基于渦輪流量傳感器的水流量計設(shè)計 發(fā)布時間:2018-11-23
【摘要】我國水資源在總量上是一個大國,而在人均占有量上卻是一個名副其實(shí)的小國。我國水資源總量約占世界水資源總量的6%。但是我國的人口數(shù)量太大,我國人均占有量只有世界水平的1/4,是名副其實(shí)的水資源貧乏國家之一。因此,節(jié)約用水在我國更具有現(xiàn)實(shí)意義。節(jié)約用水離不開流量檢測技術(shù)的支持,渦輪式的流量測量技術(shù)精度高,可重復(fù)性好,且更適于對潔凈的介質(zhì)進(jìn)行測量,廣泛應(yīng)用于水流量測量領(lǐng)域內(nèi)。 0 引言 流量計,通常指用于進(jìn)行測量管道中的流體流量的一種儀表。流量計量屬于計量科學(xué)技術(shù)的一個分支,也是其中一個不可或缺的組成部分,因為它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)以及科學(xué)研究密切聯(lián)系。在工業(yè)中,流量計量的作用至關(guān)重要,因為準(zhǔn)確的流量計量與工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率密切相關(guān)[1];跍u輪流量傳感器的水流量計設(shè)計,可實(shí)時顯示水的瞬時流量和累積流量,通過對EEPROM中參數(shù)的設(shè)置可調(diào)整系統(tǒng)測量時的環(huán)境參數(shù),以適應(yīng)各種不同條件下的水流量測量。 1 流量計總體設(shè)計 流量計主要由ARM微處理器,串口通信模塊,數(shù)據(jù)存儲模塊,液晶顯示屏模塊以及按鍵模塊組成?傮w框架如圖1所示。系統(tǒng)初始上電,等待用戶按鍵選擇,讀寫EEPROM中的儀表系數(shù),密度,線性修正參數(shù)等具體參數(shù),接收傳感器所傳入的脈沖并對其計數(shù),內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計算出脈沖的頻率,按照傳感器提供的流量計算公式和參數(shù)計算出瞬時流量和累計流量并顯示于LCD12864液晶顯示屏上。 2? 流量計硬件設(shè)計 2.1? 微處理器最小系統(tǒng) 采用的微處理器為NXP公司的M3系列LPC1766,它具有三級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)[2],功耗低,性能高,并且包含了眾多外設(shè)。此外,M3內(nèi)核還為LPC1766提供了一個能夠降低中斷延時和實(shí)現(xiàn)高效處理中斷的嵌套向量中斷處理器。 2.2? 串口通信模塊 單片機(jī)串口為TTL電平標(biāo)準(zhǔn),即+5V和0V分別代表邏輯“1”和“0”。由于TTL和RS232高低電平的邏輯和范圍不同,故這兩種標(biāo)準(zhǔn)串口之間的連接首先應(yīng)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。采用sp3232芯片轉(zhuǎn)換LPC1766串口的TTL電平與上位機(jī)串口相連,進(jìn)行RS232通信。TTL到RS232電平轉(zhuǎn)換電路。注意,RS232電平較高,接通瞬間可能會產(chǎn)生非常高的瞬時電涌,這個電涌電流可能會擊毀SP3232,所以在使用這個芯片時應(yīng)拔插之前進(jìn)行斷電操作,避免熱拔插。 2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊 EEPROM主要是用來存儲一些與測量相關(guān)的參數(shù)和測量的數(shù)據(jù)。所選的是串行EEPROM存儲芯片93C66,大小512B,可配置成8位或者16位結(jié)構(gòu),它通過SPI總線和LPC1766相連,對流量測量參數(shù)進(jìn)行保存。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時,通過按鍵向存儲芯片寫入相關(guān)的參數(shù),從而保證流量測量結(jié)果的正確。這些參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境是相關(guān),通過重新寫入相應(yīng)參數(shù)以適應(yīng)新的運(yùn)行環(huán)境。 2.4 LCD液晶顯示模塊 顯示模塊選擇的是LCD12864,用于實(shí)時顯示流量計所測量的瞬時流量和累計流量。LCD12864是由128*64個液晶顯示點(diǎn)組成的一個128列*64行的陣列,自帶中文字庫,既可以顯示字母也可以顯示漢字及圖形。 3 流量計軟件設(shè)計 3.1 軟件設(shè)計總流程 軟件的總體設(shè)計主要包括這幾個方面:系統(tǒng)初始化程序,LCD顯示程序,流量測量數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)存儲程序以及基于modbus協(xié)議的RS232串口通信程序。如圖2所示。 系統(tǒng)初始化程序主要用于微處理器各GPIO功能引腳的選擇、系統(tǒng)時鐘配置、中斷初始化及優(yōu)先級配置以及LCD液晶屏初始化。微處理器LPC1766在modbus主從通信協(xié)議中處于從機(jī)地位,為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的modbus協(xié)議,采用了移植freemodbus源代碼的方式。因此串口通信程序所做的只是根據(jù)LPC1766的芯片手冊對串口通信方式進(jìn)行設(shè)置和開啟串口中斷。按鍵程序主要作用是為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,主要用了四個按鍵,分別用于參數(shù)設(shè)置時的確認(rèn),返回,增大和減小功能。 3.2 流量測量程序 渦輪式流量傳感器輸出脈沖信號的頻率與其流量大小相關(guān),并在一般情況下,有f=Kqv 式中,K為傳感器的儀表系數(shù),并在其測量范圍內(nèi),對qv而言,K相當(dāng)于一個常數(shù),通常由流量儀表廠商經(jīng)過多次實(shí)驗測得并由提供給用戶直接使用。qv為通過傳感器流體的體積流量。由此可以看出,對于流量的測量只須要測量傳感器輸出的脈沖數(shù)。脈沖信號的采集采用兩個定時器,一個用作計數(shù)模式用于對脈沖計數(shù),另一個用作重復(fù)定時器,得到單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)。單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)乘以儀表系數(shù)再乘以相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù),便得到了瞬時流量。最后,將瞬時流量累加到累積流量中,并在顯示屏上顯示出來。此程序流程圖如圖3所示。 3.3 液晶屏顯示程序 該程序主要用于實(shí)時更新流量信息,微處理器與上位機(jī)通過RS232接口以modbus協(xié)議進(jìn)行通信。最后,該設(shè)計液晶屏上所顯示的流量信息與上位機(jī)軟件所顯示的數(shù)據(jù)如圖4所示。 4 總結(jié) 流量計量在國家生活的各種方面都有著廣泛應(yīng)用,從工業(yè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)到國防經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、從科學(xué)技術(shù)的理論研究到環(huán)境保護(hù),從資源節(jié)約到與人民生活中用到的生活資源的計量,都有著流量計量的參與。通過實(shí)現(xiàn)對水流量的檢測,可使人們進(jìn)一步提高水的利用效率,從而達(dá)到節(jié)約用水的目的。
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