基于单片机的智能涡轮流量计显示仪的设计

摘 要：基于单片机的智能涡轮流量计，以轴向型涡轮流量计作为测量系统，采用智能流量显示仪并利用汽车电源供电。阐述流量显示仪表的设计，在硬件设计方面，采用了低功耗的AT89C2051单片机；软件设计采用MCS-51汇编语言，实现了瞬时流量、累计流量和分段流量的切换显示。该流量显示仪为驾驶员实时掌握油耗和公司管理人员控制管理成本提供了准确和可靠的数据。

关键字：单片机 涡轮流量计 流量显示仪

  在现代生活中，汽车已经成为人们必*一种交通工具，汽车生产、使用成本相当大部分来源于每日消耗的汽车燃油。汽车燃油的消耗已引起了相关管理部门的重视，但因汽车燃油没有较准确的计量装置而无法落实管理。因此，采取安装燃油计量装置的方案实现对汽车的实时监测，便于考核汽车的经济指标和杜绝浪费燃油的现象。同时，节约燃油不仅有直接的经济效益，对减少汽车尾气污染、保护环境也起到积极的作用。

1 涡轮流量计的原理与组成结构

1.1 涡轮流量计的基本原理

  涡轮流量计是一种速度式流量计，其由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成。当流量计工作时，被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入流量显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。

（1）

式中：Q为流经传感器的流量（m3/s）；

f为电脉冲频率（Hz）；

k为仪表系数（1/m3）。

  涡轮传感器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动并冲击涡轮叶片时，便有管道内流体的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比，k是涡轮传感器的重要特性参数，其代表每立方米流量有几个脉冲，或者每升流量有几个脉冲。不同的仪表有不同的k，并随仪表长期使用的磨损情况而变化。尽管涡轮流量计的设计尺寸相同，但实际加工出来的涡轮几何参数却不会*一样，因而每台涡轮传感器的仪表常数k也不*一样，其通常是制造厂在常温下用洁净的水标定出来的。涡轮传感器输出的脉冲信号，经前置放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。

1.2 涡轮流量计的组成结构

  涡轮流量计工作的大致流程如图1所示，其由负责流量检测部分的流量传感器和采集数据及显示数据的流量显示仪表两部分组成。

  涡轮流量传感器主要由壳体1、导向体2、叶轮3、轴和轴承5、信号检出器及压紧圈6组成，同时还应配有与之相配合的前连接管7和后连接管8。具体各个部件的配合如图2所示。

（1）壳体。壳体是传感器的主体部分，其起到承受被测液体的压力、固定安装检测部件、连接管道的作用，壳体采用不导磁不锈钢或硬质合金制造。对于大口径传感器，亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构，壳体外壁装信号检出器。

（2）导向体。在传感器进出口装有导向体，其对流体起导向整流以及支承叶轮的作用，通常选用不导磁不锈钢或硬铝材料制作。

（3）涡轮。亦称叶轮，是传感器的检测部件，其由高导磁性材料制成。叶轮有直板叶片、螺旋叶片和丁字形叶片等几种，亦可用嵌有许多导磁体的多孔护罩环来增加有一定数量叶片涡轮旋转的频率，叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计，叶轮的动平衡很重要，直接影响仪表的性能和使用寿命。

（4）轴与轴承。其支承叶轮旋转，需有足够的刚度、强度和硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。其决定着传感器的可靠性和使用期限。传感器失效通常是由轴与轴承引起的，因此它的结构与材料的选用以及维护是重要问题。

（5）信号检出器。常用变磁阻式，由*磁铁、导磁棒（铁芯）、线圈等组成。*磁铁对叶片有吸引力，产生磁阻力矩，小口径传感器在小流量时，磁阻力矩在诸阻力矩中成为主要项，为此将*磁钢分为大小两种规格，小口径配小规格以降低磁阻力矩。输入信号有效值在10mV以上的可直接配用流量计算机，配上放大器则输出伏级频率信号。

（6）压紧圈。为了固定导向体，应配有合适的压紧圈。

（7）前后连接管。为了能更加准确地测量液体的流量，壳体前后应该连接长度相当于管径10倍以上的前连接管和相当于管径5倍以上的后连接管。

1.2.2 涡轮流量显示仪表的结构

  流量显示仪表是以单片机为核心的能够反映流体流速和流量的显示仪表。其主要由和流量传感器配合工作的微控制器系统及能够显示当前状态的显示器组成。该系统的流量显示仪表要求能够显示汽车的累计流量、分段流量和瞬时流速。作为实现该系统功能的重点模块，需进行详细的设计。

2 涡轮流量计流量显示仪的研究设计

2.1 系统硬件

  设计硬件结构时，要结合软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案发生相互影响时，考虑的原则是：功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。这样可以减小硬件的复杂性，所付出的代价是占用较长的CPU运行时间。

  根据流量显示仪的功能要求，硬件系统结构框图如图3所示。硬件系统包括单片机控制器模块、传感器信号输入模块、液晶显示模块、面板按键模块及汽车电源供电模块。

  单片机控制器模块主要由单片机构成，是信号处理、计算的核心，也是整个流量显示仪运行的核心部分。EEPROM起到存储数据的功能，是单片机外接的一个存储组件。其他大部分模块都受单片机控制器模块的控制或通过单片机控制器而起作用。

  传感器信号输入模块是指流量信号的整形输入。流量信号需要进行整形、放大等处理，然后被单片机控制器的计数模块识别并计数。

液晶显示模块包括显示驱动电路及显示器。

面板按键模块由面板按键电路及按键组成。

汽车电源供电模块包括供电电路和设备供电电源。

2.2 系统软件

  设计流量显示仪软件时遵循的原则为：软件设计采用自顶向下逐步细化的设计方法，将一个复杂的问题分解为多个小模块；软件的设计模块化，各个模块尽量保持独立，少使用条件转移语句，便于调试、移植和修改；尽量避免中断嵌套的出现；软件编程要尽可能地降低功耗。

3 总结

  涡轮流量计是流量测量领域应用比较广泛的流量计，具有测量精度高、重复性好、体积小、质量轻、维修方便、加工零部件少及数字脉冲输出等优点。同时，涡轮流量计的输出信号为脉冲频率，因此适用于总量和瞬时流量的计量与控制，而且易于远距离传输，信号的抗*力也较强。

  作者设计了一种流量计显示仪，能够满足各方面的显示要求。这种流量显示仪能够实时地反映当前燃油的累计流量、分段流量和瞬时流量，为驾驶员实时掌握油耗和公司管理人员控制管理公司成本提供了准确和可靠的数据依据。

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