水流量檢測系統的設計

重慶人文科技學院 孫慧

引言

由于我國信息產業的迅猛發展，科技的日新月異，資源的大量開采，導致資源短缺現象日益嚴重。尤其是與人們休戚相關的水資源問題尤為凸出，因此，科學高效地利用水資源尤為重要。于是，方便、快捷、精準地監測水流量就為節約水資源提供了科學的保障和手段。社區中古板的人工抄表管理方式，人工損耗大，監管效率低。本文以STC89C52為核心控制電腦，分析了系統設計思路，結合硬件選材和軟件編程設計出的流量檢測體系，可以有效地降低管理成本、節約費用，實現網絡化管理[1]。

1 目的和意義

本水流量控制裝置以較低成本的方式實現了流量計中復雜的檢測功能，用戶可以任意設定重置重新檢測水流量。傳感器采用渦流式的方式，在葉片材質輕的情況下具有較好的線性度，精度較高。整個產品成本很小，很有應用價值。唯一需要改進的地方是低功耗方面，采用USB接口供電，相對來說續航能力和便攜能力有提高的空間，今后可以考慮采用低功耗超便攜的供電設備。

2 水流量檢測系統

2.1 傳感器的工作原理與選用

渦輪流量計計量水流量[2]的原理如下：在管道中心安放一個渦輪，充當障礙物,兩端由軸承固定支撐。當流體通過管道時，橫向沖擊渦輪每個葉片并產生驅動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產生旋轉。在一定的管道橫截面內，流量和流速成正比，對一定粘度的流體介質，渦輪的旋轉角速度與流體流速亦成正比，由此可以間接推導流量大小。渦輪的旋轉速度通過裝機殼外的傳感線圈來檢測。當渦輪葉片切割由殼體內永久磁體產生的磁力線時，就會引起傳感線圈的磁通變化。傳感線圈將檢測到的磁通過周圍變化信號送入放大器，對信號進行放大、整形，產生與流速成正比的脈沖信號，送入單位換算與處理電路，得到并顯示當前流量值，并在存儲器中減去相應水量。

2.2 單片機的工作原理與選用

從性能上考慮STC89C52單片機擁有較多的引腳[3]，單片機本身具有較強的處理能力，方便了電路設計，它采用精簡指令集結構，在8MHZ時指令速度可達8MIPS。另外STC89C52采用了16位多功能硬件乘法器等先進的體系結構，大大增強了其數據處理和運算能力，能夠做到跟蹤監控能力，所以本設計采用STC89C52單片機做核心電路。

2.3 系統硬件結構原理

工作原理:用水時，水經過水流量傳感器，將該信息輸入給以主芯片STC89C52為核心的微機處理系統。每流過一定水流量時，計量電路便發出一組計量脈沖序列，信號輸入到微機控制系統，微機控制系統經數據處理后，驅動LCD顯示器顯示水流量信息[4]。

圖1 系統硬件結構原理圖

3 水流量監測系統的軟件設計

水流量的監測主要依靠對得到的頻率處理，由流量計在一段時間下產生高電平的個數決定，即Q（流量）=F（頻率）/R（商家設定值），所以只要在單片機中設定一定的時間，并在該時間之下計算出得到的高電平即可。在本程序中STC89C52的兩個定時器T0為計數狀態，T1為計時狀態，這樣方可測量流量[5]。

3.1 水流量的讀取程序

中斷程序運行的時間到，就可以讀取計數器中的數值，將下數值讀出后把計數器賦值為0，等待下一次的取出，然后進入對讀出數據的處理程序，如圖2所示。

圖2 水流量數據處理程序圖

3.2 水流量數據的處理程序

在預定的時間到時，即已經取出了定時器的數值。我們計算的水流量最大是以每噸來計算并顯示的，故一個整型或長整型的數不夠，故先把它放在了一個int變量的存儲空間內，取水流量的前三位，再定義一個長整型的數，把它作為水流量的后六位，這樣計算起來也比較容易，數據也不會起沖突，也是為將要計算水價做準備。設定該水流量的最大計數為250噸，超過了定值，則會從0開始，如圖3所示。

圖3 水流量數據處理程序圖

4 調試運行

4.1 仿真結果

由于自來水水流不夠均勻，水流量傳感器較小，測量不會標準，故測試該水流量用氣流代替，每次結果不一。因原本設計要求已達到，本設計硬件部分和軟件部分結束。

圖4 實物效果圖

4.2 實際不足及有待改進之處

（1）水流量傳感器監測水流量范圍有限，精確度有限；

（2）本設計功能單一，無法實現多功能監測、控制；

（3）雖然本設計攜帶方便，但同時持續供電裝置有待改善。

[1]何立民.單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].北京航空航天大學出版社,1990.

[2]胡壽松.自動控制原理[M].第5 版.北京：科學出版社,2007.6.

[3]胡斌.電子工程師必備九大系統電路識圖寶典[M]. 北京：人民郵電出社,2012.8.

[5]朱定華.單片機原理及接口技術實驗[M].北京：北京大學出版社,2002.