基于单片机的涡轮流量计系统设计

刘丹

摘 要：涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的计量、控制系统。本设计流量计的硬件主要由涡轮流量传感器、信号转换电路、STC89C51单片机及其接口、液晶显示等部件组成。系统运行可靠，成本低。系统通过对水流量的参量的采集，达到了水流量检测和控制的目的，带来很好的经济效益和社会效益。

关键词：单片机；涡轮传感器；液晶显示

1 轮流量计测量原理

液体涡轮流量计是一种速度式流量计，如图1所示，由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成；涡轮传感器的工作原理是当流体流入时，冲击涡轮叶片，便有管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动电信号。

2 系统硬件电路设计

文章是基于单片机STC89C51的液体涡轮流量计的系统设计，通过涡轮传感器检测流量信号，通过电路转换和信号放大电路，再通过AD转换送入单片机的P1口，通过单片机的P0口显示，由单片机的P2口中的几位控制LCD1602的读写、使能时序，通过定时器中断给AD0809提供工作的脉冲时钟信号，通过P2口的几个位控制ADC0809的开始信号、使能信号。将传感器与管道相连接对流量进行测量，传感器输出的电流信号为4-20mA，通过作者的设计将其转换为0-5V的直流电压，由AD0809转换为数字信号，通过程序控制转换为流量在LCD1602上显示1.5-15m3/h。

该系统的硬件电路包括电源电路为传感器提供电源信号，流量传感器采集液体流量信号输出电流信号转换为电压信号，通过A/D转换由单片机控制，由LCD液晶显示实时液体流量。

2.1 电源电路模块设计

涡轮流量传感器需要外接24V的电源作为工作电压，本设计通过将220V的交流电压转换为24V的直流电压，该部分包括变压器的降压，整流桥的整流，电容滤波，通过7824输出24V直流电压，如图1所示。

图1 电源电路

2.2 放大电路模块设计

涡轮传感器输出的电流信号转换为模拟信号为1-5V，必须通过差动放大器将其转换為0-4V，然后再通过同相放大器转换为0-5V，这样才能满足A/D转换对电平的要求。

本设计选用了两个运放和几个电阻，前级差动放大器的输出电压Uc=（Ua-Ub）*R8/R11，后一级采用同向放大器转换为A/D输入值Ud=Uc*（1+R14/R13），转换电路如图2。

图2 放大电路图

2.3 显示模块

文章采用LCD1602作为显示屏，由单片机的P2.0、P2.1、P2.2控制LCD的三个控制信号，LCD可以进行读写信号的选择，R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作；可以进行指令的读写，RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。LCD的双向数据接口与单片机的P0口相连，此时由于P0口内部没有电阻必须加上拉电阻。

3 软件设计

由流量传感器采集流量信息，将传感器的输出电流信号转换为电压信号，通过LM324的差动放大和同相放大电路对信号进行处理，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机。单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控制信号，实现LCD1602实时显示。

系统软件设计的主要流程是首先系统进行初始化让所有的器件进行配置，传感器对信号进行采集处理，AD转换器将0-5V的模拟电压信号转换为数字信号给单片机，通过单片机控制液晶显示当前的流量显示。

4 调试结果

4.1 仿真调试结果

当流量为4mA的时候，转换为1V电压信号，通过放大电路转换为0V，A/D转换为数字信号，显示流量为1.5m3/h。

当流量为20mA的时候，转换为5V电压信号，通过放大电路转换为5V，A/D转换为数字信号，显示流量为13.5m3/h。

4.2 实物调试结果

通过将软件和硬件实物结合调试，传感器外加电源，当流量传感器输出4mA的电流信号时，硬件调试与软件调试结果一样都是1.5m3/h；当流量传感器输出20mA的电流信号时，硬件调试12.5m3/h，与软件的结果存在一定的差异。

参考文献

[1]梁国伟，蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]苏彦勋，盛健，梁国伟.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，1995.

[3]谢川，张纯伟，刘志峰.AT89C2051单片机的智能涡轮流量计的设计[J].仪表技术与传感器，2007.

[4]徐晓光，潘伟，徐康.基于单片机的涡轮流量检测仪设计[J].工业控制计算机，2008，8.