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基于各向異性磁電阻(AMR)開關芯片的磁性液位計

發(fā)布時間:2019-03-11  發(fā)布作者:

本文中心主旨:磁性液位計具有廣泛的應用領域。利用各向異性磁電阻(AMR)開關芯片設計了一種磁性液位計及其測試電路系統(tǒng),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(zhuǎn)UART 實現(xiàn)和計算機之間的液位數(shù)據(jù)通信。測試結(jié)果表明,所制作的液位計可以準確監(jiān)測液位高度。

1 引言

     磁性液位計由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量范圍寬、讀數(shù)直觀、安裝使用維修方便,且液位指示器與測量介質(zhì)完全隔離而具有安全性好等優(yōu)點,廣泛地應用在煉油、食品加工、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的液位測量中 [1-3] 。常見的磁性液位計采用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較差。干簧管為機械結(jié)構(gòu),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,利用干簧管設計的磁性液位計分辨率和精度也不高 [4] ,因此,有必要進一步研制分辨率和精度高的磁性液位計。

     基于各向異性磁電阻效應(AMR)的開關芯片,靈敏度高、體積小、成本低,在消費電子、智能家居、汽車電子等領域都有廣闊的應用前景 [5] 。由于AMR開關芯片是固態(tài)器件,沒有干簧管易碎的問題,開關壽命也遠大于干簧管,同時,AMR 開關芯片已經(jīng)集成了處理電路,使得磁性液位計電路設計變得十分簡單。因此,利用 AMR 開關芯片來替代干簧管制作磁性液位計,將克服干簧管磁性液位計的諸多難題。本研究利用 AMR 開關芯片設計了一個磁性液位傳感器,分析了器件結(jié)構(gòu)設計、電路信號處理,所制作的磁性液位計可以方便地檢測液位高度,并可以和計算機通訊傳遞液位數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)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(fā)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(lián)合研制的 CC7001AMR 開關芯片 [5] 來設計磁性液位計。該AMR 開關芯片采用 SOT-23 封裝,尺寸小,適用于磁性液位計,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(jīng)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(tài)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 開關芯片設計的磁性液位計及其工作原理如圖 2 所示。內(nèi)含永磁體的浮子置于連通器中,液位計在連通器外緊貼連通器。該液位計包含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作用,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(nèi)上下移動時,開關芯片的輸出特性隨著變化。因此,通過判斷每個開關芯片的輸出電壓大小即可知道浮子的位置,從而確定液位。

液位計結(jié)構(gòu)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(tǒng)主要包括電源轉(zhuǎn)換、微處理器、OLED 顯示屏、USB 轉(zhuǎn) UART(通用異步收發(fā)傳輸器)通信以及其他相關模塊等,如圖 3 所示。其中,電源轉(zhuǎn)換用于獲得裝置所需的各路電壓,微處理器通過片上 A/D 采集電源轉(zhuǎn)換的電壓進行實時電壓監(jiān)測。通過 I/O 口采集 12 路開關芯片的電壓信息,通過 USB轉(zhuǎn) UART 通信將液位數(shù)據(jù)傳輸至電腦等其他設備,USB 轉(zhuǎn) UART 通信以 SCI(串行通信接口)通信方式實現(xiàn)電腦與微處理器相連接。同時在 OLED 顯示屏液位信息,OLED 顯示屏以 IIC(兩線式串行總線)通信方式與微處理器相連接。對于其中任意一個 AMR開關芯片,其檢測電路如圖 4 所示。

總體電路結(jié)構(gòu)單個 AMR 開關芯片檢測電路

液位檢測程序流程

     微處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 采集 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(zhuǎn) UART 模塊,OLED 顯示屏也會顯示相關信息,循環(huán)上述過程,直至結(jié)束。在計算液面高度時,如果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都為低電平時,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,因此,可以認為本文設計的液位計可以分辨 0.5 cm 的距離。通過降液位檢測計實物照片不同液面高度時液位計的輸出結(jié)果低兩個相鄰芯片之間的距離,結(jié)合位置計算算法,可以進一步提高液位的分辨率。

     根據(jù)所設計的液位檢測電路系統(tǒng),采用兩層印制電路板工藝制作實物樣品,如圖 6 所示,其中微處理器采用意法半導體的 STM32F101C8 單片機。

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 給出了浮子在不同液面高度時,磁性液位計測試結(jié)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(jié)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(jié)果。可見,磁性液位傳感器可以有效地檢測液面高度。

4 結(jié)束語

     基于 AMR 開關芯片對磁場的輸出特性,設計了一種磁性液位計及其處理電路系統(tǒng),利用 USB 轉(zhuǎn)UART 接口實現(xiàn)與計算機等設備的通信,便于該磁性液位計的二次開發(fā)。該磁性液位計具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、壽命長的特點,可以廣泛應用于石油、化工以及各種油箱、水箱、液體存儲罐中監(jiān)測液位。

 

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