传感器系列之4.3流量传感器
4.3 流量數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)
| 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/td> |
| 二、實(shí)驗(yàn)材料 |
| 三、實(shí)驗(yàn)原理 |
流量傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)境由PC機(jī)（安裝有Windows XP操作系統(tǒng)、ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境和J-Link-ARM-V410i仿真器）、J-Link-ARM仿真器、NXP LPC2378實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)板、水流量計(jì)（霍爾傳感器）、實(shí)驗(yàn)?zāi)K和LCD顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成，如圖4.3.1所示。
圖4.3.1 傳感器實(shí)驗(yàn)環(huán)境
| 1.水流量計(jì) |
(1) 基本原理
水流量傳感器主要由塑料閥體 、水流轉(zhuǎn)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(yīng)來(lái)測(cè)量磁性物理量。 在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻， 同時(shí)5V通上 的直流電壓并使電流方向與磁場(chǎng)方向正交。 當(dāng)水通過(guò)渦輪開關(guān)殼推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 產(chǎn)生不同磁極的旋場(chǎng)轉(zhuǎn)，磁切割磁感應(yīng)線，產(chǎn)生高低脈沖電平。由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)又速 與水流量成正比，根據(jù)水流量的大小啟動(dòng)燃?xì)鉄崴鳌Ｆ涿}沖信號(hào)頻率的經(jīng)驗(yàn)公式見式(1)。
由水流量傳感器的反饋信號(hào)通過(guò)控制器判斷水流量的值。根據(jù)燃?xì)鉄崴鳈C(jī)型的不同，選擇最佳的啟動(dòng)流量，可實(shí)現(xiàn)超低壓(0.02MPa 以下)啟動(dòng)。
(2) 應(yīng)用
它可裝在熱水器進(jìn)水端，用于檢測(cè)進(jìn)水流量，當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率、轉(zhuǎn)速和水流成線性關(guān)系，從而獲得水的流量。然后，霍爾元件就會(huì)相應(yīng)地輸出脈沖信號(hào)以至于可以反饋給控制器，接著就可以由控制器來(lái)有效地判斷水流量的變化大小。可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制比例閥的電流的大小，然后根據(jù)比例閥來(lái)控制燃?xì)獾臍饬?#xff0c;這樣就可以有效地預(yù)防在使用的過(guò)程當(dāng)中燃?xì)鉄崴鲿?huì)出現(xiàn)夏暖冬涼的狀況。
(3)水流量傳感器和水氣聯(lián)動(dòng)閥的對(duì)比
壓差式水氣聯(lián)動(dòng)閥的毛病是帶動(dòng)水壓高，而要想消沉帶動(dòng)水壓就必要斷送一定的穩(wěn)流賦性(水壓剛烈時(shí)的流量固執(zhí)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(huì)舉高，且水流帶動(dòng)壓力指標(biāo)也不克不及做得過(guò)于低。對(duì)水流量傳感器，在出水端增加穩(wěn)流組件，利用穩(wěn)流。形圈的幾多尺寸及物理遵命，經(jīng)由執(zhí)行成功開發(fā)了合用于不合容量熱水器的穩(wěn)流組件，存在很好的穩(wěn)流賦性(進(jìn)水壓力在0．1～0．5MPa變動(dòng)時(shí)，出水量變動(dòng)在3L/min以內(nèi))，包管進(jìn)水壓力變動(dòng)時(shí)，保持流量在一定局限內(nèi)，達(dá)到恒溫成果。
對(duì)比壓差式水氣聯(lián)動(dòng)閥和水流量傳感器，也許看出，前者是機(jī)械式，布局較復(fù)雜，體積大，但控制電路簡(jiǎn)單；后者是電氣式，布局相對(duì)簡(jiǎn)單，體積小，但控制電路復(fù)雜。加倍必要的是前者帶動(dòng)水壓較高，旱路系統(tǒng)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(dòng)水壓低，旱路系統(tǒng)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(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
如圖4.3.2所示，水流量計(jì)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(yīng)
霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的平行于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。霍爾效應(yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。
在半導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得半導(dǎo)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(lái)的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，此電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子和空穴受到電場(chǎng)力的作用而平衡掉磁場(chǎng)對(duì)其產(chǎn)生的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子和空穴能順利通過(guò)不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓
方便起見，假設(shè)導(dǎo)體為一個(gè)長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度分別為 ，磁場(chǎng)垂直 平面。電流經(jīng)過(guò) ，電流 ， 為電荷密度。設(shè)霍爾電壓為 ，導(dǎo)體沿霍爾電壓方向的電場(chǎng)為 。設(shè)磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)不在發(fā)生橫向偏轉(zhuǎn)，結(jié)果電流在磁場(chǎng)作用下在器件的兩個(gè)側(cè)面出現(xiàn)了穩(wěn)定的異號(hào)電荷堆積從而形成橫向霍爾電場(chǎng)：
圖4.3.4 霍爾效應(yīng)示意圖
其本質(zhì)為：固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場(chǎng)，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過(guò)程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。
(2) 霍爾元件
根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
(3) 霍爾傳感器
由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)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(guān)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(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。
| 4.霍爾電器工作原理 |
圖4.3.5霍爾電器的應(yīng)用圖例
水流轉(zhuǎn)子的相關(guān)組件主要的組成部分是制動(dòng)環(huán)、渦輪開關(guān)殼和磁性轉(zhuǎn)子。利用水流開關(guān)這個(gè)方式，它的尺寸明顯會(huì)縮小，而且它的性能比機(jī)械式的壓差盤結(jié)構(gòu)要好得多。在水流流經(jīng)渦輪開關(guān)殼的時(shí)候，就可以推動(dòng)磁性轉(zhuǎn)子，讓它旋轉(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)不同的磁極接近霍爾元件的時(shí)候，霍爾元件就會(huì)導(dǎo)通；當(dāng)磁極離開霍爾元件時(shí)，霍爾元件就會(huì)斷開。那么根據(jù)上面的信息就可以測(cè)量出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。根據(jù)實(shí)測(cè)的水流量、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和輸出信 (電壓)的曲線，便可確定出熱水器的啟動(dòng)水壓，以及啟動(dòng)水壓相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)水流量與轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速。由控制電路，便可實(shí)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)熱水器啟動(dòng)工作；在轉(zhuǎn)速小于啟動(dòng)轉(zhuǎn)速時(shí)，熱水停止工作。這樣熱水器啟動(dòng)水壓一般設(shè)定在 0．01 MPa，啟動(dòng)水流量為 3～5 L／min(需滿足熱水器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最高溫升的限制 )。還有根據(jù)實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、水流量還有輸出信號(hào)的曲線，就可以確定轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、熱水器的啟動(dòng)的水壓還有跟啟動(dòng)的水壓相對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)的水流量。所以，可以通過(guò)控制來(lái)完成當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速小時(shí)，熱水器的停止工作；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速大的時(shí)候，熱水器的啟動(dòng)工作。因此可以設(shè)定熱水器啟動(dòng)水壓和啟動(dòng)水流量。
還有，因?yàn)樗谟来诺拇艌?chǎng)的切割下，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榇呕?#xff0c;這個(gè)時(shí)候，水中的含氧量就會(huì)增多，所以，人洗完澡后會(huì)感覺(jué)特別的清爽。而制動(dòng)環(huán)是為了在停水的時(shí)候，可以阻止高速旋轉(zhuǎn)的磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以停止脈沖信號(hào)的輸出。那么，當(dāng)控制器沒(méi)有接收到脈沖信號(hào)的時(shí)候，它就會(huì)馬上控制燃?xì)獾谋壤y關(guān)閥，然后切斷氣源，這樣就可以有效地防止干燒的現(xiàn)象出現(xiàn)。所以，合理使用水流量傳感器，這對(duì)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(fā)出的脈沖信號(hào)，統(tǒng)計(jì)脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)，利用轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出水流總量。轉(zhuǎn)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(yàn)?zāi)KNE555電路圖
(1)NE555簡(jiǎn)介。
集成電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)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(shí)基電路的應(yīng)用從民用擴(kuò)展到火箭、導(dǎo)彈,衛(wèi)星,航天等高科技領(lǐng)域。在這期間，日本、西歐等各大公司和廠家也競(jìng)相仿制、生產(chǎn)。盡管世界各大半導(dǎo)體或器件公司、廠家都在生產(chǎn)各自型號(hào)的555／556時(shí)基電路，但其內(nèi)部電路大同小異，且都具有相同的引出功能端。它有很多優(yōu)異的性能而且用途極廣，它們表現(xiàn)在：第一，定時(shí)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(shù)字電路直接連接；第三，有一定的輸出功率，可驅(qū)動(dòng)微電機(jī)，指示燈、揚(yáng)聲器，第四，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活，用途廣泛，可組成各種波形的脈沖振蕩器、定時(shí)延時(shí)電路、雙穩(wěn)觸發(fā)電路、檢測(cè)電路、電源變換電路、頻率變換電路等，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制，測(cè)數(shù)，通信等各個(gè)領(lǐng)域。
(2)555電路的組成及功能
555電路有雙極型(TTL)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體型(CMOS)集成電路兩大類，它們?cè)陔娐饭δ芗肮苣_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(nèi)部有20多個(gè)晶體三極管和二極管，10多個(gè)電阻，大致可以分成分壓器、比較器、R—S觸發(fā)器、輸出級(jí)和放電開關(guān)五部分，如下圖所示，下面予以簡(jiǎn)單介紹。
比較器的參考電壓由三只5 K歐姆 的電阻器構(gòu)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(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)由6腳輸入并超過(guò) 時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，開關(guān)管導(dǎo)通，同時(shí)7腳對(duì)地放電；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于 時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，開關(guān)管截止，7腳對(duì)地為高阻狀態(tài)。4腳MR端是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平,平時(shí)該端開路或接 。5腳 端是控制電壓端，平時(shí) 作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01uf的電容器到地，起濾波作用，以消除外來(lái)的干擾，以確保參考電平的穩(wěn)定。TD為放電管，當(dāng)輸出端3腳輸出低電平時(shí)TD導(dǎo)通，將給接于7腳的電容器提供低阻放電回路，當(dāng)輸出端3腳輸出高電平時(shí)TD截止，接于7腳的電容器進(jìn)行充電。
輸出級(jí)是R—S觸發(fā)器的輸出經(jīng)反向放大器實(shí)現(xiàn)的，由于使用了一級(jí)大電流的反向放大器，所以不僅高電平時(shí)能輸出電流，在低電平時(shí)也能灌入電流，且電流較大，均為200mA。
圖4.3.8 NE555時(shí)基電路管腳排列圖
圖4.3.9 NE55內(nèi)部框圖
(3) NE555電路參數(shù)
NE555電路參數(shù)如表4.3.1所示
表4.3.1NE555電路參數(shù)
| 電源電壓VCC | V | 4.5—16 | 實(shí)際使用中取5—15 | 3—18 |
| 靜態(tài)電流IO | mA | 10 | 電源電壓15V時(shí)的空載電流 | 0.12 |
| 定時(shí)精度 | % | 1 | 作定時(shí)器時(shí)的誤差為1% | 2 |
| 閥值電壓VTH | V | 2/3VCC | VTH≥2/3VCC時(shí)， VO從1→0 | 2/3VC |
| 閥值電流ITH | μA | 0.1 | 使VTH≥2/3VCC，翻轉(zhuǎn)所需電流 | 0.05 |
| 觸發(fā)電壓VTR | V | 1/3VCC | VTR≤1/3VCC時(shí)， VO從0→1 | 1/3VC |
| 觸發(fā)電流ITR | μA | 0.5 | 使VTR≤1/3VCC，翻轉(zhuǎn)所需電流 | 0.05 |
| 復(fù)位電壓VMR | V | 1 | 使輸出復(fù)位VO=0，則VMR≤1 | 1 |
| 復(fù)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(qū)動(dòng)電流IL | mA | 200 | 輸出端向負(fù)載提供的最大電流 | 1—20 |
| 最高工頻率fm | KHZ | 500 | 作振蕩器時(shí)的最高頻率 | 500 |
| 輸出內(nèi)阻r | Ω | 10—20 | r =(VCC—V0)/IL或V0/IL | 幾百 |
| 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi) |
| 1．實(shí)驗(yàn)器材連線 |
本實(shí)驗(yàn)所使用的水流量計(jì)實(shí)物圖如圖4.3.6所示，流量傳感模塊實(shí)物圖如圖4.1.7所示。
圖4.3.10水流量計(jì)實(shí)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(fā)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(jié)點(diǎn)板的J2相連，并給NXP LPC2378節(jié)點(diǎn)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(cè)試驗(yàn) |
本實(shí)驗(yàn)，通過(guò)水流量計(jì)檢測(cè)霍爾電器的輸出脈沖，再根據(jù)轉(zhuǎn)換公式，計(jì)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(nèi)容如下面的代碼區(qū)所示內(nèi)容。
| 3.水流量檢測(cè)試驗(yàn) |
本實(shí)驗(yàn)，通過(guò)水流量計(jì)檢測(cè)霍爾電器的輸出脈沖，再根據(jù)轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算出水流量的大小，當(dāng)水流量的總量超過(guò)某個(gè)值時(shí)，顯示警告信息“warning”，用來(lái)模擬生活中往太陽(yáng)能中注水，當(dāng)水量充足時(shí)，自動(dòng)斷開。
打開工程flow，修改Main.c中的內(nèi)容如下面的代碼區(qū)所示內(nèi)容。
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/shugen/p/6863016.html
總結(jié)
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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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