磁翻板液位計(jì)采用新異性磁電阻開關(guān)芯片的工作原理與設(shè)計(jì)制作

隨著技術(shù)的升級(jí)疊代，各種新技術(shù)與新材料也在磁翻板液位計(jì)這種傳統(tǒng)型的液位計(jì)中被采用，因?yàn)榇欧逡何挥?jì)具有**的應(yīng)用領(lǐng)域，在液位計(jì)應(yīng)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(guān)芯片設(shè)計(jì)了一種磁翻板液位計(jì)及其測(cè)試電路系統(tǒng)，利用微處理器的 I/O 口直接讀取各個(gè) 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(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)之間的液位數(shù)據(jù)通信。測(cè)試結(jié)果表明，所制作的液位計(jì)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)液位高度。是磁翻板液位計(jì)未來的發(fā)展方向之一。

1 引言
磁翻板液位計(jì)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測(cè)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(cè)量介質(zhì)完全隔離而具有安全性好等優(yōu)點(diǎn)，**地應(yīng)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(cè)量中。常見的磁翻板液位計(jì)采用干簧管作為磁敏感元件，然而干簧管易碎，在運(yùn)輸和焊接過程中安全性較差。干簧管為機(jī)械結(jié)構(gòu)，有工作壽命限制，特別是在大電流的高負(fù)載條件下，其壽命會(huì)縮短。同時(shí)，利用干簧管設(shè)計(jì)的磁翻板液位計(jì)分辨率和精度也不高，因此，有必要進(jìn)一步研制分辨率和精度高的磁翻板液位計(jì)。

基于各向異性磁電阻效應(yīng)（AMR）的開關(guān)芯片，靈敏度高、體積小、成本低，在消費(fèi)電子、智能家居、汽車電子等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。由于AMR開關(guān)芯片是固態(tài)器件，沒有干簧管易碎的問題，開關(guān)壽命也遠(yuǎn)大于干簧管，同時(shí)，AMR 開關(guān)芯片已經(jīng)集成了處理電路，使得磁翻板液位計(jì)電路設(shè)計(jì)變得十分簡單。因此，利用 AMR 開關(guān)芯片來替代干簧管制作磁翻板液位計(jì)，將克服干簧管磁翻板液位計(jì)的諸多難題。本研究利用 AMR 開關(guān)芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)磁性液位傳感器，分析了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路信號(hào)處理，所制作的磁翻板液位計(jì)可以方便地檢測(cè)液位高度，并可以和計(jì)算機(jī)通訊傳遞液位數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)
2.1 AMR開關(guān)芯片
AMR開關(guān)芯片是基于磁性薄膜的各向異性磁電阻效應(yīng)而開發(fā)的一類傳感器芯片，當(dāng)外磁場強(qiáng)度低于其工作點(diǎn)時(shí)，輸出高電平；反之，當(dāng)外磁場強(qiáng)度高于其工作點(diǎn)時(shí)，輸出低電平。本設(shè)計(jì)采用電子科技大學(xué)與貴州雅光電子股份有限責(zé)任公司聯(lián)合研制的 CC7001AMR 開關(guān)芯片 [5] 來設(shè)計(jì)磁翻板液位計(jì)。該AMR 開關(guān)芯片采用 SOT-23 封裝，尺寸小，適用于磁翻板液位計(jì)，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(hào)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(shè)計(jì)液位計(jì)電路變得非常簡單。該芯片的主要指標(biāo)為： 工作電壓 1.8～5 V，工作溫度－55～+150 ，工作點(diǎn)為 10 Oe，磁滯 1 Oe，靜態(tài)電流僅 1.6 μA。

2.2 工作原理
利用 AMR 開關(guān)芯片設(shè)計(jì)的磁翻板液位計(jì)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(jì)在連通器外緊貼連通器。該液位計(jì)包含12 個(gè)等間距分布的 AMR 開關(guān)芯片。其基本原理是：與浮子緊鄰的 AMR 開關(guān)芯片受到磁體磁場作用，其輸出電壓為低電平，而遠(yuǎn)離浮子的開關(guān)芯片輸出電壓為高電平，當(dāng)浮子隨著液面變化在連通器內(nèi)上下移動(dòng)時(shí)，開關(guān)芯片的輸出特性隨著變化。因此，通過判斷每個(gè)開關(guān)芯片的輸出電壓大小即可知道浮子的位置，從而確定液位。

2.3 電路設(shè)計(jì)與制作
液位檢測(cè)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(guān)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(jìn)行實(shí)時(shí)電壓監(jiān)測(cè)。通過 I/O 口采集 12 路開關(guān)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(shè)備，USB 轉(zhuǎn) UART 通信以 SCI（串行通信接口）通信方式實(shí)現(xiàn)電腦與微處理器相連接。同時(shí)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(duì)于其中任意一個(gè) AMR開關(guān)芯片，其檢測(cè)電路如圖 4 所示。
 
微處理器的液位檢測(cè)程序流程如圖 5 所示。當(dāng)檢測(cè)電路通電后，進(jìn)行初始化，啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)時(shí)間為 250 ms，若定時(shí)時(shí)間到，則通過片上 I/O 采集 12 路開關(guān)芯片的電壓，計(jì)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(huì)顯示相關(guān)信息，循環(huán)上述過程，直至結(jié)束。在計(jì)算液面高度時(shí)，如果只有一個(gè)開關(guān)芯片的輸出電壓為低電平，則認(rèn)為液面此時(shí)位于該開關(guān)芯片位置，當(dāng)有兩個(gè)相鄰的開關(guān)芯片輸出電壓都為低電平時(shí)，則認(rèn)為液位介于這兩個(gè)開關(guān)芯片之間。設(shè)計(jì)的液位計(jì)中兩個(gè)相鄰開關(guān)芯片距離為 1 cm，因此，可以認(rèn)為本文設(shè)計(jì)的液位計(jì)可以分辨 0.5 cm 的距離。通過降低兩個(gè)相鄰芯片之間的距離，結(jié)合位置計(jì)算算法，可以進(jìn)一步提高液位的分辨率。根據(jù)所設(shè)計(jì)的液位檢測(cè)電路系統(tǒng)，采用兩層印制電路板工藝制作實(shí)物樣品，如圖 6 所示，其中微處理器采用意法半導(dǎo)體的 STM32F101C8 單片機(jī)。


3 應(yīng)用效果
采用制作的液位檢測(cè)裝置測(cè)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(shí)，磁翻板液位計(jì)測(cè)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(gè)芯片時(shí)的結(jié)果，圖 7b 顯示的是浮子介于第 5 個(gè)和第 6 個(gè)開關(guān)芯片之間的結(jié)果。可見，磁性液位傳感器可以有效地檢測(cè)液面高度。

4 結(jié)束語
基于 AMR 開關(guān)芯片對(duì)磁場的輸出特性，設(shè)計(jì)了一種磁翻板液位計(jì)及其處理電路系統(tǒng)，利用 USB 轉(zhuǎn)UART 接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)等設(shè)備的通信，便于該磁翻板液位計(jì)的二次開發(fā)。該磁翻板液位計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、壽命長的特點(diǎn)，可以**應(yīng)用于石油、化工以及各種油箱、水箱、液體存儲(chǔ)罐中監(jiān)測(cè)液位。

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