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    山猫直播选择新異性磁電阻開關芯片的工作真理與設計制作

    發表時間:2020-03-05   點擊次數:334 技術支柱:1560-1403-222
    隨著技術的升級疊代,各種新技術與新材料也在山猫直播這種傳統型的液位計中被采用,因為山猫直播具有廣泛的應用領域,在液位計應用市場中占了非常大的比率。本文介紹的即為利用各向異性磁電阻(AMR)開關芯片設計了一種山猫直播及其測試電路系統,利用微處理器的 I/O 口直接讀取各個 AMR 傳感器的輸出電壓,從而獲得液位高度信息,利用 USB 轉UART 實現和計算機之間的液位數據通信。測試結果表明,所制作的液位計可以準確監測液位高度。是山猫直播未來的發展方向之一。

    1 引言
    山猫直播由于具有結構簡單、成本低、測量范圍寬、讀數直觀、安裝运用維修便当,且液位指示器與測量介質整体隔離而具有安全性好等優點,廣泛的應用在煉油、食品加工、化工、冶金、醫藥、環保等行業的液位測量中。常見的山猫直播选拔干簧管作為磁敏感元件,然而干簧管易碎,在運輸和焊接過程中安全性差。干簧管為機械結構,有工作壽命限制,特別是在大電流的高負載條件下,其壽命會縮短。同時,运用干簧管設計的山猫直播分辨率和精度也不高,因而,有進一步研制分辨率和精度高的山猫直播。

    基于各向異性磁電阻效應的開關芯片,靈敏度高、體積小、成本低,在消費電子、智能家居、汽車電子等領域有廣闊的應用前景。由于AMR開關芯片是固態器件,沒有干簧管易碎的問題,開關壽命也遠干簧管,同時,AMR 開關芯片集成了處理電路,使得山猫直播電路設計變得十分簡單。于是,使用 AMR 開關芯片來替代干簧管制作山猫直播,將征服干簧管山猫直播的諸多難題。本研究利用 AMR 開關芯片設計了一個磁性液位傳感器,解析了器件結構設計、電路信號處理,所制作的山猫直播可能容易的檢測液位高度,并能够和計算機通訊傳遞液位數據。

    2 系統原理與設計
    2.1 AMR開關芯片
    AMR開關芯片是基于磁性薄膜的各向異性磁電阻效應而開發的一類傳感器芯片,當外磁場強度低于其工作點時,輸出高電平;反之,當外磁場強度高于其工作點時,輸出低電平。本設計采用電子科技大學與貴州雅光電子股份有限責任公司聯合研制的 CC7001AMR 開關芯片 [5] 來設計山猫直播。該AMR 開關芯片采用 SOT-23 封裝,尺寸小,適用于山猫直播,所采用的芯片輸出曲線如圖 1 所示,由于該傳感器芯片已經集成了信號處理電路,直接輸出高低電平,省去了很多后處理電路,使得設計液位計電路變得非常簡單。該芯片的主要指標為: 工作電壓 1.8~5 V,工作溫度-55~+150 ,工作點為 10 Oe,磁滯 1 Oe,靜態電流僅 1.6 μA。
     CC7001 磁電阻開關芯片典型輸出曲線

    2.2 工作原理
    利用 AMR 開關芯片設計的山猫直播及其工作道理如圖 2 所示。內含永磁體的浮子置于連通器中,液位計在連通器外貼連通器。該液位計包括12 個等間距分布的 AMR 開關芯片。其基本原理是:與浮子緊鄰的 AMR 開關芯片受到磁體磁場功用,其輸出電壓為低電平,而遠離浮子的開關芯片輸出電壓為高電平,當浮子隨著液面變化在連通器內上下移動時,開關芯片的輸出特点隨著變化。是以,通過判斷每個開關芯片的輸出電壓巨细理解浮子的场所,從而確定液位。
    液位計結構及工作原理示意圖
    2.3 電路設計與制作
    液位檢測電路系統主要包含電源轉換、理器、OLED 顯示屏、USB 轉 UART通信以及其他相關模塊等,如圖 3 所示。个中,電源轉換用于獲得裝置所需的各路電壓,微處理器通過片上 A/D 收集電源轉換的電壓進行電壓監測。通過 I/O 口搜集 12 路開關芯片的電壓信息,通過 USB轉 UART 通讯液位數據傳輸至電腦等其他設備,USB 轉 UART 通信以 SCI通信方式實現電腦與微處理器接。同時在 OLED 顯示屏液位信息,OLED 顯示屏以 IIC通信方式與微處理器接。對于个中任意一個 AMR開關芯片,其檢測電路如圖 4 所示。
    單個 AMR 開關芯片檢測電路液位檢測程序流程
    理器的液位檢測程序流程如圖 5 所示。當檢測電路通電后,進行初始化,啟動定時器,定時時間為 250 ms,若定時時間到,則通過片上 I/O 搜罗 12 路開關芯片的電壓,計算出液面信息,并通過SCI 傳輸至 USB 轉 UART 模塊,OLED 顯示屏會顯示相關信息,循環上述過程,直至結束。在計算液面高度時,若是只有一個開關芯片的輸出電壓為低電平,則認為液面此時位于該開關芯片位置,當有兩個相鄰的開關芯片輸出電壓為低電平時,則認為液位介于這兩個開關芯片之間。設計的液位計中兩個相鄰開關芯片距離為 1 cm,因而,不妨認為本文設計的液位計可以分辨 0.5 cm 的距離。通過降低兩個相鄰芯片之間的距離,結合位置計算算法,可以進一步提高液位的分辨率。根據所設計的液位檢測電路系統,选择兩層印制電路板工藝制作實物樣品,如圖 6 所示,此中微處理器拔取意法半導體的 STM32F101C8 單片機。
    液位檢測計實物照片

    3 應用效果
    采用制作的液位檢測裝置測試了容器中的液面高度,圖 7 給出了浮子在分歧液面高度時,山猫直播測試結果在 OLED 顯示屏的顯示圖像。圖 7a 顯示的是浮子位于第 6 個芯片時的結果,圖 7b 顯示的是浮子介于第 5 個和第 6 個開關芯片之間的結果。可見,磁性液位傳感器可以灵验的檢測液面高度。

    4 結束語
    基于 AMR 開關芯片對磁場的輸出特征,設計了一種山猫直播及其處理電路系統,利用 USB 轉UART 接口實現與計算機等設備的通信,便于該山猫直播的二次開發。該山猫直播具有結構簡單可靠、壽命長的特點,可能廣泛應用于火油、化工以及各種油箱、水箱、液體存儲罐中監測液位。

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