水流量检测系统的设计

重庆人文科技学院 孙慧

引言

由于我国信息产业的迅猛发展，科技的日新月异，资源的大量开采，导致资源短缺现象日益严重。尤其是与人们休戚相关的水资源问题尤为凸出，因此，科学高效地利用水资源尤为重要。于是，方便、快捷、精准地监测水流量就为节约水资源提供了科学的保障和手段。社区中古板的人工抄表管理方式，人工损耗大，监管效率低。本文以STC89C52为核心控制电脑，分析了系统设计思路，结合硬件选材和软件编程设计出的流量检测体系，可以有效地降低管理成本、节约费用，实现网络化管理[1]。

1 目的和意义

本水流量控制装置以较低成本的方式实现了流量计中复杂的检测功能，用户可以任意设定重置重新检测水流量。传感器采用涡流式的方式，在叶片材质轻的情况下具有较好的线性度，精度较高。整个产品成本很小，很有应用价值。唯一需要改进的地方是低功耗方面，采用USB接口供电，相对来说续航能力和便携能力有提高的空间，今后可以考虑采用低功耗超便携的供电设备。

2 水流量检测系统

2.1 传感器的工作原理与选用

涡轮流量计计量水流量[2]的原理如下：在管道中心安放一个涡轮，充当障碍物,两端由轴承固定支撑。当流体通过管道时，横向冲击涡轮每个叶片并产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的管道横截面内，流量和流速成正比，对一定粘度的流体介质，涡轮的旋转角速度与流体流速亦成正比，由此可以间接推导流量大小。涡轮的旋转速度通过装机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁体产生的磁力线时，就会引起传感线圈的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通过周围变化信号送入放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与处理电路，得到并显示当前流量值，并在存储器中减去相应水量。

2.2 单片机的工作原理与选用

从性能上考虑STC89C52单片机拥有较多的引脚[3]，单片机本身具有较强的处理能力，方便了电路设计，它采用精简指令集结构，在8MHZ时指令速度可达8MIPS。另外STC89C52采用了16位多功能硬件乘法器等先进的体系结构，大大增强了其数据处理和运算能力，能够做到跟踪监控能力，所以本设计采用STC89C52单片机做核心电路。

2.3 系统硬件结构原理

工作原理:用水时，水经过水流量传感器，将该信息输入给以主芯片STC89C52为核心的微机处理系统。每流过一定水流量时，计量电路便发出一组计量脉冲序列，信号输入到微机控制系统，微机控制系统经数据处理后，驱动LCD显示器显示水流量信息[4]。

图1 系统硬件结构原理图

3 水流量监测系统的软件设计

水流量的监测主要依靠对得到的频率处理，由流量计在一段时间下产生高电平的个数决定，即Q（流量）=F（频率）/R（商家设定值），所以只要在单片机中设定一定的时间，并在该时间之下计算出得到的高电平即可。在本程序中STC89C52的两个定时器T0为计数状态，T1为计时状态，这样方可测量流量[5]。

3.1 水流量的读取程序

中断程序运行的时间到，就可以读取计数器中的数值，将下数值读出后把计数器赋值为0，等待下一次的取出，然后进入对读出数据的处理程序，如图2所示。

图2 水流量数据处理程序图

3.2 水流量数据的处理程序

在预定的时间到时，即已经取出了定时器的数值。我们计算的水流量最大是以每吨来计算并显示的，故一个整型或长整型的数不够，故先把它放在了一个int变量的存储空间内，取水流量的前三位，再定义一个长整型的数，把它作为水流量的后六位，这样计算起来也比较容易，数据也不会起冲突，也是为将要计算水价做准备。设定该水流量的最大计数为250吨，超过了定值，则会从0开始，如图3所示。

图3 水流量数据处理程序图

4 调试运行

4.1 仿真结果

由于自来水水流不够均匀，水流量传感器较小，测量不会标准，故测试该水流量用气流代替，每次结果不一。因原本设计要求已达到，本设计硬件部分和软件部分结束。

图4 实物效果图

4.2 实际不足及有待改进之处

（1）水流量传感器监测水流量范围有限，精确度有限；

（2）本设计功能单一，无法实现多功能监测、控制；

（3）虽然本设计携带方便，但同时持续供电装置有待改善。

[1]何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京航空航天大学出版社,1990.

[2]胡寿松.自动控制原理[M].第5 版.北京：科学出版社,2007.6.

[3]胡斌.电子工程师必备九大系统电路识图宝典[M]. 北京：人民邮电出社,2012.8.

[5]朱定华.单片机原理及接口技术实验[M].北京：北京大学出版社,2002.