介紹了一種以 C8051F060 單片機(jī)為核心的智能明渠流量計(jì)。系統(tǒng)流量測(cè)量采用流速 – 水位計(jì)算法；通過旋槳式流速傳感器來測(cè)量流速；通過壓力傳感器與 RS-485 接口通訊測(cè)量水位；采用鐵電存儲(chǔ)器 FM3164 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)和的實(shí)時(shí)時(shí)鐘；采用 SL811HST 芯片，實(shí)現(xiàn)了 USB 主機(jī)的功能，可讀寫 U 盤，從而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的外掛式海量存儲(chǔ)。系統(tǒng)具有智能化、操作方便、硬件電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，符合預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開渠道中測(cè)量自由表面自然流的流量?jī)x表，廣泛應(yīng)用于城市供水引水渠、火電廠冷卻水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工礦企業(yè)廢水排放等流量的測(cè)量。因此，研制一種成本低、精度高、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的明渠流量計(jì)對(duì)合理利用水資源、污水治理有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)是以單片機(jī) C8051F060 為主控芯片，利用其捕捉測(cè)脈寬的特性，實(shí)現(xiàn)流速信號(hào)的采集和處理。系統(tǒng)具有同時(shí)測(cè)量液位、流速、流量，并將數(shù)據(jù)在液晶屏顯示；通過 RS-232 接口與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊；外掛 U 盤，實(shí)現(xiàn)海量式存儲(chǔ)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示；數(shù)據(jù)的非易失性安全存儲(chǔ)等特點(diǎn)。

1.測(cè)量原理

本設(shè)計(jì)采用的流量測(cè)量方法為“流速 – 水位計(jì)算法”，測(cè)出流通通道某局部（點(diǎn)、線或小面積）流速，代表平均流速；再測(cè)量水位求得流通面積，并從局部流速和平均流速間的關(guān)系，經(jīng)演算求取流量。流速的測(cè)量是采用旋槳式流速傳感器，首先對(duì)流道測(cè)試斷面上的流速傳感器旋槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行巡回檢測(cè)，從流速傳感器得到的信號(hào)是由機(jī)械式觸點(diǎn)或干簧式繼電器觸點(diǎn)產(chǎn)生的開、合信號(hào)，該信號(hào)送入檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路變換為電信號(hào)，并經(jīng)濾波、去抖動(dòng)后變換為脈沖信號(hào)，送入單片機(jī)的 I/O 端口。在一定范圍內(nèi)，旋槳的轉(zhuǎn)速與流速存在下列直線關(guān)系：

v=Kn + C=KN / T + C          （1）

式中：

v 為測(cè)點(diǎn)處流速； n 為流速儀旋槳轉(zhuǎn)速；

K 為流速儀比例常數(shù)或稱水力螺距；

C 為流速儀***小感應(yīng)流速；

T 為計(jì)測(cè)旋轉(zhuǎn)周數(shù)所用時(shí)間；

N 為 T 時(shí)間內(nèi)的旋槳旋轉(zhuǎn)周數(shù)。

因此，在一定時(shí)間內(nèi)，只要測(cè)量出旋槳的旋轉(zhuǎn)周數(shù)，便可以求出旋槳所在位置的瞬時(shí)流速值。然后，再對(duì)測(cè)試斷面各點(diǎn)流速和過流面積進(jìn)行積分，即可求得流量。

2.電路設(shè)計(jì)

便攜式智能明渠流量計(jì)是以單片機(jī) C8051F060 為核心，通過傳感器測(cè)量旋槳的旋轉(zhuǎn)周數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到流速和流量，并通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示；計(jì)算所需要的參數(shù)，如：水力螺距系數(shù)、轉(zhuǎn)差率、儀器阻力系數(shù)、測(cè)量斷面，通過小鍵盤預(yù)先設(shè)定。此外，整個(gè)系統(tǒng)還具有 U 盤讀寫功能，實(shí)時(shí)時(shí)鐘及串行非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等。系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

2.1系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng) 主 控 芯 片 選 用 高 集 成 度 MCU 芯 片C8051F060，該單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng) SoC（System on chip），具有與 MCS-51 內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8051 的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。

2.2信號(hào)采集模塊

流速信號(hào)采集是采用旋槳式流速傳感器來實(shí)現(xiàn)。旋槳式流速傳感器的旋漿每轉(zhuǎn)五轉(zhuǎn)發(fā)一次信號(hào)，該信號(hào)為脈沖信號(hào)，利用 C8051F060 的捕捉功能，測(cè)出脈沖周期，即可計(jì)算出當(dāng)前流速。旋槳式流速傳感器發(fā)出的信號(hào)通過高速光電耦合器 6N136 送入 C8051F060 的 T4EX 端，T4 端設(shè)為捕捉模式，T3 設(shè)為方波輸出模式，T3EX 接地，使 T3 自減計(jì)數(shù)，T3 與 T4 相連，接 10kΩ 上拉電阻。當(dāng) T4EX 接收到的信號(hào)為下降沿時(shí)，T4 產(chǎn)生捕捉中斷，通過 EXF4 查詢。當(dāng)

T4EX 接收到的信號(hào)脈沖寬度較長(zhǎng)時(shí)，T4 溢出，此時(shí)未發(fā)生捕捉，在中斷中將溢出標(biāo)志位清 0，溢出次數(shù)加 1，記錄溢出次數(shù)，根據(jù)溢出次數(shù)和 RCAP4 的值計(jì)算一個(gè)脈沖的周期，將所有周期時(shí)間累加得到總時(shí)間，利用公式代入數(shù)據(jù)，即可求得流速。

水位信號(hào)采集是采用麥克壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)。

2.3串行接口模塊

系統(tǒng)通過 RS-232 接口與 PC 機(jī)進(jìn)行通信，主控芯片 C8051F060 采用 3.3V 電源供電，因此選擇 ADM202 作為 RS-232 電平轉(zhuǎn)換芯片，該芯片供電電壓為 3.0V~5.5V。

水位信號(hào)的測(cè)量采用麥克壓力傳感器，它把水位轉(zhuǎn)換成 485 信號(hào)，送給單片機(jī)。因此，單片機(jī)在與麥克壓力傳感器通訊之前需要將 485 電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)選擇 SN65LBC184 電平轉(zhuǎn)換芯片，在 RS-485 的接口電路中選用高速光電耦合器 6N136 來防止外界信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾。

2.4 其它模塊

（1）鍵盤輸入模塊。系統(tǒng)采用 4×4 的矩陣鍵盤，與單片機(jī) C8051F060 的 P5 口連接，用于旋槳式流速傳感器的參數(shù)、時(shí)鐘時(shí)間值的修改、測(cè)量過程中的起始距等數(shù)據(jù)的輸入。

（2）U 盤讀寫模塊。系統(tǒng)選用 CYPRESS 公司的 SL811HST 芯片作為 USB 主控芯片，與 C805lF060 進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì) U 盤的正確讀寫功能。C8051F060 通過 8 位雙向數(shù)據(jù)線 D1-D7、片選信號(hào)線 nCS、讀 nRD 和寫 nWR 輸入信號(hào)線和一根地址線 A0，與 SL811HST 進(jìn)行通訊。

（3）LCD 顯示模塊。系統(tǒng)選用 LM19264 點(diǎn)陣式液晶模塊，該芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 5V，需要在單片機(jī)與 LM19264 之間加電平轉(zhuǎn)換芯片，選用雙向轉(zhuǎn)換芯片74VLC4245，通過引腳 DIR 的電壓高低控制電平轉(zhuǎn)換的方向。

（4）實(shí)時(shí)時(shí)鐘及串行非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)對(duì)采集到的信號(hào)需要可靠地存儲(chǔ)，在斷電情況下數(shù)據(jù)不能丟失；在數(shù)據(jù)采集過程中需要不斷的寫入和更新數(shù)據(jù)；需要給系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號(hào)。鑒于以上設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用 RAMTRON 公司的鐵電存儲(chǔ)器 FM3164 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩部分的功能。

3.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要完成流速、水位信號(hào)的采集，流量的計(jì)算，數(shù)據(jù)的顯示，并完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。首先系統(tǒng)對(duì)定時(shí)器、外部振蕩器、UART、SMBus、I/O、U 盤讀寫芯片、中斷系統(tǒng)等完成初始化；然后對(duì)顯示部分初始化；***后進(jìn)入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序是一個(gè)死循環(huán)，主要完成流速、水位、起始距等所有數(shù)據(jù)的測(cè)量；流量的計(jì)算；時(shí)鐘初始值的設(shè)置；測(cè)量所需參數(shù)的修改等。

3.1流量測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)流量的測(cè)量采用“流速 – 水位計(jì)算法”，需要測(cè)量河寬、流速和水位三個(gè)基本量，通過計(jì)算得出流量。流量測(cè)量流程圖如圖 2 所示。

3.2鐵電存儲(chǔ)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是采用鐵電存儲(chǔ)器 FM3164 來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和串行非易失性存儲(chǔ)器功能。鐵電存儲(chǔ)器與單片機(jī)的通訊是通過對(duì)單片機(jī)的 SMBus 寄存器的操作實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī) C8051F060 對(duì)鐵電存儲(chǔ)器的操作分為讀和寫兩個(gè)部分，操作流程圖如圖 3 所示。

4.結(jié)束語

本文在分析所采用的流量測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖、各模塊的電路選擇及軟件設(shè)計(jì)流程。系統(tǒng)在模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行安裝調(diào)試和測(cè)量，其硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求、實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，滿足了智能化的要求。