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一种便携式智能明渠流量计的设计


文章日期:2017-06-18|阅读数:


介绍了一种以 C8051F060 单片机为核心的智能明渠流量计。系统流量测量采用流速 - 水位计算法;通过旋桨式流速传感器来测量流速;通过压力传感器与 RS-485 接口通讯测量水位;采用铁电存储器 FM3164 实现了数据的非易失性存储和的实时时钟;采用 SL811HST 芯片,实现了 USB 主机的功能,可读写 U 盘,从而实现了单片机的外挂式海量存储。系统具有智能化、操作方便、硬件电路简单等特点,符合预期设计结果,具有较强的实用价值。

明渠流量计是在非满管状敞开渠道中测量自由表面自然流的流量仪表,广泛应用于城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放等流量的测量。因此,研制一种成本低、精度高、操作方便、结构简单的明渠流量计对合理利用水资源、污水治理有着重要的现实意义。

本文设计的流量计是以单片机 C8051F060 为主控芯片,利用其捕捉测脉宽的特性,实现流速信号的采集和处理。系统具有同时测量液位、流速、流量,并将数据在液晶屏显示;通过 RS-232 接口与上位机进行串行通讯;外挂 U 盘,实现海量式存储;实时时钟显示;数据的非易失性安全存储等特点。

1.测量原理

本设计采用的流量测量方法为流速 - 水位计算法,测出流通通道某局部(点、线或小面积)流速,代表平均流速;再测量水位求得流通面积,并从局部流速和平均流速间的关系,经演算求取流量。流速的测量是采用旋桨式流速传感器,首先对流道测试断面上的流速传感器旋桨的转速进行巡回检测,从流速传感器得到的信号是由机械式触点或干簧式继电器触点产生的开、合信号,该信号送入检测转换电路变换为电信号,并经滤波、去抖动后变换为脉冲信号,送入单片机的 I/O 端口。在一定范围内,旋桨的转速与流速存在下列直线关系:

v=Kn + C=KN / T + C          1

式中:

 

v 为测点处流速; n 为流速仪旋桨转速;

 

K 为流速仪比例常数或称水力螺距;

 

C 为流速仪***小感应流速;

 

T 为计测旋转周数所用时间;

 

N  T 时间内的旋桨旋转周数。

 

因此,在一定时间内,只要测量出旋桨的旋转周数,便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。然后,再对测试断面各点流速和过流面积进行积分,即可求得流量。

 

2.电路设计

便携式智能明渠流量计是以单片机 C8051F060 为核心,通过传感器测量旋桨的旋转周数,经计算得到流速和流量,并通过液晶显示屏实时显示;计算所需要的参数,如:水力螺距系数、转差率、仪器阻力系数、测量断面,通过小键盘预先设定。此外,整个系统还具有 U 盘读写功能,实时时钟及串行非易失的数据存储功能等。系统框图如图 1 所示。

框架1.jpg

2.1系统主控模块

MCU 芯 片C8051F060,该单片机是完全集成的混合信号片上系统 SoCSystem on chip),具有与 MCS-51 内核及指令集完全兼容的微控制器,除了具有标准 8051 的数字外设部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

2.2信号采集模块

流速信号采集是采用旋桨式流速传感器来实现。旋桨式流速传感器的旋浆每转五转发一次信号,该信号为脉冲信号,利用 C8051F060 的捕捉功能,测出脉冲周期,即可计算出当前流速。旋桨式流速传感器发出的信号通过高速光电耦合器 6N136 送入 C8051F060 T4EX 端,T4 端设为捕捉模式,T3 设为方波输出模式,T3EX 接地,使 T3 自减计数,T3 T4 相连,接 10kΩ 上拉电阻。当 T4EX 接收到的信号为下降沿时,T4 产生捕捉中断,通过 EXF4 查询。当

T4EX 接收到的信号脉冲宽度较长时,T4 溢出,此时未发生捕捉,在中断中将溢出标志位清 0,溢出次数加 1,记录溢出次数,根据溢出次数和 RCAP4 的值计算一个脉冲的周期,将所有周期时间累加得到总时间,利用公式代入数据,即可求得流速。

水位信号采集是采用麦克压力传感器来实现。

2.3串行接口模块

系统通过 RS-232 接口与 PC 机进行通信,主控芯片 C8051F060 采用 3.3V 电源供电,因此选择 ADM202 作为 RS-232 电平转换芯片,该芯片供电电压为 3.0V~5.5V

水位信号的测量采用麦克压力传感器,它把水位转换成 485 信号,送给单片机。因此,单片机在与麦克压力传感器通讯之前需要将 485 电平进行转换,系统选择 SN65LBC184 电平转换芯片,在 RS-485 的接口电路中选用高速光电耦合器 6N136 来防止外界信号对系统的干扰。

2.4 其它模块

 

1)键盘输入模块。系统采用 4×4 的矩阵键盘,与单片机 C8051F060 P5 口连接,用于旋桨式流速传感器的参数、时钟时间值的修改、测量过程中的起始距等数据的输入。

 

2U 盘读写模块。系统选用 CYPRESS 公司的 SL811HST 芯片作为 USB 主控芯片,与 C805lF060 进行通讯,实现对 U 盘的正确读写功能。C8051F060 通过 8 位双向数据线 D1-D7、片选信号线 nCS、读 nRD 和写 nWR 输入信号线和一根地址线 A0,与 SL811HST 进行通讯。

3LCD 显示模块。系统选用 LM19264 点阵式液晶模块,该芯片驱动信号为 5V,需要在单片机与 LM19264 之间加电平转换芯片,选用双向转换芯片74VLC4245,通过引脚 DIR 的电压高低控制电平转换的方向。

4)实时时钟及串行非易失数据存储模块。系统对采集到的信号需要可靠地存储,在断电情况下数据不能丢失;在数据采集过程中需要不断的写入和更新数据;需要给系统提供时钟信号。鉴于以上设计要求,系统采用 RAMTRON 公司的铁电存储器 FM3164 实现实时时钟和非易失性数据存储两部分的功能。

3.软件设计

系统程序主要完成流速、水位信号的采集,流量的计算,数据的显示,并完成数据的发送。首先系统对定时器、外部振荡器、UARTSMBusI/OU 盘读写芯片、中断系统等完成初始化;然后对显示部分初始化;***后进入主循环程序。主循环程序是一个死循环,主要完成流速、水位、起始距等所有数据的测量;流量的计算;时钟初始值的设置;测量所需参数的修改等。

3.1流量测量软件设计

系统对流量的测量采用流速 - 水位计算法,需要测量河宽、流速和水位三个基本量,通过计算得出流量。流量测量流程图如图 2 所示。

框架2.jpg

3.2铁电存储器软件设计

系统是采用铁电存储器 FM3164 来实现实时时钟和串行非易失性存储器功能。铁电存储器与单片机的通讯是通过对单片机的 SMBus 寄存器的操作实现的。单片机 C8051F060 对铁电存储器的操作分为读和写两个部分,操作流程图如图 3 所示。

框架3.jpg

4.结束语

本文在分析所采用的流量测量方法的基础上,给出了系统总体设计框图、各模块的电路选择及软件设计流程。系统在模拟现场环境中进行安装调试和测量,其硬件设计、软件设计基本达到设计要求、实现各项功能,满足了智能化的要求。



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