基于單片機(jī)的水流量控制裝置設(shè)計

臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 沈裕彬 蔣開偉 潘曉躍

隨著時代發(fā)展科技進(jìn)步，流量相關(guān)的傳感器技術(shù)也越來越成熟，種類繁多。按照流量傳感器的結(jié)構(gòu)型式可分為葉片(翼板)式、量芯式、熱線式、熱膜式、卡門渦旋式等幾種。

用以測量管路中流體流量(單位時間內(nèi)通過的流體體積)的儀表。有轉(zhuǎn)子流量計、節(jié)流式流量計、細(xì)縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達(dá)60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。這60多種流量儀表，每種產(chǎn)品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。

盡管流量計種類繁多，但目前市面上卻很少看到一種流量控制的裝置，即：可設(shè)定流量并能自動控制(類似加油站的加油器)。也沒有一個能將流量計和閥門(電磁閥)組裝的簡單方案，即便實現(xiàn)類似的方案也會造成很大的成本問題。本文將設(shè)計一種低成本的水流量控制裝置。

1.裝置結(jié)構(gòu)

該裝置的原理上還是簡單清晰的：水流量的檢測，到達(dá)一定數(shù)值后，控制(關(guān)閉)閥門。設(shè)計時更多的要考慮的實現(xiàn)的可行性、精度以及低成本。

首先考慮流量檢測傳感器。測量方法很多，有差壓式、容積式、速度式等等。其中速度式又可分為渦輪式和渦街式。

從成本和實現(xiàn)上考慮，采用渦輪式，結(jié)構(gòu)上就是葉片式。根據(jù)葉片式檢測原理可知，葉片的轉(zhuǎn)速大體和流速成正比，因此就能檢測出具體的流量。葉片的轉(zhuǎn)速檢測通過霍爾傳感器來實現(xiàn)，葉片的轉(zhuǎn)軸上需要鑲嵌一個磁鐵。

其次，控制閥門如果簡單地選用一般的電磁閥將帶來成本上的問題，尤其是低壓控制的電磁閥。因此需要重新設(shè)計一種閥門。本文所設(shè)計的閥門由一個直流小電機(jī)(9V即可驅(qū)動)去控制，正轉(zhuǎn)為打開閥門(通過壓縮相應(yīng)的彈簧并最終卡住)，反轉(zhuǎn)則關(guān)閉閥門(釋放卡閂，彈簧釋放)。成本則大大降低。事實證明，只要密封圈足夠好，密封效果就很好。

2.硬件和軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

從前面的原理中可以了解到，此系統(tǒng)主要有三部分功能：流量檢測、顯示以及閥門控制。因此選用常見的80C51單片機(jī)作為MCU就可以滿足功能實現(xiàn)和低成本的要求。

流量檢測硬件上體現(xiàn)在檢測渦輪葉片的轉(zhuǎn)速。這里采用霍爾傳感器來檢測。所選用的霍爾器件供電電壓和MCU的電壓一致均為5V，并且內(nèi)置有施密特觸發(fā)器，使得檢測干擾較少，因此直接將其輸出連接至MCU的外部中斷口INT0。

顯示部分主要有兩個功能：顯示設(shè)定數(shù)值和顯示當(dāng)前流量。本設(shè)計只要求顯示三位數(shù)值，因此只需6位七段數(shù)碼管采用動態(tài)掃描的方式就可以上述要求。接口上P0.0～P0.6作為各段顯示，P2.0～P2.5作為位選。

采用三個按鍵作為人機(jī)輸入接口，其中一個按鍵作為功能選擇，如，進(jìn)入流量設(shè)定模式、設(shè)定后確認(rèn)、強(qiáng)制關(guān)閥門等。為方便軟件上的實現(xiàn)，將其直接連接在外部中端口INT1。另外兩個按鍵用于數(shù)值的加減設(shè)定，連接至普通的I/O口即可。

閥門控制就是對一個直流小電機(jī)驅(qū)動進(jìn)行控制，選用的直流電機(jī)供電電壓大于5V，因此不能直接由MCU的電壓來直接驅(qū)動，需用總電源9V來驅(qū)動。電機(jī)的控制端采用5V的繼電器。也使有效驅(qū)動繼電器，IO輸出端通過上拉電阻以及NPN型的三極管進(jìn)行驅(qū)動。

電源使用9V的電池供電，5V則通過7805轉(zhuǎn)換得到。整體硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1

2.2 軟件設(shè)計

軟件的流程如圖2所示。開機(jī)后首先進(jìn)入流量設(shè)定過程，此時設(shè)定值閃爍顯示，加、減鍵進(jìn)行數(shù)值改變，設(shè)定完畢按“功能”鍵確認(rèn)，設(shè)定值正常顯示。接下來可以再次按“功能”鍵打開閥門，開始流量測量。若想在閥門打開之前重新設(shè)定數(shù)值，可以長按“功能”鍵重新進(jìn)入流量設(shè)定過程。

流量通過過程中顯示屏上實時顯示當(dāng)前流量值，當(dāng)所通過的流量和設(shè)定值一致時，閥門自動關(guān)閉。當(dāng)然在流量未到設(shè)定值時，也可以通過按下“功能”鍵手動關(guān)閉閥門。

圖2

3.傳感器標(biāo)定

由于水的流速和葉片的轉(zhuǎn)速理論上是成正比的，即v∝n，v為流速(m3/s)，n為轉(zhuǎn)速(rpm)。

將上述式子左邊乘上時間t和截面積S可以得到對應(yīng)時間內(nèi)的流量V(體積)，式子右邊乘上時間t可以得到相應(yīng)時間內(nèi)葉片轉(zhuǎn)的圈數(shù)N。由于截面積S是常數(shù)，因此可以得到流量V和葉片轉(zhuǎn)的圈數(shù)N大致成線性，即V∝N。

因此，我們在標(biāo)定傳感器時可以直接去確定流經(jīng)渦輪葉片的流量V(體積)和葉片圈數(shù)N之間的關(guān)系即可。

由于本裝置主要應(yīng)用于自來水的控制，選用常用的通徑為25mm的管子作為標(biāo)定實驗使用，自來水水壓通常約0.2-0.6MPa，分別間隔0.1MPa對其進(jìn)行逐一標(biāo)定。表1為不同水壓下的數(shù)據(jù)。

表1 流量和轉(zhuǎn)數(shù)關(guān)系

圖3

由圖3可以看出在0.2-0.6MPa的水壓下，水流量和葉片轉(zhuǎn)數(shù)具有較好的線性。誤差基本上控制在1%以內(nèi)，因此可以直接將各水壓下測定的數(shù)據(jù)歸結(jié)為一條直線。斜率就是傳感器的靈敏度?？梢缘玫剑毫髁?升)=轉(zhuǎn)數(shù)(轉(zhuǎn))/14.4，即V=N/14.4。

4.小結(jié)

本水流量控制裝置以較低成本的方式實現(xiàn)了流量計中沒有的控制功能，用戶可以任意設(shè)定需要的流量。傳感器采用渦流式方式，在葉片材質(zhì)輕的情況下具有較好的線性度，精度較高。閥門的控制則由一個直流小電機(jī)來驅(qū)動。同樣具有較好的控制速度和密封性。整個產(chǎn)品成本不超過100塊人民幣，很有應(yīng)用價值。

唯一需要改進(jìn)的地方是低功耗方面，采用9V電池供電相對來說續(xù)航能力有提高的空間。今后可以考慮采用低功耗MCU。當(dāng)然相應(yīng)的成本可能也有所提高。

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