一種便攜式智能明渠流量計的設計

摘 要：介紹了一種以C8051F060單片機為核心的智能明渠流量計。系統流量測量采用流速-水位計算法；通過(guò)旋槳式流速傳感器來(lái)測量流速；通過(guò)壓力傳感器與RS-485接口通訊測量水位；采用鐵電存儲器FM3164實(shí)現了數據的非易失性存儲和精確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘；采用SL811HST芯片，實(shí)現了USB主機的功能，可讀寫(xiě)U盤(pán)，從而實(shí)現了單片機的外掛式海量存儲。系統具有智能化、操作方便、硬件電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

關(guān)鍵字：明渠流量計 單片機 流量測量 流速傳感器

明渠流量計是在非滿(mǎn)管狀敞開(kāi)渠道中測量自由表面自然流的流量?jì)x表，廣泛應用于城市供水引水渠、火電廠(chǎng)冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放等流量的測量。因此，研制一種成本低、精度高、操作方便、結構簡(jiǎn)單的明渠流量計對合理利用水資源、污水治理有著(zhù)重要的現實(shí)意義。

本文設計的流量計是以單片機C8051F060為主控芯片，利用其捕捉測脈寬的特性，實(shí)現流速信號的采集和處理。系統具有同時(shí)測量液位、流速、流量，并將數據在液晶屏顯示；通過(guò)RS-232接口與上位機進(jìn)行串行通訊；外掛U盤(pán)，實(shí)現海量式存儲；精確實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示；數據的非易失性安全存儲等特點(diǎn)。

1 測量原理

本設計采用的流量測量方法為“流速-水位計算法”，測出流通通道某局部（點(diǎn)、線(xiàn)或小面積）流速，代表平均流速；再測量水位求得流通面積，并從局部流速和平均流速間的關(guān)系，經(jīng)演算求取流量。流速的測量是采用旋槳式流速傳感器，首先對流道測試斷面上的流速傳感器旋槳的轉速進(jìn)行巡回檢測，從流速傳感器得到的信號是由機械式觸點(diǎn)或干簧式繼電器觸點(diǎn)產(chǎn)生的開(kāi)、合信號，該信號送入檢測轉換電路變換為電信號，并經(jīng)濾波、去抖動(dòng)后變換為脈沖信號，送入單片機的I/O端口。在一定范圍內，旋槳的轉速與流速存在下列直線(xiàn)關(guān)系：

    （1）

式中：

υ為測點(diǎn)處流速；

n為流速儀旋槳轉速；

K為流速儀比例常數或稱(chēng)水力螺距；

C為流速儀最小感應流速；

T為計測旋轉周數所用時(shí)間；

N為T(mén)時(shí)間內的旋槳旋轉周數。

因此，在一定時(shí)間內，只要測量出旋槳的旋轉周數，便可以求出旋槳所在位置的瞬時(shí)流速值。然后，再對測試斷面各點(diǎn)流速和過(guò)流面積進(jìn)行積分，即可求得流量。

2 電路設計

便攜式智能明渠流量計是以單片機C8051F060為核心，通過(guò)傳感器測量旋槳的旋轉周數，經(jīng)計算得到流速和流量，并通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示；計算所需要的參數，如：水力螺距系數、轉差率、儀器阻力系數、測量斷面，通過(guò)小鍵盤(pán)預先設定。此外，整個(gè)系統還具有U盤(pán)讀寫(xiě)功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘及串行非易失的數據存儲功能等。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2.1 系統主控模塊

系統主控芯片選用高集成度MCU芯片C8051F060，該單片機是完全集成的混合信號片上系統SoC（Systemonchip），具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。

2.2 信號采集模塊

流速信號采集是采用旋槳式流速傳感器來(lái)實(shí)現。旋槳式流速傳感器的旋漿每轉五轉發(fā)一次信號，該信號為脈沖信號，利用C8051F060的捕捉功能，測出脈沖周期，即可計算出當前流速。旋槳式流速傳感器發(fā)出的信號通過(guò)高速光電耦合器6N136送入C8051F060的T4EX端，T4端設為捕捉模式，T3設為方波輸出模式，T3EX接地，使T3自減計數，T3與T4相連，接10kΩ上拉電阻。當T4EX接收到的信號為下降沿時(shí)，T4產(chǎn)生捕捉中斷，通過(guò)EXF4查詢(xún)。當T4EX接收到的信號脈沖寬度較長(cháng)時(shí)，T4溢出，此時(shí)未發(fā)生捕捉，在中斷中將溢出標志位清0，溢出次數加1，記錄溢出次數，根據溢出次數和RCAP4的值計算一個(gè)脈沖的周期，將所有周期時(shí)間累加得到總時(shí)間，利用公式代入數據，即可求得流速。

水位信號采集是采用麥克壓力傳感器來(lái)實(shí)現。

2.3 串行接口模塊

系統通過(guò)RS-232接口與PC機進(jìn)行通信，主控芯片C8051F060采用3.3V電源供電，因此選擇ADM202作為RS-232電平轉換芯片，該芯片供電電壓為3.0V~5.5V。

水位信號的測量采用麥克壓力傳感器，它把水位轉換成485信號，送給單片機。因此，單片機在與麥克壓力傳感器通訊之前需要將485電平進(jìn)行轉換，系統選擇SN65LBC184電平轉換芯片，在RS-485的接口電路中選用高速光電耦合器6N136來(lái)防止外界信號對系統的干擾。

2.4 其它模塊

（1）鍵盤(pán)輸入模塊。系統采用4×4的矩陣鍵盤(pán)，與單片機C8051F060的P5口連接，用于旋槳式流速傳感器的參數、時(shí)鐘時(shí)間值的修改、測量過(guò)程中的起始距等數據的輸入。

（2）U盤(pán)讀寫(xiě)模塊。系統選用CYPRESS公司的SL811HST芯片作為USB主控芯片，與C805lF060進(jìn)行通訊，實(shí)現對U盤(pán)的正確讀寫(xiě)功能。C8051F060通過(guò)8位雙向數據線(xiàn)D1-D7、片選信號線(xiàn)nCS、讀nRD和寫(xiě)nWR輸入信號線(xiàn)和一根地址線(xiàn)A0，與SL811HST進(jìn)行通訊。

（3）LCD顯示模塊。系統選用LM19264點(diǎn)陣式液晶模塊，該芯片驅動(dòng)信號為5V，需要在單片機與LM19264之間加電平轉換芯片，選用雙向轉換芯片74VLC4245，通過(guò)引腳DIR的電壓高低控制電平轉換的方向。

（4）實(shí)時(shí)時(shí)鐘及串行非易失數據存儲模塊。系統對采集到的信號需要可靠地存儲，在斷電情況下數據不能丟失；在數據采集過(guò)程中需要不斷的寫(xiě)入和更新數據；需要給系統提供時(shí)鐘信號。鑒于以上設計要求，系統采用RAMTRON公司的鐵電存儲器FM3164實(shí)現實(shí)時(shí)時(shí)鐘和非易失性數據存儲兩部分的功能。

3 軟件設計

系統程序主要完成流速、水位信號的采集，流量的計算，數據的顯示，并完成數據的發(fā)送。首先系統對定時(shí)器、外部振蕩器、UART、SMBus、I/O、U盤(pán)讀寫(xiě)芯片、中斷系統等完成初始化；然后對顯示部分初始化；最后進(jìn)入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序是一個(gè)死循環(huán)，主要完成流速、水位、起始距等所有數據的測量；流量的計算；時(shí)鐘初始值的設置；測量所需參數的修改等。

3.1 流量測量軟件設計

系統對流量的測量采用“流速-水位計算法”，需要測量河寬、流速和水位三個(gè)基本量，通過(guò)計算得出流量。流量測量流程圖如圖2所示。

圖2 流量測量流程圖

3.2 鐵電存儲器軟件設計

系統是采用鐵電存儲器FM3164來(lái)實(shí)現實(shí)時(shí)時(shí)鐘和串行非易失性存儲器功能。鐵電存儲器與單片機的通訊是通過(guò)對單片機的SMBus寄存器的操作實(shí)現的。單片機C8051F060對鐵電存儲器的操作分為讀和寫(xiě)兩個(gè)部分，操作流程圖如圖3所示。

圖3 鐵電存儲器操作流程圖

4 結束語(yǔ)

本文在分析所采用的流量測量方法的基礎上，給出了系統總體設計框圖、各模塊的電路選擇及軟件設計流程。系統在模擬現場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行安裝調試和測量，其硬件設計、軟件設計基本達到設計要求、實(shí)現各項功能，滿(mǎn)足了智能化的要求。