基于渦輪流量傳感器的水流量計設(shè)計

西安電子科技大學電子工程學院 肖 飛 呂登鋒 喬九印

基于渦輪流量傳感器的水流量計設(shè)計

西安電子科技大學電子工程學院 肖 飛 呂登鋒 喬九印

我國水資源在總量上是一個大國，而在人均占有量上卻是一個名副其實的小國。我國水資源總量約占世界水資源總量的6%。但是我國的人口數(shù)量太大，我國人均占有量只有世界水平的1/4，是名副其實的水資源貧乏國家之一。因此，節(jié)約用水在我國更具有現(xiàn)實意義。節(jié)約用水離不開流量檢測技術(shù)的支持，渦輪式的流量測量技術(shù)精確度高，可重復性好，且更適于對潔凈的介質(zhì)進行測量，廣泛應(yīng)用于水流量測量領(lǐng)域內(nèi)。基于此，本文提出了基于渦輪流量傳感器的水流量計設(shè)計。

水資源；流量計；渦輪

0 引言

流量計，通常指用于進行測量管道中的流體流量的一種儀表。流量計量屬于計量科學技術(shù)的一個分支，也是其中一個不可或缺的組成部分，因為它與國民經(jīng)濟、國防建設(shè)以及科學研究密切聯(lián)系。在工業(yè)中，流量計量的作用至關(guān)重要，因為準確的流量計量與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率密切相關(guān)[1]。本設(shè)計主要是基于渦輪流量傳感器的水流量計設(shè)計，可實時顯示水的瞬時流量和累積流量，通過對EEPROM中參數(shù)的設(shè)置可調(diào)整系統(tǒng)測量時的環(huán)境參數(shù)，以適應(yīng)各種不同條件下的水流量測量。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1 流量計總體設(shè)計

本文所設(shè)計的流量計主要由ARM微處理器，串口通信模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成。總體框架如圖1所示。系統(tǒng)初始上電，等待用戶按鍵選擇，讀寫EEPROM中的儀表系數(shù)，密度，線性修正參數(shù)等具體參數(shù)，接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數(shù)，內(nèi)部進行數(shù)據(jù)處理計算出脈沖的頻率，按照傳感器提供的流量計算公式和參數(shù)計算出瞬時流量和累計流量并顯示于LCD12864液晶顯示屏上。

2 流量計硬件設(shè)計

2.1 微處理器最小系統(tǒng)

本設(shè)計中采用的微處理器為NXP公司的M3系列LPC1766，它具有三級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)[2]，功耗低，性能高，并且包含了眾多外設(shè)。此外，M3內(nèi)核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實現(xiàn)高效處理中斷的嵌套向量中斷處理器。

2.2 串口通信模塊

單片機串口為TTL電平標準，即+5V和0V分別代表邏輯“1”和“0”。由于TTL和RS232高低電平的邏輯和范圍不同，故這兩種標準串口之間的連接首先應(yīng)進行電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用sp3232芯片轉(zhuǎn)換LPC1766串口的TTL電平與上位機串口相連，進行RS232通信。TTL到RS232電平轉(zhuǎn)換電路。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會產(chǎn)生非常高的瞬時電涌，這個電涌電流可能會擊毀SP3232，所以在使用這個芯片時應(yīng)拔插之前進行斷電操作，避免熱拔插。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

EEPROM主要是用來存儲一些與測量相關(guān)的參數(shù)和測量的數(shù)據(jù)。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B，可配置成8位或者16位結(jié)構(gòu)，它通過SPI總線和LPC1766相連，對流量測量參數(shù)進行保存。當系統(tǒng)開始運行時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關(guān)的參數(shù)，從而保證流量測量結(jié)果的正確。這些參數(shù)與實際運行環(huán)境是相關(guān)，通過重新寫入相應(yīng)參數(shù)以適應(yīng)新的運行環(huán)境。

2.4 LCD液晶顯示模塊

本設(shè)計的顯示模塊選擇的是LCD12864,用于實時顯示流量計所測量的瞬時流量和累計流量。LCD12864是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列，自帶中文字庫，既可以顯示字母也可以顯示漢字及圖形。

3 流量計軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計總流程

軟件的總體設(shè)計主要包括這幾個方面：系統(tǒng)初始化程序，LCD顯示程序，流量測量數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲程序以及基于modbus協(xié)議的RS232串口通信程序。這里首先介紹軟件設(shè)計的總體流程圖，如圖2所示。

圖2 軟件總流程圖

系統(tǒng)初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統(tǒng)時鐘配置、中斷初始化及優(yōu)先級配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協(xié)議中處于從機地位，為了實現(xiàn)標準的modbus協(xié)議，采用了移植freemodbus源代碼的方式。因此串口通信程序所做的只是根據(jù)LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進行設(shè)置和開啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實現(xiàn)人機交互功能，本設(shè)計主要用了四個按鍵，分別用于參數(shù)設(shè)置時的確認，返回，增大和減小功能。

3.2 流量測量程序

渦輪式流量傳感器輸出脈沖信號的頻率與其流量大小相關(guān)，并在一般情況下，有f=Kqv

式中，K為傳感器的儀表系數(shù)，并在其測量范圍內(nèi)，對qv而言，K相當于一個常數(shù)，通常由流量儀表廠商經(jīng)過多次實驗測得并由提供給用戶直接使用。qv為通過傳感器流體的體積流量。由此可以看出，對于流量的測量只須要測量傳感器輸出的脈沖數(shù)。脈沖信號的采集采用兩個定時器，一個用作計數(shù)模式用于對脈沖計數(shù)，另一個用作重復定時器，得到單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)乘以儀表系數(shù)再乘以相應(yīng)的補償系數(shù)，便得到了瞬時流量。最后，將瞬時流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來。此程序流程圖如圖3所示。

3.3 液晶屏顯示程序

圖3 流量測量程序流程圖

該程序主要用于實時更新流量信息，微處理器與上位機通過RS232接口以modbus協(xié)議進行通信。最后，該設(shè)計液晶屏上所顯示的流量信息與上位機軟件所顯示的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 液晶屏及上位機軟件顯示

4 總結(jié)

流量計量在國家生活的各種方面都有著廣泛應(yīng)用，從工業(yè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)到國防經(jīng)濟和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、從科學技術(shù)的理論研究到環(huán)境保護，從資源節(jié)約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著流量計量的參與。本設(shè)計通過實現(xiàn)對水流量的檢測，可使人們進一步提高水的利用效率，從而達到節(jié)約用水的目的。

[1]趙明坤．流量計量的意義的分析[J]．黑龍江科技信息,2008(26):20-20．

[2]李南安,朱文彬,梁芳芳,等．基于Cortex-M3的云終端設(shè)計[J]．電子世界,2014(23):6-6．

肖飛（1990-），男，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用。