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标题: 基于单片机的水流量控制装置设计 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2015-5-4 23:54 标题: 基于单片机的水流量控制装置设计

关键字：单片机水流量控制装置 80C51
0.引言随着时代发展科技进步，流量相关的传感器技术也越来越成熟，种类繁多。按照流量传感器的结构型式可分为叶片(翼板)式、量芯式、热线式、热膜式、卡门涡旋式等几种。
用以测量管路中流体流量(单位时间内通过的流体体积)的仪表，有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。这60多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。
尽管流量计种类繁多，但目前市面上却很少看到一种流量控制的装置，即：可设定流量并能自动控制(类似加油站的加油器)。也没有一个能将流量计和阀门(电磁阀)组装的简单方案，即便实现类似的方案也会造成很大的成本问题。本文将设计一种低成本的水流量控制装置。
1.装置结构
该装置的原理上还是简单清晰的：水流量的检测，到达一定数值后，控制(关闭)阀门。设计时更多的要考虑的实现的可行性、精度以及低成本。
首先考虑流量检测传感器。测量方法很多，有差压式、容积式、速度式等等。
其中速度式又可分为涡轮式和涡街式。
从成本和实现上考虑，采用涡轮式，结构上就是叶片式。根据叶片式检测原理可知，叶片的转速大体和流速成正比，因此就能检测出具体的流量。叶片的转速检测通过霍尔传感器来实现，叶片的转轴上需要镶嵌一个磁铁。
其次，控制阀门如果简单地选用一般的电磁阀将带来成本上的问题，尤其是低压控制的电磁阀。因此需要重新设计一种阀门。本文所设计的阀门由一个直流小电机(9V即可驱动)去控制，正转为打开阀门(通过压缩相应的弹簧并最终卡住)，反转则关闭阀门(释放卡闩，弹簧释放)。成本则大大降低。事实证明，只要密封圈足够好，密封效果就很好。3.传感器标定
由于水的流速和叶片的转速理论上是成正比的，即v∝n，v为流速(m3/s)，n为转速(rpm)。
将上述式子左边乘上时间t和截面积S可以得到对应时间内的流量V(体积)，式子右边乘上时间t可以得到相应时间内叶片转的圈数N。由于截面积S是常数，因此可以得到流量V和叶片转的圈数N大致成线性，即V∝N。
因此，我们在标定传感器时可以直接去确定流经涡轮叶片的流量V(体积)和叶片圈数N之间的关系即可。
由于本装置主要应用于自来水的控制，选用常用的通径为25mm的管子作为标定实验使用，自来水水压通常约0.2-0.6MPa，分别间隔0.1MPa对其进行逐一标定。表1为不同水压下的数据。

由图3可以看出在0.2-0.6MPa的水压下，水流量和叶片转数具有较好的线性。
误差基本上控制在1%以内，因此可以直接将各水压下测定的数据归结为一条直线。
斜率就是传感器的灵敏度。可以得到：流量(升)=转数(转)/14.4，即V=N/14.4。
4.小结
本水流量控制装置以较低成本的方式实现了流量计中没有的控制功能，用户可以任意设定需要的流量。传感器采用涡流式方式，在叶片材质轻的情况下具有较好的线性度，精度较高。阀门的控制则由一个直流小电机来驱动。同样具有较好的控制速度和密封性。整个产品成本不超过100块人民币，很有应用价值。唯一需要改进的地方是低功耗方面，采用9V电池供电相对来说续航能力有提高的空间。今后可以考虑采用低功耗MCU。

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