摘要:介紹采用霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移、利用低功耗單片機(jī)作為核心處理器的金屬管浮子流量計(jì)，著重介紹利用霍爾傳感器對(duì)浮子位移進(jìn)行檢測(cè)的基本原理以及霍爾傳感器輸出信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，分析這種智能金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的主要特點(diǎn)。
1引言
在工業(yè)生產(chǎn)和科研測(cè)量中，經(jīng)常遇到小流量、低雷諾數(shù)的流量測(cè)量。浮子流量計(jì)由于具有靈敏度高，測(cè)量范圍寬,壓力損失較小且恒定，測(cè)量介質(zhì)種類多，工作可靠,維護(hù)簡(jiǎn)便,對(duì)儀表前直管段要求不高等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用。
浮子流量計(jì)的浮子位移與流量之間存在明確對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，測(cè)出浮子位移即可確定流量大小。金屬管浮子流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱流量計(jì))可以連續(xù)測(cè)量封閉管道內(nèi)液體、氣體或蒸汽的流量,既能就地指示，又能遠(yuǎn)傳信號(hào),可實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量值的遠(yuǎn)距離顯示、記錄、計(jì).算、調(diào)節(jié)控制等功能,因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、冶金、醫(yī)藥、輕工、國(guó)防等部門]的流量檢測(cè)及過(guò)程控制。由于流量計(jì)的浮子位移不能直接讀出,所以將磁鋼封入浮子內(nèi)，由設(shè)在轉(zhuǎn)換器內(nèi)的磁耦合機(jī)構(gòu)得到浮子位移，并由位移傳感器將與流量對(duì)應(yīng)的浮子位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳輸出。目前常用的位移傳感器有兩種:差功變壓器式傳感器和電容式角位移傳感器。但是使用這兩種位移傳感器要獲得與流量對(duì)應(yīng)的位移信號(hào),需要通過(guò)磁鋼耦合以及相應(yīng)的四連桿、凸輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行非線性修正和傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就會(huì)造成轉(zhuǎn)換器傳動(dòng)環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在摩擦力、回差增大,從而降低流量計(jì)的測(cè)量精度。因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器全電子化、小塑化以及在此基礎(chǔ)上的智能化。為此，推出采用霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移、利用16位低功耗單片機(jī)作為核心處理器的智能流量計(jì)。
2系統(tǒng)構(gòu)成原理
該流量計(jì)采用線性霍爾傳感器檢測(cè)浮子位移,配合單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，完全去掉了磁鋼耦合、非線性修正及傳動(dòng)等機(jī)械機(jī)構(gòu)。其工作原理如圖1所示。
當(dāng)被測(cè)流體自下而上流過(guò)錐管時(shí)，浮子產(chǎn)生位移，通過(guò)線性霍爾傳感器的磁力線角度就會(huì)發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器輸出相應(yīng)電壓。該輸出電壓輸入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行處理后，可輸出與流量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),也可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交換。
在流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器中對(duì)應(yīng)浮子位移范圍中間位置處放置兩個(gè)特性一致的霍爾傳感器,兩個(gè)霍爾傳感器的磁敏感面互成90*�；魻杺鞲衅鞯妮敵鲭妷簽�:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中:
K1、K2為霍爾靈敏度系數(shù);
I1、I2為霍爾元件的激勵(lì)電流;
B1、B2為霍爾傳感器所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度;
θ為磁力線相對(duì)于霍爾傳感器的磁敏感面的傾斜角。
因?yàn)閮蓚�(gè)霍爾傳感器選用特性一致的同--型號(hào)霍 爾傳感器,采用同一激勵(lì)電流,處于同一-高度位置,所以K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
可見(jiàn)，由E1、E2可求出磁力線的傾斜角。
由圖1可見(jiàn)，隨著浮子上升,通過(guò)霍爾傳感器的磁力線的角度順時(shí)針變化，因此求出傾斜角0就可以得出浮子的位移。
3單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)控制器為一片MSP430F149單片機(jī)。MSP430F149的主要特性與功能如下:
(1)超低電流消耗:具有CPUOFF和OSCOFF模式，可在電壓降至1.8V情況下工作。
(2)基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊:包括1個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)和2個(gè)晶體振蕩器。
(3)系統(tǒng)內(nèi)置模塊:LCD驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器、I/O口、USART串口、看門狗、定時(shí)器、硬件乘法器、模擬比較器、EPROM等。
(4)16位RISC結(jié)構(gòu)，125as指令周期，等待方式進(jìn)行喚醒的時(shí)間為6Ixs.
(5)軟件可在RAM中運(yùn)行。程序可通過(guò)UART或測(cè)試引腳裝入RAM，并能在實(shí)時(shí)條件下運(yùn)行�？山档驮囼�(yàn)和調(diào)試的開(kāi)銷。
(6)儀3種指令格式，全部為正交結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了程序的開(kāi)發(fā)。ROM讀取、RAM存取、數(shù)據(jù)處理、1/O及其他外圍操作都使用公共指令，無(wú)特殊指令。
(7)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU,以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。如果晶體振蕩器在用作CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障,DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作;如果程序跑飛，看門狗可將其復(fù)位。
(8)具有高級(jí)語(yǔ)言編程能力,已開(kāi)發(fā)了C-編譯器，支持JTAG仿真。
線性霍爾傳感器將浮子位移轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)放大器放大后，由16位MCU進(jìn)行運(yùn)算處理和非線性修正后求得流量值，一方面送LCD顯示器顯示，另一方面送入DAC轉(zhuǎn)換成模擬量，再經(jīng)輸出轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。另外，還可通過(guò)串行通信接口RS485與上:位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
4軟件設(shè)計(jì)
軟件的主流程圖如圖3所示。單片機(jī)在上電和復(fù)位的時(shí)候，先要執(zhí)行初始化程序。然后，依次判斷功能模塊的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位有效時(shí)，執(zhí)行該功能模塊的程序，如標(biāo)志位無(wú)效，則跳過(guò)向下執(zhí)行。當(dāng)程序執(zhí)行到最后，再循環(huán)返回到初始化之后。
標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊和RS485串行通信模塊標(biāo)志位是由掃描撥碼開(kāi)關(guān)部分所決定的;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分通過(guò)不斷地讀取時(shí)鐘芯片DS1307來(lái)判斷是否到了預(yù)先設(shè)定的存儲(chǔ)時(shí)間，到存儲(chǔ)時(shí)間后進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序。RS485通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，人們不必直接到現(xiàn)場(chǎng)去查看各種儀表的參數(shù)值,通過(guò)觀看通訊界面即可獲得當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。
5結(jié)束語(yǔ).
由于采用霍爾傳感器進(jìn)行位移檢測(cè)，使流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器不需要任何可動(dòng)的機(jī)械零件,實(shí)現(xiàn)了全電子化和小型化，大大降低了回差;采用16位單片機(jī)進(jìn)行線性修正和運(yùn)算,可使流量計(jì)的流量指示精度由2.0級(jí)提高到1.0級(jí)。
由以上分析可見(jiàn)，由于采用霍爾傳感器和16位單片機(jī)，使流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了小型化、數(shù)字化和智能化,提高了流量計(jì)的精度,增加了流量計(jì)的功能，并使得開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線型的流量計(jì)成為可能。
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