基于單片機的水流量控制裝置設計

臺州職業技術學院 沈裕彬 蔣開偉 潘曉躍

隨著時代發展科技進步，流量相關的傳感器技術也越來越成熟，種類繁多。按照流量傳感器的結構型式可分為葉片(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(單位時間內通過的流體體積)的儀表。有轉子流量計、節流式流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。至今為止，可供工業用的流量儀表種類達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，即便實現類似的方案也會造成很大的成本問題。本文將設計一種低成本的水流量控制裝置。

1.裝置結構

該裝置的原理上還是簡單清晰的：水流量的檢測，到達一定數值后，控制(關閉)閥門。設計時更多的要考慮的實現的可行性、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。

從成本和實現上考慮，采用渦輪式，結構上就是葉片式。根據葉片式檢測原理可知，葉片的轉速大體和流速成正比，因此就能檢測出具體的流量。葉片的轉速檢測通過霍爾傳感器來實現，葉片的轉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。因此需要重新設計一種閥門。本文所設計的閥門由一個直流小電機(9V即可驅動)去控制，正轉為打開閥門(通過壓縮相應的彈簧并最終卡住)，反轉則關閉閥門(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.硬件和軟件設計

2.1 硬件設計

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

流量檢測硬件上體現在檢測渦輪葉片的轉速。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，并且內置有施密特觸發器，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：顯示設定數值和顯示當前流量。本設計只要求顯示三位數值，因此只需6位七段數碼管采用動態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輸入接口，其中一個按鍵作為功能選擇，如，進入流量設定模式、設定后確認、強制關閥門等。為方便軟件上的實現，將其直接連接在外部中端口INT1。另外兩個按鍵用于數值的加減設定，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驅動進行控制，選用的直流電機供電電壓大于5V，因此不能直接由MCU的電壓來直接驅動，需用總電源9V來驅動。電機的控制端采用5V的繼電器。也使有效驅動繼電器，IO輸出端通過上拉電阻以及NPN型的三極管進行驅動。

電源使用9V的電池供電，5V則通過7805轉換得到。整體硬件設計如圖1所示。

圖1

2.2 軟件設計

軟件的流程如圖2所示。開機后首先進入流量設定過程，此時設定值閃爍顯示，加、減鍵進行數值改變，設定完畢按“功能”鍵確認，設定值正常顯示。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定數值，可以長按“功能”鍵重新進入流量設定過程。

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

圖2

3.傳感器標定

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

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

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

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

表1 流量和轉數關系

圖3

由圖3可以看出在0.2-0.6MPa的水壓下，水流量和葉片轉數具有較好的線性。誤差基本上控制在1%以內，因此可以直接將各水壓下測定的數據歸結為一條直線。斜率就是傳感器的靈敏度。可以得到：流量(升)=轉數(轉)/14.4，即V=N/14.4。

4.小結

本水流量控制裝置以較低成本的方式實現了流量計中沒有的控制功能，用戶可以任意設定需要的流量。傳感器采用渦流式方式，在葉片材質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來驅動。同樣具有較好的控制速度和密封性。整個產品成本不超過100塊人民幣，很有應用價值。

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

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