基于涡轮流量传感器的水流量计设计
2015-12-29西安电子科技大学电子工程学院吕登锋乔九印
西安电子科技大学电子工程学院 肖 飞 吕登锋 乔九印
基于涡轮流量传感器的水流量计设计
西安电子科技大学电子工程学院 肖 飞 吕登锋 乔九印
我国水资源在总量上是一个大国，而在人均占有量上却是一个名副其实的小国。我国水资源总量约占世界水资源总量的6%。但是我国的人口数量太大，我国人均占有量只有世界水平的1/4，是名副其实的水资源贫乏国家之一。因此，节约用水在我国更具有现实意义。节约用水离不开流量检测技术的支持，涡轮式的流量测量技术精确度高，可重复性好，且更适于对洁净的介质进行测量，广泛应用于水流量测量领域内。基于此，本文提出了基于涡轮流量传感器的水流量计设计。
水资源；流量计；涡轮
0 引言
流量计，通常指用于进行测量管道中的流体流量的一种仪表。流量计量属于计量科学技术的一个分支，也是其中一个不可或缺的组成部分，因为它与国民经济、国防建设以及科学研究密切联系。在工业中，流量计量的作用至关重要，因为准确的流量计量与工业产品质量和生产效率密切相关[1]。本设计主要是基于涡轮流量传感器的水流量计设计，可实时显示水的瞬时流量和累积流量，通过对EEPROM中参数的设置可调整系统测量时的环境参数，以适应各种不同条件下的水流量测量。
图1 系统总体框架
1 流量计总体设计
本文所设计的流量计主要由ARM微处理器，串口通信模块，数据存储模块，液晶显示屏模块以及按键模块组成。总体框架如图1所示。系统初始上电，等待用户按键选择，读写EEPROM中的仪表系数，密度，线性修正参数等具体参数，接收传感器所传入的脉冲并对其计数，内部进行数据处理计算出脉冲的频率，按照传感器提供的流量计算公式和参数计算出瞬时流量和累计流量并显示于LCD12864液晶显示屏上。
2 流量计硬件设计
2.1 微处理器最小系统
本设计中采用的微处理器为NXP公司的M3系列LPC1766，它具有三级流水线和哈佛结构[2]，功耗低，性能高，并且包含了众多外设。此外，M3内核还为LPC1766提供了一个能够降低中断延时和实现高效处理中断的嵌套向量中断处理器。
2.2 串口通信模块
单片机串口为TTL电平标准，即+5V和0V分别代表逻辑“1”和“0”。由于TTL和RS232高低电平的逻辑和范围不同，故这两种标准串口之间的连接首先应进行电平转换。本设计中采用sp3232芯片转换LPC1766串口的TTL电平与上位机串口相连，进行RS232通信。TTL到RS232电平转换电路。注意，RS232电平较高，接通瞬间可能会产生非常高的瞬时电涌，这个电涌电流可能会击毁SP3232，所以在使用这个芯片时应拔插之前进行断电操作，避免热拔插。
2.3 数据存储模块
EEPROM主要是用来存储一些与测量相关的参数和测量的数据。所选的是串行EEPROM存储芯片93C66,大小512B，可配置成8位或者16位结构，它通过SPI总线和LPC1766相连，对流量测量参数进行保存。当系统开始运行时，通过按键向存储芯片写入相关的参数，从而保证流量测量结果的正确。这些参数与实际运行环境是相关，通过重新写入相应参数以适应新的运行环境。
2.4 LCD液晶显示模块
本设计的显示模块选择的是LCD12864,用于实时显示流量计所测量的瞬时流量和累计流量。LCD12864是由128*64个液晶显示点组成的一个128列*64行的阵列，自带中文字库，既可以显示字母也可以显示汉字及图形。
3 流量计软件设计
3.1 软件设计总流程
软件的总体设计主要包括这几个方面：系统初始化程序，LCD显示程序，流量测量数据处理，数据存储程序以及基于modbus协议的RS232串口通信程序。这里首先介绍软件设计的总体流程图，如图2所示。
图2 软件总流程图
系统初始化程序主要用于微处理器各GPIO功能引脚的选择、系统时钟配置、中断初始化及优先级配置以及LCD液晶屏初始化。微处理器LPC1766在modbus主从通信协议中处于从机地位，为了实现标准的modbus协议，采用了移植freemodbus源代码的方式。因此串口通信程序所做的只是根据LPC1766的芯片手册对串口通信方式进行设置和开启串口中断。按键程序主要作用是为了实现人机交互功能，本设计主要用了四个按键，分别用于参数设置时的确认，返回，增大和减小功能。
3.2 流量测量程序
涡轮式流量传感器输出脉冲信号的频率与其流量大小相关，并在一般情况下，有f=Kqv
式中，K为传感器的仪表系数，并在其测量范围内，对qv而言，K相当于一个常数，通常由流量仪表厂商经过多次实验测得并由提供给用户直接使用。qv为通过传感器流体的体积流量。由此可以看出，对于流量的测量只须要测量传感器输出的脉冲数。脉冲信号的采集采用两个定时器，一个用作计数模式用于对脉冲计数，另一个用作重复定时器，得到单位时间内的脉冲数。单位时间内的脉冲数乘以仪表系数再乘以相应的补偿系数，便得到了瞬时流量。最后，将瞬时流量累加到累积流量中，并在显示屏上显示出来。此程序流程图如图3所示。
3.3 液晶屏显示程序
图3 流量测量程序流程图
该程序主要用于实时更新流量信息，微处理器与上位机通过RS232接口以modbus协议进行通信。最后，该设计液晶屏上所显示的流量信息与上位机软件所显示的数据如图4所示。
图4 液晶屏及上位机软件显示
4 总结
流量计量在国家生活的各种方面都有着广泛应用，从工业农业产品生产到国防经济和基础设施建设、从科学技术的理论研究到环境保护，从资源节约到与人民生活中用到的生活资源的计量，都有着流量计量的参与。本设计通过实现对水流量的检测，可使人们进一步提高水的利用效率，从而达到节约用水的目的。
[1]赵明坤．流量计量的意义的分析[J]．黑龙江科技信息,2008(26):20-20．
[2]李南安,朱文彬,梁芳芳,等．基于Cortex-M3的云终端设计[J]．电子世界,2014(23):6-6．
肖飞（1990-），男，硕士，研究方向：嵌入式系统技术及应用。
