智能明渠流量计量表的设计

明渠流量计是在非满管状敞开渠道中测量自由表面自然流的流量仪表，广泛应用于城市供水引水渠、火电厂冷却水引水和排水渠、污水治理流入和排放渠、工矿企业废水排放等流量的测量。因此，研制一种成本低、精度高、操作方便、结构简单的明渠流量计对合理利用水资源、污水治理有着重要的现实意义。

本文设计的流量计是以单片机C8051F060为主控芯片，利用其捕捉测脉宽的特性，实现流速信号的采集和处理。系统具有同时测量液位、流速、流量，并将数据在液晶屏显示；通过RS-232接口与上位机进行串行通讯；外挂U盘，实现海量式存储；精确实时时钟显示；数据的非易失性安全存储等特点。

1 测量原理

本设计采用的流量测量方法为“流速-水位计算法”，测出流通通道某局部（点、线或小面积）流速，代表平均流速；再测量水位求得流通面积，并从局部流速和平均流速间的关系，经演算求取流量。流速的测量是采用旋桨式流速传感器，首先对流道测试断面上的流速传感器旋桨的转速进行巡回检测，从流速传感器得到的信号是由机械式触点或干簧式继电器触点产生的开、合信号，该信号送入检测转换电路变换为电信号，并经滤波、去抖动后变换为脉冲信号，送入单片机的I/O端口。在一定范围内，旋桨的转速与流速存在下列直线关系：

（1）

式中：

υ为测点处流速；

n为流速仪旋桨转速；

K为流速仪比例常数或称水力螺距；

C为流速仪zui小感应流速；

T为计测旋转周数所用时间；

N为T时间内的旋桨旋转周数。

因此，在一定时间内，只要测量出旋桨的旋转周数，便可以求出旋桨所在位置的瞬时流速值。然后，再对测试断面各点流速和过流面积进行积分，即可求得流量。

2 电路设计

便携式智能明渠流量计是以单片机C8051F060为核心，通过传感器测量旋桨的旋转周数，经计算得到流速和流量，并通过液晶显示屏实时显示；计算所需要的参数，如：水力螺距系数、转差率、仪器阻力系数、测量断面，通过小键盘预先设定。此外，整个系统还具有U盘读写功能，实时时钟及串行非易失的数据存储功能等。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.1 系统主控模块

系统主控芯片选用高集成度MCU芯片C8051F060，该单片机是完全集成的混合信号片上系统SoC（Systemonchip），具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。

2.2 信号采集模块

流速信号采集是采用旋桨式流速传感器来实现。旋桨式流速传感器的旋浆每转五转发一次信号，该信号为脉冲信号，利用C8051F060的捕捉功能，测出脉冲周期，即可计算出当前流速。旋桨式流速传感器发出的信号通过高速光电耦合器6N136送入C8051F060的T4EX端，T4端设为捕捉模式，T3设为方波输出模式，T3EX接地，使T3自减计数，T3与T4相连，接10kΩ上拉电阻。当T4EX接收到的信号为下降沿时，T4产生捕捉中断，通过EXF4查询。当T4EX接收到的信号脉冲宽度较长时，T4溢出，此时未发生捕捉，在中断中将溢出标志位清0，溢出次数加1，记录溢出次数，根据溢出次数和RCAP4的值计算一个脉冲的周期，将所有周期时间累加得到总时间，利用公式代入数据，即可求得流速。

水位信号采集是采用麦克压力传感器来实现。

2.3 串行接口模块

系统通过RS-232接口与PC机进行通信，主控芯片C8051F060采用3.3V电源供电，因此选择ADM202作为RS-232电平转换芯片，该芯片供电电压为3.0V~5.5V。

水位信号的测量采用麦克压力传感器，它把水位转换成485信号，送给单片机。因此，单片机在与麦克压力传感器通讯之前需要将485电平进行转换，系统选择SN65LBC184电平转换芯片，在RS-485的接口电路中选用高速光电耦合器6N136来防止外界信号对系统的干扰。

2.4 其它模块

（1）键盘输入模块。系统采用4×4的矩阵键盘，与单片机C8051F060的P5口连接，用于旋桨式流速传感器的参数、时钟时间值的修改、测量过程中的起始距等数据的输入。

（2）U盘读写模块。系统选用CYPRESS公司的SL811HST芯片作为USB主控芯片，与C805lF060进行通讯，实现对U盘的正确读写功能。C8051F060通过8位双向数据线D1-D7、片选信号线nCS、读nRD和写nWR输入信号线和一根地址线A0，与SL811HST进行通讯。

（3）LCD显示模块。系统选用LM19264点阵式液晶模块，该芯片驱动信号为5V，需要在单片机与LM19264之间加电平转换芯片，选用双向转换芯片74VLC4245，通过引脚DIR的电压高低控制电平转换的方向。

（4）实时时钟及串行非易失数据存储模块。系统对采集到的信号需要可靠地存储，在断电情况下数据不能丢失；在数据采集过程中需要不断的写入和更新数据；需要给系统提供时钟信号。鉴于以上设计要求，系统采用RAMTRON公司的铁电存储器FM3164实现实时时钟和非易失性数据存储两部分的功能。