明渠流量計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)簡單的明渠流量計對合理利用水資源、污水治理有著重要的現(xiàn)實意義。

本文設計的流量計是以單片機C8051F060為主控芯片，利用其捕捉測脈寬的特性，實現(xiàn)流速信號的采集和處理。系統(tǒng)具有同時測量液位、流速、流量，并將數(shù)據(jù)在液晶屏顯示；通過RS-232接口與上位機進行串行通訊；外掛U盤，實現(xiàn)海量式存儲；實時時鐘顯示；數(shù)據(jù)的非易失性安全存儲等特點。

1 測量原理

本設計采用的流量測量方法為“流速-水位計算法”，測出流通通道某局部（點、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，首先對流道測試斷面上的流速傳感器旋槳的轉(zhuǎn)速進行巡回檢測，從流速傳感器得到的信號是由機械式觸點或干簧式繼電器觸點產(chǎn)生的開、合信號，該信號送入檢測轉(zhuǎn)換電路變換為電信號，并經(jīng)濾波、去抖動后變換為脈沖信號，送入單片機的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小感應流速；

T為計測旋轉(zhuǎn)周數(shù)所用時間；

N為T時間內(nèi)的旋槳旋轉(zhuǎn)周數(shù)。

因此，在一定時間內(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流速值。然后，再對測試斷面各點流速和過流面積進行積分，即可求得流量。

2 電路設計

便攜式智能明渠流量計是以單片機C8051F060為核心，通過傳感器測量旋槳的旋轉(zhuǎn)周數(shù)，經(jīng)計算得到流速和流量，并通過液晶顯示屏實時顯示；計算所需要的參數(shù)，如：水力螺距系數(shù)、轉(zhuǎn)差率、儀器阻力系數(shù)、測量斷面，通過小鍵盤預先設定。此外，整個系統(tǒng)還具有U盤讀寫功能，實時時鐘及串行非易失的數(shù)據(jù)存儲功能等。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，該單片機是*集成的混合信號片上系統(tǒng)SoC（Systemonchip），具有與MCS-51內(nèi)核及指令集*兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設部件之外，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)字外設及功能部件。

2.2 信號采集模塊

流速信號采集是采用旋槳式流速傳感器來實現(xiàn)。旋槳式流速傳感器的旋漿每轉(zhuǎn)五轉(zhuǎn)發(fā)一次信號，該信號為脈沖信號，利用C8051F060的捕捉功能，測出脈沖周期，即可計算出當前流速。旋槳式流速傳感器發(fā)出的信號通過高速光電耦合器6N136送入C8051F060的T4EX端，T4端設為捕捉模式，T3設為方波輸出模式，T3EX接地，使T3自減計數(shù)，T3與T4相連，接10kΩ上拉電阻。當T4EX接收到的信號為下降沿時，T4產(chǎn)生捕捉中斷，通過EXF4查詢。當T4EX接收到的信號脈沖寬度較長時，T4溢出，此時未發(fā)生捕捉，在中斷中將溢出標志位清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的值計算一個脈沖的周期，將所有周期時間累加得到總時間，利用公式代入數(shù)據(jù)，即可求得流速。

水位信號采集是采用麥克壓力傳感器來實現(xiàn)。

2.3 串行接口模塊

系統(tǒng)通過RS-232接口與PC機進行通信，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。

水位信號的測量采用麥克壓力傳感器，它把水位轉(zhuǎn)換成485信號，送給單片機。因此，單片機在與麥克壓力傳感器通訊之前需要將485電平進行轉(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來防止外界信號對系統(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C8051F060的P5口連接，用于旋槳式流速傳感器的參數(shù)、時鐘時間值的修改、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進行通訊，實現(xiàn)對U盤的正確讀寫功能。C8051F060通過8位雙向數(shù)據(jù)線D1-D7、片選信號線nCS、讀nRD和寫nWR輸入信號線和一根地址線A0，與SL811HST進行通訊。

（3）LCD顯示模塊。系統(tǒng)選用LM19264點陣式液晶模塊，該芯片驅(qū)動信號為5V，需要在單片機與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）實時時鐘及串行非易失數(shù)據(jù)存儲模塊。系統(tǒng)對采集到的信號需要可靠地存儲，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)提供時鐘信號。鑒于以上設計要求，系統(tǒng)采用RAMTRON公司的鐵電存儲器FM3164實現(xiàn)實時時鐘和非易失性數(shù)據(jù)存儲兩部分的功能。