[導(dǎo)讀] 基于單片機(jī)的
智能渦輪流量計(jì)，以軸向型渦輪流量計(jì)作為測(cè)量系統(tǒng)，采用智能流量顯示儀并利用汽車(chē)電源供電。闡述流量顯示儀表的設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)方面，采用了低功耗的AT89C2051單片機(jī)；軟件設(shè)計(jì)采用MCS-51匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和分段流量的切換顯示。該流量顯示儀為駕駛員實(shí)時(shí)掌握油耗和公司管理人員控制管理成本提供了準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)。
在現(xiàn)代生活中，汽車(chē)已經(jīng)成為人們必不可缺的一種交通工具，汽車(chē)生產(chǎn)、使用成本相當(dāng)大部分來(lái)源于每日消耗的汽車(chē)燃油。汽車(chē)燃油的消耗已引起了相關(guān)管理部門(mén)的重視，但因汽車(chē)燃油沒(méi)有較準(zhǔn)確的計(jì)量裝置而無(wú)法落實(shí)管理。因此，采取安裝燃油計(jì)量裝置的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于考核汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和杜絕浪費(fèi)燃油的現(xiàn)象。同時(shí)，節(jié)約燃油不僅有直接的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)減少汽車(chē)尾氣污染、保護(hù)環(huán)境也起到積極的作用。
1 渦輪流量計(jì)的原理與組成結(jié)構(gòu)
1.1 渦輪流量計(jì)的基本原理
渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，其由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。當(dāng)流量計(jì)工作時(shí)，被測(cè)流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入流量顯示儀表進(jìn)行計(jì)數(shù)和顯示，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計(jì)脈沖數(shù)即可求出瞬時(shí)流量和累積流量。
（1）
式中：Q為流經(jīng)傳感器的流量（m3/s）；
f為電脈沖頻率（Hz）；
k為儀表系數(shù)（1/m3）。
渦輪傳感器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線(xiàn)方向流動(dòng)并沖擊渦輪葉片時(shí)，便有管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線(xiàn)，改變線(xiàn)圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線(xiàn)圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動(dòng)的電勢(shì)信號(hào)，此脈動(dòng)信號(hào)的頻率與被測(cè)流體的流量成正比，k是渦輪傳感器的重要特性參數(shù)，其代表每立方米流量有幾個(gè)脈沖，或者每升流量有幾個(gè)脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長(zhǎng)期使用的磨損情況而變化。盡管渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)尺寸相同，但實(shí)際加工出來(lái)的渦輪幾何參數(shù)卻不會(huì)完全一樣，因而每臺(tái)渦輪傳感器的儀表常數(shù)k也不完全一樣，其通常是制造廠(chǎng)在常溫下用潔凈的水標(biāo)定出來(lái)的。渦輪傳感器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。
1.2 渦輪流量計(jì)的組成結(jié)構(gòu)
渦輪流量計(jì)工作的大致流程如圖1所示，其由負(fù)責(zé)流量檢測(cè)部分的流量傳感器和采集數(shù)據(jù)及顯示數(shù)據(jù)的流量顯示儀表兩部分組成。
圖1 渦輪流量計(jì)示意圖
1.2.1 渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)
渦輪流量傳感器主要由殼體1、導(dǎo)向體2、葉輪3、軸和軸承5、信號(hào)檢出器及壓緊圈6組成，同時(shí)還應(yīng)配有與之相配合的前連接管7和后連接管8。具體各個(gè)部件的配合如圖2所示。
圖2 渦輪流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)
（1）殼體。殼體是傳感器的主體部分，其起到承受被測(cè)液體的壓力、固定安裝檢測(cè)部件、連接管道的作用，殼體采用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬質(zhì)合金制造。對(duì)于大口徑傳感器，亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)，殼體外壁裝信號(hào)檢出器。
（2）導(dǎo)向體。在傳感器進(jìn)出口裝有導(dǎo)向體，其對(duì)流體起導(dǎo)向整流以及支承葉輪的作用，通常選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。
（3）渦輪。亦稱(chēng)葉輪，是傳感器的檢測(cè)部件，其由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護(hù)罩環(huán)來(lái)增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率，葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)，葉輪的動(dòng)平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。
（4）軸與軸承。其支承葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。其決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護(hù)是重要問(wèn)題。
（5）信號(hào)檢出器。常用變磁阻式，由永久磁鐵、導(dǎo)磁棒（鐵芯）、線(xiàn)圈等組成。永久磁鐵對(duì)葉片有吸引力，產(chǎn)生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時(shí)，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項(xiàng)，為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格，小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。輸入信號(hào)有效值在10mV以上的可直接配用流量計(jì)算機(jī)，配上放大器則輸出伏級(jí)頻率信號(hào)。
（6）壓緊圈。為了固定導(dǎo)向體，應(yīng)配有合適的壓緊圈。
（7）前后連接管。為了能更加準(zhǔn)確地測(cè)量液體的流量，殼體前后應(yīng)該連接長(zhǎng)度相當(dāng)于管徑10倍以上的前連接管和相當(dāng)于管徑5倍以上的后連接管。
1.2.2 渦輪流量顯示儀表的結(jié)構(gòu)
流量顯示儀表是以單片機(jī)為核心的能夠反映流體流速和流量的顯示儀表。其主要由和流量傳感器配合工作的微控制器系統(tǒng)及能夠顯示當(dāng)前狀態(tài)的顯示器組成。該系統(tǒng)的流量顯示儀表要求能夠顯示汽車(chē)的累計(jì)流量、分段流量和瞬時(shí)流速。作為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)功能的重點(diǎn)模塊，需進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。
2 渦輪流量計(jì)流量顯示儀的研究設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件
設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)時(shí)，要結(jié)合軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案發(fā)生相互影響時(shí)，考慮的原則是：功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。這樣可以減小硬件的復(fù)雜性，所付出的代價(jià)是占用較長(zhǎng)的CPU運(yùn)行時(shí)間。
根據(jù)流量顯示儀的功能要求，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)控制器模塊、傳感器信號(hào)輸入模塊、液晶顯示模塊、面板按鍵模塊及汽車(chē)電源供電模塊。
圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
單片機(jī)控制器模塊主要由單片機(jī)構(gòu)成，是信號(hào)處理、計(jì)算的核心，也是整個(gè)流量顯示儀運(yùn)行的核心部分。EEPROM起到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，是單片機(jī)外接的一個(gè)存儲(chǔ)組件。其他大部分模塊都受單片機(jī)控制器模塊的控制或通過(guò)單片機(jī)控制器而起作用。
傳感器信號(hào)輸入模塊是指流量信號(hào)的整形輸入。流量信號(hào)需要進(jìn)行整形、放大等處理，然后被單片機(jī)控制器的計(jì)數(shù)模塊識(shí)別并計(jì)數(shù)。
液晶顯示模塊包括顯示驅(qū)動(dòng)電路及顯示器。
面板按鍵模塊由面板按鍵電路及按鍵組成。
汽車(chē)電源供電模塊包括供電電路和設(shè)備供電電源。
2.2 系統(tǒng)軟件
設(shè)計(jì)流量顯示儀軟件時(shí)遵循的原則為：軟件設(shè)計(jì)采用自頂向下逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)方法，將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題分解為多個(gè)小模塊；軟件的設(shè)計(jì)模塊化，各個(gè)模塊盡量保持獨(dú)立，少使用條件轉(zhuǎn)移語(yǔ)句，便于調(diào)試、移植和修改；盡量避免中斷嵌套的出現(xiàn)；軟件編程要盡可能地降低功耗。
軟件主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
3 總結(jié)
渦輪流量計(jì)是流量測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的流量計(jì)，具有測(cè)量精度高、重復(fù)性好、體積小、質(zhì)量輕、維修方便、加工零部件少及數(shù)字脈沖輸出等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，渦輪流量計(jì)的輸出信號(hào)為脈沖頻率，因此適用于總量和瞬時(shí)流量的計(jì)量與控制，而且易于遠(yuǎn)距離傳輸，信號(hào)的抗干擾能力也較強(qiáng)。
作者設(shè)計(jì)了一種流量計(jì)顯示儀，能夠滿(mǎn)足各方面的顯示要求。這種流量顯示儀能夠?qū)崟r(shí)地反映當(dāng)前燃油的累計(jì)流量、分段流量和瞬時(shí)流量，為駕駛員實(shí)時(shí)掌握油耗和公司管理人員控制管理公司成本提供了準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。
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