LC振荡无磁流量表的实验模块设计_王小利.pdf
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1、 第 卷 第 期 年 月:振荡无磁流量表的实验模块设计王小利,陈 凯,李家宝,王福安,郭春生(山东大学 机电与信息工程学院,山东 威海)摘 要:为了实现流体流量的高精度测量以及流量数据的便捷式读取,设计了一款基于低功耗 位 系列单片机的无磁流量表实验模块。该实验模块以 系列单片机为主控制器,在该无磁流量表实验模块中设计的通信模块对流量数据进行远程读取,并用磁性传感器模块检测无磁流量表内的无磁环境。实验结果表明,所设计的无磁流量表实验模块实现了流体流量的高精度测量以及流量数据便携式读取的目标,且测量精度可达 。该设计的模块,也可应用于居民用水量监测以及其他流体的流量测量领域。关键词:传感器;无磁
2、计量;系列单片机;低功耗中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:年山东省本科教学改革研究项目()作者简介:王小利(),男,山东冠县人,硕士,研究员,主要从事微电网控制设备、无线通信设备研发、检测技术与装置、微小卫星星载仪器技术相关研究。:;:通信作者:王福安(),男,山东寿光人,学士,副研究员,主要从事资产与实验室管理相关研究。:;:,(,):,:;引 言嵌入式开发是电子信息专业的一个重要领域。随着现如今我国社会经济的飞速发展,我国对于资源的消耗量也随之大大增加。但是在地球上不可再生资源是有限的,节约能源工作也越来越受到了人们的重视,对流量的测量技术以及测量精度的要求也在逐步
3、提高。水表、气表是各家各户必备仪表,其性能高低对能否准确测量水和天然气等重要资源有很大的影响。而传统的流量表多为机械流量表和有磁流量表,其中机械流量表有着抄表不方便且计量不准确的 第 期王小利,等:振荡无磁流量表的实验模块设计缺点;而有磁流量表容易因外界的干扰而导致测量精度下降。这些状况都容易造成国家水利资源的浪费以及经济损失。为弥补以上不足,本文设计并搭建了无磁流量表实验模块,采用无磁传输克服了磁干扰等问题,以提高测量的精度和可靠性,满足了人们对流量测量的要求。流量测量原理 无磁流量表实验模块结构原理通过机械装置将流体的流动转化为旋转体的转动,从而实现对流体流量的测量。设计的无磁流量表实验模
4、块的基础原理是 振荡时电感遇到导体会产生电涡流从而加速振荡的衰减过程。在叶轮的轴承上固定一个转子盘,该转子盘一半为金属一半为空(即非金属),如图 所示。由图可知,将 个 传感器固定在表壳上并且让其成 度置于转子盘上方,当无磁流量表实验模块的通道有流体流过时,将会带动叶轮以及叶轮上方的转子盘转动,电感就会在转子盘表面的位置发生交替变化。由电感在转子盘上方的位置决定了谐振回路的阻尼系数,当电感位于区域 时,回路的阻尼系数是要高于电感位于 区域时回路的阻尼系数。通过测量谐振回路不同的阻尼系数,实现对转子盘转动的测量,进而实现了对流体流量的测量。图 测量旋转运动原理示意图 振荡电路工作原理 传感器是由
5、 个电感及 个电容所组成的 谐振电路,使用 传感器可检测 振荡电路发生振荡时,其电感中磁通量的变化情况,如图 所示。由图可知,当 电路发生振荡时,电感线圈中将会产生 个具有时变特性的磁场,这个磁场通常不会受到外部因素的影响。但当转子盘的金属部分靠近振荡的电感时,其金属导体内就会产生涡流,同时还产生了磁滞损耗。这两种效应都会造成交变磁场的能量损耗,进而加速了输出正弦曲线的衰减过程。无磁流量表实验模块中的 个 传感器通过谐振频率的变化可用于检测顺时针和逆时针旋转,当水龙头突然关闭时,会出现水流反弹现象,进而使得无磁流量表实验模块中的转子盘在水管中水流速度降到 之前反复地顺时针逆时针转动,如图 所示
6、。由图可知,当 传感器检测到金属部分时,会输出一个逻辑低电平;当 传感器检测到非金属部分时,会输出一个逻辑高电平。个 传感器相隔,因此 个传感器输出信号也总是相差,这种设置会使得传感器有 个状态:、和,通过这 个状态的顺序便可知道旋转方向。()金属盘检测及信号()非金属检测及信号图 转子盘金属和非金属检测的振荡信号()状态变化流程()状态变化时序图图 个 传感器的状态变化 无磁流量表实验模块硬件设计本文设计的无磁流量表实验模块的系统构成框架如图 所示。图 无磁流量表实验模块系统构成框架 模块由于低功耗元器件是改善嵌入式硬件系统的最直接的手段,通过选择功耗低且性能良好的元器件,将硬件电量的耗电性
7、能做到改善是实现低功耗的第一步。本文采用 芯片为 微控制器,其有着 的宽电源电压范围,且工作电流为 、待机电流仅为 ,提供了高达 的非易失性存储器,高达 的 时钟第 卷频率,具有内部振荡器、看门狗和断电复位的高系统集成水平。电源模块无磁流量表实验模块采用电池供电,并通过系统电源模块转化成需要的电压对芯片以及其他模块进行供电,电源模块如图 所示。()无磁流量表电源模块主体()无磁流量表电源模块接口图 无磁流量表电源模块 通信模块及红外接收模块为实验无接触远程抄表,本设计采用了一个待机功耗仅为 并且可以远程通信的 模块,如图 所示。并采用二进制脉冲码形式来表示信号传输的红外接收模块,以便当无磁流量
8、表实验模块发生故障时,维修人员可使用红外手持设备与无磁流量表实验模块进行红外通信进而对其进行检查与维修,红外接收模块原理如图 所示。图 模块端口 振荡模块图 所示为设计的 个 振荡电路组成的 振荡模块,是无磁流量表实验模块最核心也是最关键的模块。图 红外接收模块电路原理图 振荡模块电路图 磁性传感器模块为了检测内部无磁环境,本设计采用了磁性传感器模块,以此来检测是否有磁性物质靠近,无磁流量表中的磁性传感器模块原理如图 所示。图 磁性传感器模块结构 图 所示为无磁流量表实验模块的印制电路板,用于直观展示无磁流量表实验模块的电路组成结构。()印制电路板正面结构()印制电路板背面结构图 无磁流量表实
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