介紹了一種以 C8051F060 單片機為核心的智能明渠流量計。系統(tǒng)流量測量采用流速 – 水位計算法；通過旋槳式流速傳感器來測量流速；通過壓力傳感器與 RS-485 接口通訊測量水位；采用鐵電存儲器 FM3164 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的非易失性存儲和的實時時鐘；采用 SL811HST 芯片，實現(xiàn)了 USB 主機的功能，可讀寫 U 盤，從而實現(xiàn)了單片機的外掛式海量存儲。系統(tǒng)具有智能化、操作方便、硬件電路簡單等特點，符合預期設(shè)計結(jié)果，具有較強的實用價值。

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(yīng)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(shè)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(shè)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：

v=Kn + C=KN / T + C          （1）

式中：

v 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***小感應(yīng)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(shè)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(shè)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。

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，該單片機是完全集成的混合信號片上系統(tǒng) SoC（System on chip），具有與 MCS-51 內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準 8051 的數(shù)字外設(shè)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(shè)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(shè)為捕捉模式，T3 設(shè)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(shè)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。

3.軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序主要完成流速、水位信號的采集，流量的計算，數(shù)據(jù)的顯示，并完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。首先系統(tǒng)對定時器、外部振蕩器、UART、SMBus、I/O、U 盤讀寫芯片、中斷系統(tǒng)等完成初始化；然后對顯示部分初始化；***后進入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序是一個死循環(huán)，主要完成流速、水位、起始距等所有數(shù)據(jù)的測量；流量的計算；時鐘初始值的設(shè)置；測量所需參數(shù)的修改等。

3.1流量測量軟件設(shè)計

系統(tǒng)對流量的測量采用“流速 – 水位計算法”，需要測量河寬、流速和水位三個基本量，通過計算得出流量。流量測量流程圖如圖 2 所示。

3.2鐵電存儲器軟件設(shè)計

系統(tǒng)是采用鐵電存儲器 FM3164 來實現(xiàn)實時時鐘和串行非易失性存儲器功能。鐵電存儲器與單片機的通訊是通過對單片機的 SMBus 寄存器的操作實現(xiàn)的。單片機 C8051F060 對鐵電存儲器的操作分為讀和寫兩個部分，操作流程圖如圖 3 所示。

4.結(jié)束語

本文在分析所采用的流量測量方法的基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計框圖、各模塊的電路選擇及軟件設(shè)計流程。系統(tǒng)在模擬現(xiàn)場環(huán)境中進行安裝調(diào)試和測量，其硬件設(shè)計、軟件設(shè)計基本達到設(shè)計要求、實現(xiàn)各項功能，滿足了智能化的要求。