4.3 流量數據采集實驗

一、實驗目的

掌握水流量計的結構與工作原理

掌握霍爾傳感器的使用

二、實驗材料

具有USB 串口通訊的PC 機1 臺

ADS1.2 集成開發軟件1 套

J-Link-ARM 仿真器及軟件1 套

NXP LPC2378 實驗節點板1 個

LCD 顯示實驗板1 個

BMP085數字氣壓傳感器模塊1個

三、實驗原理

流量傳感器實驗環境由PC機（安裝有Windows XP操作系統、ADS1.2集成開發環境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378實驗節點板、水流量計（霍爾傳感器）、實驗模塊和LCD顯示實驗模塊組成，如圖4.3.1所示。

圖4.3.1 傳感器實驗環境

1.水流量計

(1) 基本原理
水流量傳感器主要由塑料閥體 、水流轉子組件和霍爾傳感器組成。水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應來測量磁性物理量。 在霍爾元件的正極串入負載電阻， 同時5V通上 的直流電壓并使電流方向與磁場方向正交。 當水通過渦輪開關殼推動磁性轉子轉動時， 產生不同磁極的旋場轉，磁切割磁感應線，產生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性轉子的轉速成正比，轉子的轉又速 與水流量成正比，根據水流量的大小啟動燃氣熱水器。其脈沖信號頻率的經驗公式見式(1)。

由水流量傳感器的反饋信號通過控制器判斷水流量的值。根據燃氣熱水器機型的不同，選擇最佳的啟動流量，可實現超低壓(0.02MPa 以下)啟動。
(2) 應用
它可裝在熱水器進水端，用于檢測進水流量，當水通過水流轉子組件時，磁性轉子轉動并且轉速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，脈沖信號的頻率、轉速和水流成線性關系，從而獲得水的流量。然后，霍爾元件就會相應地輸出脈沖信號以至于可以反饋給控制器，接著就可以由控制器來有效地判斷水流量的變化大小。可以通過調節控制比例閥的電流的大小，然后根據比例閥來控制燃氣的氣量，這樣就可以有效地預防在使用的過程當中燃氣熱水器會出現夏暖冬涼的狀況。
(3)水流量傳感器和水氣聯動閥的對比
　　壓差式水氣聯動閥的毛病是帶動水壓高，而要想消沉帶動水壓就必要斷送一定的穩流賦性(水壓剛烈時的流量固執能力)。
　　為了能使兩者分身，唯有加洪流閥膜片，但如許隨著閥體的增大成本會舉高，且水流帶動壓力指標也不克不及做得過于低。對水流量傳感器，在出水端增加穩流組件，利用穩流。形圈的幾多尺寸及物理遵命，經由執行成功開發了合用于不合容量熱水器的穩流組件，存在很好的穩流賦性(進水壓力在0．1～0．5MPa變動時，出水量變動在3L/min以內)，包管進水壓力變動時，保持流量在一定局限內，達到恒溫成果。
　　對比壓差式水氣聯動閥和水流量傳感器，也許看出，前者是機械式，布局較復雜，體積大，但控制電路簡單；后者是電氣式，布局相對簡單，體積小，但控制電路復雜。加倍必要的是前者帶動水壓較高，旱路系統阻力較大，不宜用在10L/min以上的大容量熱水器AZ；爾后者帶動水壓低，旱路系統阻力小，在10L/min以上的大容量熱水器上已普及采用。

圖4.3.2水流量計的結構簡圖
如圖4.3.2所示，水流量計的輸出波形圖:方波；引出線方式：紅黃綠三根線，其中黑線接地，黃色為輸出線，紅色色接VCC，作為工作電壓。

2.霍爾傳感器

(1) 霍爾效應
霍爾效應是電磁效應的一種，這一現象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機制時發現的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的平行于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電勢差，這一現象就是霍爾效應。這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應應使用左手定則判斷。
在半導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產生電場，此電場將會使后來的電子和空穴受到電場力的作用而平衡掉磁場對其產生的洛倫茲力，使得后來的電子和空穴能順利通過不會偏移，此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓
方便起見，假設導體為一個長方體，長度分別為 ，磁場垂直 平面。電流經過 ，電流 ， 為電荷密度。設霍爾電壓為 ，導體沿霍爾電壓方向的電場為 。設磁場強度為 。洛倫茲力為：

圖4.3.3 洛倫茲力示意圖
電荷在橫向受力為零時不在發生橫向偏轉，結果電流在磁場作用下在器件的兩個側面出現了穩定的異號電荷堆積從而形成橫向霍爾電場：

圖4.3.4 霍爾效應示意圖
其本質為：固體材料中的載流子在外加磁場中運動時，因為受到洛侖茲力的作用而使軌跡發生偏移，并在材料兩側產生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側建立起一個穩定的電勢差即霍爾電壓。正交電場和電流強度與磁場強度的乘積之比就是霍爾系數。平行電場和電流強度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導電過程的不僅有帶負電的電子，還有帶正電的空穴。
(2) 霍爾元件
根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。
(3) 霍爾傳感器
由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。

3.霍爾傳感器的分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。
(1) 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。
(2) 開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

4.霍爾電器工作原理

圖4.3.5霍爾電器的應用圖例
水流轉子的相關組件主要的組成部分是制動環、渦輪開關殼和磁性轉子。利用水流開關這個方式，它的尺寸明顯會縮小，而且它的性能比機械式的壓差盤結構要好得多。在水流流經渦輪開關殼的時候，就可以推動磁性轉子，讓它旋轉起來。當不同的磁極接近霍爾元件的時候，霍爾元件就會導通；當磁極離開霍爾元件時，霍爾元件就會斷開。那么根據上面的信息就可以測量出轉子的轉速。根據實測的水流量、轉子轉速和輸出信 (電壓)的曲線，便可確定出熱水器的啟動水壓，以及啟動水壓相對應的啟動水流量與轉子的啟動轉速。由控制電路，便可實現當轉子轉速大于啟動轉速時熱水器啟動工作；在轉速小于啟動轉速時，熱水停止工作。這樣熱水器啟動水壓一般設定在 0．01 MPa，啟動水流量為 3～5 L／min(需滿足熱水器標準對最高溫升的限制 )。還有根據實際測量的轉子轉速、水流量還有輸出信號的曲線，就可以確定轉子的啟動轉速、熱水器的啟動的水壓還有跟啟動的水壓相對應的啟動的水流量。所以，可以通過控制來完成當轉子的轉速比啟動的轉速小時，熱水器的停止工作；當轉子的轉速比啟動的轉速大的時候，熱水器的啟動工作。因此可以設定熱水器啟動水壓和啟動水流量。
還有，因為水在永磁的磁場的切割下，會轉變為磁化水，這個時候，水中的含氧量就會增多，所以，人洗完澡后會感覺特別的清爽。而制動環是為了在停水的時候，可以阻止高速旋轉的磁性轉子的轉動，因此可以停止脈沖信號的輸出。那么，當控制器沒有接收到脈沖信號的時候，它就會馬上控制燃氣的比例閥關閥，然后切斷氣源，這樣就可以有效地防止干燒的現象出現。所以，合理使用水流量傳感器，這對人體的安全是非常有保障的。
因此，在程序中中，我們只需要獲取霍爾傳感器發出的脈沖信號，統計脈沖信號，根據脈沖信號，利用轉換公式計算出水流總量。轉換公式為：

程序流程圖如下：

圖4.3.6程序流程圖

5.NE55整形模塊

圖4.3.7 試驗模塊NE555電路圖
(1)NE555簡介。
集成電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結合在同一硅片上的組合集成電路。由于采用CMOS型工藝和高度集成，使時基電路的應用從民用擴展到火箭、導彈,衛星,航天等高科技領域。在這期間，日本、西歐等各大公司和廠家也競相仿制、生產。盡管世界各大半導體或器件公司、廠家都在生產各自型號的555／556時基電路，但其內部電路大同小異，且都具有相同的引出功能端。它有很多優異的性能而且用途極廣，它們表現在：第一，定時精度，工作速度和可靠性高；第二，使用的電源電壓范圍寬，從3V到18V，能和數字電路直接連接；第三，有一定的輸出功率，可驅動微電機，指示燈、揚聲器，第四，結構簡單，使用靈活，用途廣泛，可組成各種波形的脈沖振蕩器、定時延時電路、雙穩觸發電路、檢測電路、電源變換電路、頻率變換電路等，被廣泛應用于自動控制，測數，通信等各個領域。
(2)555電路的組成及功能
555電路有雙極型(TTL)和互補金屬氧化物半導體型(CMOS)集成電路兩大類，它們在電路功能及管腳排列上基本一致，下面以雙極型的555為例介紹。TTL的555電路內部有20多個晶體三極管和二極管，10多個電阻，大致可以分成分壓器、比較器、R—S觸發器、輸出級和放電開關五部分，如下圖所示，下面予以簡單介紹。
比較器的參考電壓由三只5 K歐姆 的電阻器構成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為 和 。A1和A2的輸出端控制R—S觸發器狀態和放電管開關狀態。當輸入信號由6腳輸入并超過 時，觸發器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，開關管導通，同時7腳對地放電；當輸入信號自2腳輸入并低于 時，觸發器置位，555的3腳輸出高電平，開關管截止，7腳對地為高阻狀態。4腳MR端是復位端，當其為0時，555輸出低電平,平時該端開路或接 。5腳 端是控制電壓端，平時 作為比較器A1的參考電平，當5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接一個0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確保參考電平的穩定。TD為放電管，當輸出端3腳輸出低電平時TD導通，將給接于7腳的電容器提供低阻放電回路，當輸出端3腳輸出高電平時TD截止，接于7腳的電容器進行充電。
輸出級是R—S觸發器的輸出經反向放大器實現的，由于使用了一級大電流的反向放大器，所以不僅高電平時能輸出電流，在低電平時也能灌入電流，且電流較大，均為200mA。

圖4.3.8 NE555時基電路管腳排列圖

圖4.3.9 NE55內部框圖
(3) NE555電路參數
NE555電路參數如表4.3.1所示
表4.3.1NE555電路參數

項 目單位555參數說 明7555參數對比

電源電壓VCC	V	4.5—16	實際使用中取5—15	3—18
靜態電流IO	mA	10	電源電壓15V時的空載電流	0.12
定時精度	%	1	作定時器時的誤差為1%	2
閥值電壓VTH	V	2/3VCC	VTH≥2/3VCC時， VO從1→0	2/3VC
閥值電流ITH	μA	0.1	使VTH≥2/3VCC，翻轉所需電流	0.05
觸發電壓VTR	V	1/3VCC	VTR≤1/3VCC時， VO從0→1	1/3VC
觸發電流ITR	μA	0.5	使VTR≤1/3VCC，翻轉所需電流	0.05
復位電壓VMR	V	1	使輸出復位VO=0，則VMR≤1	1
復位電流IMR	μA	400	使VO=0，MR端所需電流	0.1
放電電流IDIS	mA	200	放電管的最大放電電流	10—50
驅動電流IL	mA	200	輸出端向負載提供的最大電流	1—20
最高工頻率fm	KHZ	500	作振蕩器時的最高頻率	500
輸出內阻r	Ω	10—20	r =(VCC—V0)/IL或V0/IL	幾百

四、實驗內

1．實驗器材連線

本實驗所使用的水流量計實物圖如圖4.3.6所示，流量傳感模塊實物圖如圖4.1.7所示。

圖4.3.10水流量計實物圖

圖4.3.11流量傳感器模塊
將流量傳感器模塊安裝到開發板上，然后用JLINK仿真器的一端用USB接口與電腦相連，一端的20Pin的JTAG引腳與NXP LPC2378節點板的J2相連，并給NXP LPC2378節點板上電，如圖4.1.8所示。

圖4.3.12流量傳感器模塊電路接口

2.水流量檢測試驗

本實驗，通過水流量計檢測霍爾電器的輸出脈沖，再根據轉換公式，計算出水流量的大小，并在LCD上輸出。
打開工程flow，修改Main.c中的內容如下面的代碼區所示內容。

int val;int xpos,ypos;long count;uint8 sndBuf[20];//設置LCD屏幕引腳 PINSEL3=PINSEL3 & 0x00000000;IO1DIR=IO1DIR|0x05700000;// 設置串口0，P0.2-TXD0 P0.3-RXD0//PINSEL0 = PINSEL0 & 0x00000050; //P0.2 P0.3不使用上拉電阻PINMODE0 = PINMODE0 & 0x000000A0; //去除P0.16上拉電阻//PINMODE0 |= 0x80000000;PINMODE1 |= 0x00000002;//屏幕初始化 RESET0; //復位 delay(50);RESET1; delay(100); lcd_init();delay(20);LCD_Frame();DispAscStr(0,12," ",2,&xpos,&ypos);DispChnStr(xpos,ypos,"流量模塊測試",6,&xpos,&ypos);count=0;while(1){//if((IO0PIN&0x00200000)==0x00200000)//高電平脈沖if((FIO3PIN&(1<<3))==(1<<3)){count++;}DispChnStr(0,40,"流量值",3,&xpos,&ypos);//計算公式Q=f*1000/360//Q：水流量，單位L//F霍爾傳感器輸出脈沖val=count*1000/360;pval=val/pcount;sndBuf[0]=':';sndBuf[1]=(val%10000)/1000+'0';sndBuf[2]='.';sndBuf[3]=(val%1000)/100+'0';sndBuf[4]=(val%100)/10+'0';sndBuf[5]=val%10+'0';sndBuf[6]='L';DispAscStr(xpos,ypos,sndBuf,7,&xpos,&ypos);while((FIO3PIN&(1<<3))==(1<<3));while((FIO3PIN&(1<<3))!=(1<<3)); }

3.水流量檢測試驗

本實驗，通過水流量計檢測霍爾電器的輸出脈沖，再根據轉換公式，計算出水流量的大小，當水流量的總量超過某個值時，顯示警告信息“warning”，用來模擬生活中往太陽能中注水，當水量充足時，自動斷開。
打開工程flow，修改Main.c中的內容如下面的代碼區所示內容。

int val,initval,leftval;//已注水，定水量，剩余水量int xpos,ypos;long count;uint8 sndBuf[20];uint8 sndBuf2[20];//省略了屏幕初始化內容，請參考上例。 DispAscStr(0,12," ",2,&xpos,&ypos);DispChnStr(xpos,ypos,"流量監控測試",6,&xpos,&ypos);initval=2000;//定水量如2Lcount=0;while(1){//if((IO0PIN&0x00200000)==0x00200000)//高電平脈沖if((FIO3PIN&(1<<3))==(1<<3)){count++;}val=count*1000/360;leftval=initval-val;if(leftval!=0.0){sndBuf2[0]=':';sndBuf2[1]=(leftval%10000)/1000+'0';sndBuf2[2]='.';sndBuf2[3]=(leftval%1000)/100+'0';sndBuf2[4]=(leftval%100)/10+'0';sndBuf2[5]=leftval%10+'0';sndBuf2[6]='L';DispAscStr(0,40,"leftval",7,&xpos,&ypos);DispAscStr(xpos,ypos,sndBuf2,7,&xpos,&ypos);}else{drawrect(0,40,128,48,0x2345);DispAscStr(0,40,"warning!",8,&xpos,&ypos);return 0;//停機}//****************************************************/sndBuf[0]=':';sndBuf[1]=(val%10000)/1000+'0';sndBuf[2]='.';sndBuf[3]=(val%1000)/100+'0';sndBuf[4]=(val%100)/10+'0';sndBuf[5]=val%10+'0';sndBuf[6]='L';DispAscStr(0,100,"inputval",8,&xpos,&ypos);DispAscStr(xpos,ypos,sndBuf,7,&xpos,&ypos);while((FIO3PIN&(1<<3))==(1<<3));while((FIO3PIN&(1<<3))!=(1<<3)); }

轉載于:https://www.cnblogs.com/shugen/p/6863016.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的传感器系列之4.3流量传感器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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