基于渦輪流量傳感器的水流量計設計

西安電子科技大學電子工程學院 肖 飛 呂登鋒 喬九印

基于渦輪流量傳感器的水流量計設計

西安電子科技大學電子工程學院 肖 飛 呂登鋒 喬九印

我國水資源在總量上是一個大國，而在人均占有量上卻是一個名副其實的小國。我國水資源總量約占世界水資源總量的6%。但是我國的人口數量太大，我國人均占有量只有世界水平的1/4，是名副其實的水資源貧乏國家之一。因此，節約用水在我國更具有現實意義。節約用水離不開流量檢測技術的支持，渦輪式的流量測量技術精確度高，可重復性好，且更適于對潔凈的介質進行測量，廣泛應用于水流量測量領域內。基于此，本文提出了基于渦輪流量傳感器的水流量計設計。

水資源；流量計；渦輪

0 引言

流量計，通常指用于進行測量管道中的流體流量的一種儀表。流量計量屬于計量科學技術的一個分支，也是其中一個不可或缺的組成部分，因為它與國民經濟、國防建設以及科學研究密切聯系。在工業中，流量計量的作用至關重要，因為準確的流量計量與工業產品質量和生產效率密切相關[1]。本設計主要是基于渦輪流量傳感器的水流量計設計，可實時顯示水的瞬時流量和累積流量，通過對EEPROM中參數的設置可調整系統測量時的環境參數，以適應各種不同條件下的水流量測量。

圖1 系統總體框架

1 流量計總體設計

本文所設計的流量計主要由ARM微處理器，串口通信模塊，數據存儲模塊，液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成。總體框架如圖1所示。系統初始上電，等待用戶按鍵選擇，讀寫EEPROM中的儀表系數，密度，線性修正參數等具體參數，接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數，內部進行數據處理計算出脈沖的頻率，按照傳感器提供的流量計算公式和參數計算出瞬時流量和累計流量并顯示于LCD12864液晶顯示屏上。

2 流量計硬件設計

2.1 微處理器最小系統

本設計中采用的微處理器為NXP公司的M3系列LPC1766，它具有三級流水線和哈佛結構[2]，功耗低，性能高，并且包含了眾多外設。此外，M3內核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實現高效處理中斷的嵌套向量中斷處理器。

2.2 串口通信模塊

單片機串口為TTL電平標準，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，故這兩種標準串口之間的連接首先應進行電平轉換。本設計中采用sp3232芯片轉換LPC1766串口的TTL電平與上位機串口相連，進行RS232通信。TTL到RS232電平轉換電路。注意，RS232電平較高，接通瞬間可能會產生非常高的瞬時電涌，這個電涌電流可能會擊毀SP3232，所以在使用這個芯片時應拔插之前進行斷電操作，避免熱拔插。

2.3 數據存儲模塊

EEPROM主要是用來存儲一些與測量相關的參數和測量的數據。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B，可配置成8位或者16位結構，它通過SPI總線和LPC1766相連，對流量測量參數進行保存。當系統開始運行時，通過按鍵向存儲芯片寫入相關的參數，從而保證流量測量結果的正確。這些參數與實際運行環境是相關，通過重新寫入相應參數以適應新的運行環境。

2.4 LCD液晶顯示模塊

本設計的顯示模塊選擇的是LCD12864,用于實時顯示流量計所測量的瞬時流量和累計流量。LCD12864是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列，自帶中文字庫，既可以顯示字母也可以顯示漢字及圖形。

3 流量計軟件設計

3.1 軟件設計總流程

軟件的總體設計主要包括這幾個方面：系統初始化程序，LCD顯示程序，流量測量數據處理，數據存儲程序以及基于modbus協議的RS232串口通信程序。這里首先介紹軟件設計的總體流程圖，如圖2所示。

圖2 軟件總流程圖

系統初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統時鐘配置、中斷初始化及優先級配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協議中處于從機地位，為了實現標準的modbus協議，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LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進行設置和開啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實現人機交互功能，本設計主要用了四個按鍵，分別用于參數設置時的確認，返回，增大和減小功能。

3.2 流量測量程序

渦輪式流量傳感器輸出脈沖信號的頻率與其流量大小相關，并在一般情況下，有f=Kqv

式中，K為傳感器的儀表系數，并在其測量范圍內，對qv而言，K相當于一個常數，通常由流量儀表廠商經過多次實驗測得并由提供給用戶直接使用。qv為通過傳感器流體的體積流量。由此可以看出，對于流量的測量只須要測量傳感器輸出的脈沖數。脈沖信號的采集采用兩個定時器，一個用作計數模式用于對脈沖計數，另一個用作重復定時器，得到單位時間內的脈沖數。單位時間內的脈沖數乘以儀表系數再乘以相應的補償系數，便得到了瞬時流量。最后，將瞬時流量累加到累積流量中，并在顯示屏上顯示出來。此程序流程圖如圖3所示。

3.3 液晶屏顯示程序

圖3 流量測量程序流程圖

該程序主要用于實時更新流量信息，微處理器與上位機通過RS232接口以modbus協議進行通信。最后，該設計液晶屏上所顯示的流量信息與上位機軟件所顯示的數據如圖4所示。

圖4 液晶屏及上位機軟件顯示

4 總結

流量計量在國家生活的各種方面都有著廣泛應用，從工業農業產品生產到國防經濟和基礎設施建設、從科學技術的理論研究到環境保護，從資源節約到與人民生活中用到的生活資源的計量，都有著流量計量的參與。本設計通過實現對水流量的檢測，可使人們進一步提高水的利用效率，從而達到節約用水的目的。

[1]趙明坤．流量計量的意義的分析[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的云終端設計[J]．電子世界,2014(23):6-6．

肖飛（1990-），男，碩士，研究方向：嵌入式系統技術及應用。