水流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

重慶人文科技學(xué)院 孫慧

引言

由于我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，科技的日新月異，資源的大量開(kāi)采，導(dǎo)致資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重。尤其是與人們休戚相關(guān)的水資源問(wèn)題尤為凸出，因此，科學(xué)高效地利用水資源尤為重要。于是，方便、快捷、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)水流量就為節(jié)約水資源提供了科學(xué)的保障和手段。社區(qū)中古板的人工抄表管理方式，人工損耗大，監(jiān)管效率低。本文以STC89C52為核心控制電腦，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，結(jié)合硬件選材和軟件編程設(shè)計(jì)出的流量檢測(cè)體系，可以有效地降低管理成本、節(jié)約費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)了流量計(jì)中復(fù)雜的檢測(cè)功能，用戶(hù)可以任意設(shè)定重置重新檢測(cè)水流量。傳感器采用渦流式的方式，在葉片材質(zhì)輕的情況下具有較好的線(xiàn)性度，精度較高。整個(gè)產(chǎn)品成本很小，很有應(yīng)用價(jià)值。唯一需要改進(jìn)的地方是低功耗方面，采用USB接口供電，相對(duì)來(lái)說(shuō)續(xù)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(shè)備。

2 水流量檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 傳感器的工作原理與選用

渦輪流量計(jì)計(jì)量水流量[2]的原理如下：在管道中心安放一個(gè)渦輪，充當(dāng)障礙物,兩端由軸承固定支撐。當(dāng)流體通過(guò)管道時(shí)，橫向沖擊渦輪每個(gè)葉片并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的管道橫截面內(nèi)，流量和流速成正比，對(duì)一定粘度的流體介質(zhì)，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速亦成正比，由此可以間接推導(dǎo)流量大小。渦輪的旋轉(zhuǎn)速度通過(guò)裝機(jī)殼外的傳感線(xiàn)圈來(lái)檢測(cè)。當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁體產(chǎn)生的磁力線(xiàn)時(shí)，就會(huì)引起傳感線(xiàn)圈的磁通變化。傳感線(xiàn)圈將檢測(cè)到的磁通過(guò)周?chē)兓盘?hào)送入放大器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào)，送入單位換算與處理電路，得到并顯示當(dāng)前流量值，并在存儲(chǔ)器中減去相應(yīng)水量。

2.2 單片機(jī)的工作原理與選用

從性能上考慮STC89C52單片機(jī)擁有較多的引腳[3]，單片機(jī)本身具有較強(qiáng)的處理能力，方便了電路設(shè)計(jì)，它采用精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，在8MHZ時(shí)指令速度可達(dá)8MIPS。另外STC89C52采用了16位多功能硬件乘法器等先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了其數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，能夠做到跟蹤監(jiān)控能力，所以本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)做核心電路。

2.3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理

工作原理:用水時(shí)，水經(jīng)過(guò)水流量傳感器，將該信息輸入給以主芯片STC89C52為核心的微機(jī)處理系統(tǒng)。每流過(guò)一定水流量時(shí)，計(jì)量電路便發(fā)出一組計(jì)量脈沖序列，信號(hào)輸入到微機(jī)控制系統(tǒng)，微機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動(dòng)LCD顯示器顯示水流量信息[4]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3 水流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

水流量的監(jiān)測(cè)主要依靠對(duì)得到的頻率處理，由流量計(jì)在一段時(shí)間下產(chǎn)生高電平的個(gè)數(shù)決定，即Q（流量）=F（頻率）/R（商家設(shè)定值），所以只要在單片機(jī)中設(shè)定一定的時(shí)間，并在該時(shí)間之下計(jì)算出得到的高電平即可。在本程序中STC89C52的兩個(gè)定時(shí)器T0為計(jì)數(shù)狀態(tài)，T1為計(jì)時(shí)狀態(tài)，這樣方可測(cè)量流量[5]。

3.1 水流量的讀取程序

中斷程序運(yùn)行的時(shí)間到，就可以讀取計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，將下數(shù)值讀出后把計(jì)數(shù)器賦值為0，等待下一次的取出，然后進(jìn)入對(duì)讀出數(shù)據(jù)的處理程序，如圖2所示。

圖2 水流量數(shù)據(jù)處理程序圖

3.2 水流量數(shù)據(jù)的處理程序

在預(yù)定的時(shí)間到時(shí)，即已經(jīng)取出了定時(shí)器的數(shù)值。我們計(jì)算的水流量最大是以每噸來(lái)計(jì)算并顯示的，故一個(gè)整型或長(zhǎng)整型的數(shù)不夠，故先把它放在了一個(gè)int變量的存儲(chǔ)空間內(nèi)，取水流量的前三位，再定義一個(gè)長(zhǎng)整型的數(shù)，把它作為水流量的后六位，這樣計(jì)算起來(lái)也比較容易，數(shù)據(jù)也不會(huì)起沖突，也是為將要計(jì)算水價(jià)做準(zhǔn)備。設(shè)定該水流量的最大計(jì)數(shù)為250噸，超過(guò)了定值，則會(huì)從0開(kāi)始，如圖3所示。

圖3 水流量數(shù)據(jù)處理程序圖

4 調(diào)試運(yùn)行

4.1 仿真結(jié)果

由于自來(lái)水水流不夠均勻，水流量傳感器較小，測(cè)量不會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，故測(cè)試該水流量用氣流代替，每次結(jié)果不一。因原本設(shè)計(jì)要求已達(dá)到，本設(shè)計(jì)硬件部分和軟件部分結(jié)束。

圖4 實(shí)物效果圖

4.2 實(shí)際不足及有待改進(jìn)之處

（1）水流量傳感器監(jiān)測(cè)水流量范圍有限，精確度有限；

（2）本設(shè)計(jì)功能單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多功能監(jiān)測(cè)、控制；

（3）雖然本設(shè)計(jì)攜帶方便，但同時(shí)持續(xù)供電裝置有待改善。

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,1990.

[2]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].第5 版.北京：科學(xué)出版社,2007.6.

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

[5]朱定華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2002.