一種便攜式智能明渠流量計的設計

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；通過旋槳式流速傳感器來測量流速；通過壓力傳感器與 RS-485 接口通訊測量水位；采用鐵電存儲器 FM3164 實現了數據的非易失性存儲和的實時時鐘；采用 SL811HST 芯片，實現了 USB 主機的功能，可讀寫 U 盤，從而實現了單片機的外掛式海量存儲。系統具有智能化、操作方便、硬件電路簡單等特點，符合預期設計結果，具有較強的實用價值。

明渠流量計是在非滿管狀敞開渠道中測量自由表面自然流的流量儀表，廣泛應用于城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業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、結構簡單的明渠流量計對合理利用水資源、污水治理有著重要的現實意義。

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，實現流速信號的采集和處理。系統具有同時測量液位、流速、流量，并將數據在液晶屏顯示；通過 RS-232 接口與上位機進行串行通訊；外掛 U 盤，實現海量式存儲；實時時鐘顯示；數據的非易失性安全存儲等特點。

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、線或小面積）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系，經演算求取流量。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行巡回檢測，從流速傳感器得到的信號是由機械式觸點或干簧式繼電器觸點產生的開、合信號，該信號送入檢測轉換電路變換為電信號，并經濾波、去抖動后變換為脈沖信號，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關系：

v=Kn + C=KN / T + C          （1）

式中：

v 為測點處流速； n 為流速儀旋槳轉速；

K 為流速儀比例常數或稱水力螺距；

C 為流速儀***小感應流速；

T 為計測旋轉周數所用時間；

N 為 T 時間內的旋槳旋轉周數。

因此，在一定時間內，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流速值。然后，再對測試斷面各點流速和過流面積進行積分，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，通過傳感器測量旋槳的旋轉周數，經計算得到流速和流量，并通過液晶顯示屏實時顯示；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，通過小鍵盤預先設定。此外，整個系統還具有 U 盤讀寫功能，實時時鐘及串行非易失的數據存儲功能等。系統框圖如圖 1 所示。

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（System on chip），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實現。旋槳式流速傳感器的旋漿每轉五轉發一次信號，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出的信號通過高速光電耦合器 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，T4 產生捕捉中斷，通過 EXF4 查詢。當

T4EX 接收到的信號脈沖寬度較長時，T4 溢出，此時未發生捕捉，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 的值計算一個脈沖的周期，將所有周期時間累加得到總時間，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實現。

2.3串行接口模塊

系統通過 RS-232 接口與 PC 機進行通信，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 來防止外界信號對系統的干擾。

2.4 其它模塊

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

（2）U 盤讀寫模塊。系統選用 CYPRESS 公司的 SL811HST 芯片作為 USB 主控芯片，與 C805lF060 進行通訊，實現對 U 盤的正確讀寫功能。C8051F060 通過 8 位雙向數據線 D1-D7、片選信號線 nCS、讀 nRD 和寫 nWR 輸入信號線和一根地址線 A0，與 SL811HST 進行通訊。

（3）LCD 顯示模塊。系統選用 LM19264 點陣式液晶模塊，該芯片驅動信號為 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，通過引腳 DIR 的電壓高低控制電平轉換的方向。

（4）實時時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；在數據采集過程中需要不斷的寫入和更新數據；需要給系統提供時鐘信號。鑒于以上設計要求，系統采用 RAMTRON 公司的鐵電存儲器 FM3164 實現實時時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，并完成數據的發送。首先系統對定時器、外部振蕩器、UART、SMBus、I/O、U 盤讀寫芯片、中斷系統等完成初始化；然后對顯示部分初始化；***后進入主循環程序。主循環程序是一個死循環，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、流速和水位三個基本量，通過計算得出流量。流量測量流程圖如圖 2 所示。

3.2鐵電存儲器軟件設計

系統是采用鐵電存儲器 FM3164 來實現實時時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對單片機的 SMBus 寄存器的操作實現的。單片機 C8051F060 對鐵電存儲器的操作分為讀和寫兩個部分，操作流程圖如圖 3 所示。

4.結束語

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。系統在模擬現場環境中進行安裝調試和測量，其硬件設計、軟件設計基本達到設計要求、實現各項功能，滿足了智能化的要求。