基于单片机的水流量控制装置设计 转子流量计, 电磁流量计, 超声波, 单片机, 测量

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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。
2.硬件和软件设计
2.1 硬件设计
从前面的原理中可以了解到，此系统主要有三部分功能：流量检测、显示以及阀门控制。因此选用常见的80C51单片机作为MCU就可以满足功能实现和低成本的要求。
流量检测硬件上体现在检测涡轮叶片的转速。这里采用霍尔传感器来检测。所选用的霍尔器件供电电压和MCU的电压一致均为5V,并且内置有施密特触发器，使得检测干扰较少，因此直接将其输出连接至MCU的外部中断口INT0.
显示部分主要有两个功能：显示设定数值和显示当前流量。本设计只要求显示三位数值，因此只需6位七段数码管采用动态扫描的方式就可以上述要求。接口上P0.0~P0.6作为各段显示，P2.0~P2.5作为位选。
采用三个按键作为人机输入接口，其中一个按键作为功能选择，如，进入流量设定模式、设定后确认、强制关阀门等。
为方便软件上的实现，将其直接连接在外部中端口INT1.另外两个按键用于数值的加减设定，连接至普通的I/O口即可。
阀门控制就是对一个直流小电机驱动进行控制，选用的直流电机供电电压大于5V,因此不能直接由MCU的电压来直接驱动，需用总电源9V来驱动。电机的控制端采用5V的继电器。也使有效驱动继电器，IO输出端通过上拉电阻以及NPN型的三极管进行驱动。
电源使用9 V的电池供电，5 V则通过7 8 0 5转换得到。整体硬件设计如图1所示。


2.2 软件设计
软件的流程如图2所示。开机后首先进入流量设定过程，此时设定值闪烁显示，加、减键进行数值改变，设定完毕按“功能”键确认，设定值正常显示。接下来可以再次按“功能”键打开阀门，开始流量测量。若想在阀门打开之前重新设定数值，可以长按“功能”键重新进入流量设定过程。
流量通过过程中显示屏上实时显示当前流量值，当所通过的流量和设定值一致时，阀门自动关闭。当然在流量未到设定值时，也可以通过按下“功能”键手动关闭阀门。


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.