基于渦輪流量傳感器的水流量計(jì)設(shè)計(jì)

西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 肖 飛 呂登鋒 喬九印

基于渦輪流量傳感器的水流量計(jì)設(shè)計(jì)

西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 肖 飛 呂登鋒 喬九印

我國(guó)水資源在總量上是一個(gè)大國(guó)，而在人均占有量上卻是一個(gè)名副其實(shí)的小國(guó)。我國(guó)水資源總量約占世界水資源總量的6%。但是我國(guó)的人口數(shù)量太大，我國(guó)人均占有量只有世界水平的1/4，是名副其實(shí)的水資源貧乏國(guó)家之一。因此，節(jié)約用水在我國(guó)更具有現(xiàn)實(shí)意義。節(jié)約用水離不開(kāi)流量檢測(cè)技術(shù)的支持，渦輪式的流量測(cè)量技術(shù)精確度高，可重復(fù)性好，且更適于對(duì)潔凈的介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，廣泛應(yīng)用于水流量測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)?；诖?，本文提出了基于渦輪流量傳感器的水流量計(jì)設(shè)計(jì)。

水資源；流量計(jì)；渦輪

0 引言

流量計(jì)，通常指用于進(jìn)行測(cè)量管道中的流體流量的一種儀表。流量計(jì)量屬于計(jì)量科學(xué)技術(shù)的一個(gè)分支，也是其中一個(gè)不可或缺的組成部分，因?yàn)樗c國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)以及科學(xué)研究密切聯(lián)系。在工業(yè)中，流量計(jì)量的作用至關(guān)重要，因?yàn)闇?zhǔn)確的流量計(jì)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(jì)主要是基于渦輪流量傳感器的水流量計(jì)設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)顯示水的瞬時(shí)流量和累積流量，通過(guò)對(duì)EEPROM中參數(shù)的設(shè)置可調(diào)整系統(tǒng)測(cè)量時(shí)的環(huán)境參數(shù)，以適應(yīng)各種不同條件下的水流量測(cè)量。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1 流量計(jì)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的流量計(jì)主要由ARM微處理器，串口通信模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成?？傮w框架如圖1所示。系統(tǒng)初始上電，等待用戶(hù)按鍵選擇，讀寫(xiě)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(duì)其計(jì)數(shù)，內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算出脈沖的頻率，按照傳感器提供的流量計(jì)算公式和參數(shù)計(jì)算出瞬時(shí)流量和累計(jì)流量并顯示于LCD12864液晶顯示屏上。

2 流量計(jì)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)中采用的微處理器為NXP公司的M3系列LPC1766，它具有三級(jí)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L(zhǎng)PC1766提供了一個(gè)能夠降低中斷延時(shí)和實(shí)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(jī)串口為T(mén)TL電平標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)串口之間的連接首先應(yīng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中采用sp3232芯片轉(zhuǎn)換LPC1766串口的TTL電平與上位機(jī)串口相連，進(jìn)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(huì)產(chǎn)生非常高的瞬時(shí)電涌，這個(gè)電涌電流可能會(huì)擊毀SP3232，所以在使用這個(gè)芯片時(shí)應(yīng)拔插之前進(jìn)行斷電操作，避免熱拔插。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

EEPROM主要是用來(lái)存儲(chǔ)一些與測(cè)量相關(guān)的參數(shù)和測(cè)量的數(shù)據(jù)。所選的是串行EEPROM存儲(chǔ)芯片93C66,大小512B，可配置成8位或者16位結(jié)構(gòu)，它通過(guò)SPI總線和LPC1766相連，對(duì)流量測(cè)量參數(shù)進(jìn)行保存。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，通過(guò)按鍵向存儲(chǔ)芯片寫(xiě)入相關(guān)的參數(shù)，從而保證流量測(cè)量結(jié)果的正確。這些參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境是相關(guān)，通過(guò)重新寫(xiě)入相應(yīng)參數(shù)以適應(yīng)新的運(yùn)行環(huán)境。

2.4 LCD液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊選擇的是LCD12864,用于實(shí)時(shí)顯示流量計(jì)所測(cè)量的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量。LCD12864是由128*64個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)128列*64行的陣列，自帶中文字庫(kù)，既可以顯示字母也可以顯示漢字及圖形。

3 流量計(jì)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)總流程

軟件的總體設(shè)計(jì)主要包括這幾個(gè)方面：系統(tǒng)初始化程序，LCD顯示程序，流量測(cè)量數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)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(shí)鐘配置、中斷初始化及優(yōu)先級(jí)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(jī)地位，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)對(duì)串口通信方式進(jìn)行設(shè)置和開(kāi)啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，本設(shè)計(jì)主要用了四個(gè)按鍵，分別用于參數(shù)設(shè)置時(shí)的確認(rèn)，返回，增大和減小功能。

3.2 流量測(cè)量程序

渦輪式流量傳感器輸出脈沖信號(hào)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(cè)量范圍內(nèi)，對(duì)qv而言，K相當(dāng)于一個(gè)常數(shù)，通常由流量?jī)x表廠商經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得并由提供給用戶(hù)直接使用。qv為通過(guò)傳感器流體的體積流量。由此可以看出，對(duì)于流量的測(cè)量只須要測(cè)量傳感器輸出的脈沖數(shù)。脈沖信號(hào)的采集采用兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)用作計(jì)數(shù)模式用于對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，另一個(gè)用作重復(fù)定時(shí)器，得到單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)乘以?xún)x表系數(shù)再乘以相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)，便得到了瞬時(shí)流量。最后，將瞬時(shí)流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來(lái)。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(cè)量程序流程圖

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

圖4 液晶屏及上位機(jī)軟件顯示

4 總結(jié)

流量計(jì)量在國(guó)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(guó)防經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、從科學(xué)技術(shù)的理論研究到環(huán)境保護(hù)，從資源節(jié)約到與人民生活中用到的生活資源的計(jì)量，都有著流量計(jì)量的參與。本設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的檢測(cè)，可使人們進(jìn)一步提高水的利用效率，從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。

[1]趙明坤．流量計(jì)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(jì)[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。