明渠流量計(jì)是在非滿管狀敞開渠道中測量自由表面自然流的流量儀表，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量。因此，研制一種成本低、精度高、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單的明渠流量計(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 測量原理

本設(shè)計(jì)采用的流量測量方法為“流速-水位計(jì)算法”，測出流通通道某局部（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。流速的測量是采用旋槳式流速傳感器，首先對(duì)流道測試斷面上的流速傳感器旋槳的轉(zhuǎn)速進(jìn)行巡回檢測，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：

    （1）

式中：

υ為測點(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zui小感應(yīng)流速；

T為計(jì)測旋轉(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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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*集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SoC（Systemonchip），具有與MCS-51內(nèi)核及指令集*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。