)斷功能模塊的标(biao)志位，當标志位有(yǒu)效時，執行該功能(neng)模塊的程序⭐，如标(biao)志位無效，則跳過(guo)向下執行。當程序(xù)執行到最後㊙️，再循(xun)環返回到初始化(hua)之後。
标準電流輸(shu)出模塊和RS485串行通(tong)信模塊标志位是(shi)由掃描撥碼✉️開關(guān)部分所決定的;數(shu)據存儲部分通過(guò)不斷❄️地讀取時鍾(zhōng)芯片DS1307來判斷是否(fou)到了預先設定的(de)存儲🏃♀️時間，到存儲(chǔ)時間後進入數據(ju)🌈存儲子程序👉。RS485通信(xìn)實現了數據的遠(yuǎn)程傳輸，人們不必(bi)直接到現💘場去查(cha)看各種儀表的參(cān)數值，通過觀㊙️看通(tong)訊界面即可獲得(de)當前和曆史數據(jù)。
5結束語
由于采用(yong)霍爾傳感器進行(háng)位移檢測，使流量(liang)計的轉🎯換👨❤️👨器不👄需(xū)要任何可動的機(jī)械零件，實現了全(quan)電子化和小型化(huà)，大大👣降低了回差(chà);采用16位單片機進(jin)行線性修正和🌈運(yùn)算，可使流量💞計的(de)流量指示精确度(dù)由2.0級提😍高到1.0級。
由(you)以上分析可見，由(you)于采用霍爾傳感(gǎn)器和16位單片機，使(shǐ)🔴流量計實現了小(xiǎo)型化、數字化和智(zhì)能化，提高了流量(liàng)計📧的精🐅度，增加了(le)⭐流量計的功能，并(bìng)使得現場總線型(xíng)的流量計成💋爲可(kě)能。
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