渦輪流量傳感器是一種精密流量測(cè)量?jī)x表，與相應(yīng)的流量積算儀表配套可用于測(cè)量液體的流量和總量。廣泛用于石油、化工、冶金、科研等領(lǐng)域的計(jì)量、控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)流量計(jì)的硬件主要由渦輪流量傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、STC89C51 單片機(jī)及其接口、液晶顯示等部件組成。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，成本低。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水流量的參量的采集，達(dá)到了水流量檢測(cè)和控制的目的，帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 .輪流量計(jì)測(cè)量原理

液體渦輪流量計(jì)是一種速度式流量計(jì)，如圖 1 所示，由渦輪、軸承、前置放大器、顯示儀表組成；渦輪傳感器的工作原理是當(dāng)流體流入時(shí)，沖擊渦輪葉片，便有管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動(dòng)電信號(hào)。

2.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

文章是基于單片機(jī) STC89C51 的液體渦輪流量計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)渦輪傳感器檢測(cè)流量信號(hào)，通過(guò)電路轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大電路，再通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)的 P1 口，通過(guò)單片機(jī)的 P0 口顯示，由單片機(jī)的 P2 口中的幾位控制 LCD1602 的讀寫(xiě)、使能時(shí)序，通過(guò)定時(shí)器中斷給 AD0809 提供工作的脈沖時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò) P2 口的幾個(gè)位控制 ADC0809 的開(kāi)始信號(hào)、使能信號(hào)。將傳感器與管道相連接對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量，傳感器輸出的電流信號(hào)為 4-20mA，通過(guò)作者的設(shè)計(jì)將其轉(zhuǎn)換為 0-5V 的直流電壓，由 AD0809 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)程序控制轉(zhuǎn)換為流量在 LCD1602 上顯示 1.5-15m3/h。

該系統(tǒng)的硬件電路包括電源電路為傳感器提供電源信號(hào)，流量傳感器采集液體流量信號(hào)輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)控制，由 LCD 液晶顯示實(shí)時(shí)液體流量。

2.1 電源電路模塊設(shè)計(jì)

渦輪流量傳感器需要外接 24V 的電源作為工作電壓，本設(shè)計(jì)通過(guò)將 220V 的交流電壓轉(zhuǎn)換為 24V 的直流電壓，該部分包括變壓器的降壓，整流橋的整流，電容濾波，通過(guò) 7824 輸出 24V 直流電壓，如圖 2 所示。

2.2 放大電路模塊設(shè)計(jì)

渦輪傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)為 1-5V，必須通過(guò)差動(dòng)放大器將其轉(zhuǎn)換為 0-4V，然后再通過(guò)同相放大器轉(zhuǎn)換為 0-5V，這樣才能滿足 A/D 轉(zhuǎn)換對(duì)電平的要求。

本設(shè)計(jì)選用了兩個(gè)運(yùn)放和幾個(gè)電阻，前級(jí)差動(dòng)放大器的輸出電壓 Uc=（Ua-Ub）*R8/R11，后一級(jí)采用同向放大器轉(zhuǎn)換為 A/D 輸入值 Ud=Uc*（1+R14/R13），轉(zhuǎn)換電路如圖 3。

2.3 顯示模塊

文章采用 LCD1602 作為顯示屏，由單片機(jī)的 P2.0、P2.1、P2.2 控制 LCD 的三個(gè)控制信號(hào)，LCD 可以進(jìn)行讀寫(xiě)信號(hào)的選擇，R/W 為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作；可以進(jìn)行指令的讀寫(xiě)，RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器；當(dāng) RS 和 R/W 共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 R/W 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS為高電平 R/W 為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)；E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。LCD 的雙向數(shù)據(jù)接口與單片機(jī)的 P0 口相連，此時(shí)由于P0 口內(nèi)部沒(méi)有電阻必須加上拉電阻。

3.軟件設(shè)計(jì)

由流量傳感器采集流量信息，將傳感器的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)LM324 的差動(dòng)放大和同相放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬信號(hào)離散化后傳給單片機(jī)。單片機(jī)在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，向外部輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn) LCD1602 實(shí)時(shí)顯示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要流程是首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化讓所有的器件進(jìn)行配置，傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理，AD 轉(zhuǎn)換器將 0-5V 的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制液晶顯示當(dāng)前的流量顯示。

4.調(diào)試結(jié)果

4.1 仿真調(diào)試結(jié)果

當(dāng)流量為 4mA 的時(shí)候，轉(zhuǎn)換為 1V 電壓信號(hào)，通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為 0V，A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，顯示流量為 1.5m3/h。

當(dāng)流量為 20mA 的時(shí)候，轉(zhuǎn)換為 5V 電壓信號(hào)，通過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換為 5V，A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，顯示流量為 13.5m3/h。

4.2 實(shí)物調(diào)試結(jié)果

通過(guò)將軟件和硬件實(shí)物結(jié)合調(diào)試，傳感器外加電源，當(dāng)流量傳感器輸出 4mA 的電流信號(hào)時(shí)，硬件調(diào)試與軟件調(diào)試結(jié)果一樣都是1.5m3/h；當(dāng)流量傳感器輸出 20mA 的電流信號(hào)時(shí)，硬件調(diào)試 12.5m3/h，與軟件的結(jié)果存在一定的差異。