基于單片機的渦輪流量計系統設計

劉丹

摘 要：渦輪流量傳感器是一種精密流量測量儀表，與相應的流量積算儀表配套可用于測量液體的流量和總量。廣泛用于石油、化工、冶金、科研等領域的計量、控制系統。本設計流量計的硬件主要由渦輪流量傳感器、信號轉換電路、STC89C51單片機及其接口、液晶顯示等部件組成。系統運行可靠，成本低。系統通過對水流量的參量的采集，達到了水流量檢測和控制的目的，帶來很好的經濟效益和社會效益。

關鍵詞：單片機；渦輪傳感器；液晶顯示

1 輪流量計測量原理

液體渦輪流量計是一種速度式流量計，如圖1所示，由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成；渦輪傳感器的工作原理是當流體流入時，沖擊渦輪葉片，便有管道內流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉。在渦輪旋轉的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據電磁感應原理，在線圈內將感應出脈動電信號。

2 系統硬件電路設計

文章是基于單片機STC89C51的液體渦輪流量計的系統設計，通過渦輪傳感器檢測流量信號，通過電路轉換和信號放大電路，再通過AD轉換送入單片機的P1口，通過單片機的P0口顯示，由單片機的P2口中的幾位控制LCD1602的讀寫、使能時序，通過定時器中斷給AD0809提供工作的脈沖時鐘信號，通過P2口的幾個位控制ADC0809的開始信號、使能信號。將傳感器與管道相連接對流量進行測量，傳感器輸出的電流信號為4-20mA，通過作者的設計將其轉換為0-5V的直流電壓，由AD0809轉換為數字信號，通過程序控制轉換為流量在LCD1602上顯示1.5-15m3/h。

該系統的硬件電路包括電源電路為傳感器提供電源信號，流量傳感器采集液體流量信號輸出電流信號轉換為電壓信號，通過A/D轉換由單片機控制，由LCD液晶顯示實時液體流量。

2.1 電源電路模塊設計

渦輪流量傳感器需要外接24V的電源作為工作電壓，本設計通過將220V的交流電壓轉換為24V的直流電壓，該部分包括變壓器的降壓，整流橋的整流，電容濾波，通過7824輸出24V直流電壓，如圖1所示。

圖1 電源電路

2.2 放大電路模塊設計

渦輪傳感器輸出的電流信號轉換為模擬信號為1-5V，必須通過差動放大器將其轉換為0-4V，然后再通過同相放大器轉換為0-5V，這樣才能滿足A/D轉換對電平的要求。

本設計選用了兩個運放和幾個電阻，前級差動放大器的輸出電壓Uc=（Ua-Ub）*R8/R11，后一級采用同向放大器轉換為A/D輸入值Ud=Uc*（1+R14/R13），轉換電路如圖2。

圖2 放大電路圖

2.3 顯示模塊

文章采用LCD1602作為顯示屏，由單片機的P2.0、P2.1、P2.2控制LCD的三個控制信號，LCD可以進行讀寫信號的選擇，R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作；可以進行指令的讀寫，RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器；當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據；E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。LCD的雙向數據接口與單片機的P0口相連，此時由于P0口內部沒有電阻必須加上拉電阻。

3 軟件設計

由流量傳感器采集流量信息，將傳感器的輸出電流信號轉換為電壓信號，通過LM324的差動放大和同相放大電路對信號進行處理，然后經過AD轉換器將連續的模擬信號離散化后傳給單片機。單片機在系統軟件的控制作用下，對輸入的數據進行分析，向外部輸出控制信號，實現LCD1602實時顯示。

系統軟件設計的主要流程是首先系統進行初始化讓所有的器件進行配置，傳感器對信號進行采集處理，AD轉換器將0-5V的模擬電壓信號轉換為數字信號給單片機，通過單片機控制液晶顯示當前的流量顯示。

4 調試結果

4.1 仿真調試結果

當流量為4mA的時候，轉換為1V電壓信號，通過放大電路轉換為0V，A/D轉換為數字信號，顯示流量為1.5m3/h。

當流量為20mA的時候，轉換為5V電壓信號，通過放大電路轉換為5V，A/D轉換為數字信號，顯示流量為13.5m3/h。

4.2 實物調試結果

通過將軟件和硬件實物結合調試，傳感器外加電源，當流量傳感器輸出4mA的電流信號時，硬件調試與軟件調試結果一樣都是1.5m3/h；當流量傳感器輸出20mA的電流信號時，硬件調試12.5m3/h，與軟件的結果存在一定的差異。

參考文獻

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