[導讀] 基于單片機的
智能渦輪流量計，以軸向型渦輪流量計作為測量系統，采用智能流量顯示儀并利用汽車電源供電。闡述流量顯示儀表的設計，在硬件設計方面，采用了低功耗的AT89C2051單片機；軟件設計采用MCS-51匯編語言，實現了瞬時流量、累計流量和分段流量的切換顯示。該流量顯示儀為駕駛員實時掌握油耗和公司管理人員控制管理成本提供了準確和可靠的數據。
在現代生活中，汽車已經成為人們必不可缺的一種交通工具，汽車生產、使用成本相當大部分來源于每日消耗的汽車燃油。汽車燃油的消耗已引起了相關管理部門的重視，但因汽車燃油沒有較準確的計量裝置而無法落實管理。因此，采取安裝燃油計量裝置的方案實現對汽車的實時監測，便于考核汽車的經濟指標和杜絕浪費燃油的現象。同時，節約燃油不僅有直接的經濟效益，對減少汽車尾氣污染、保護環境也起到積極的作用。
1 渦輪流量計的原理與組成結構
1.1 渦輪流量計的基本原理
渦輪流量計是一種速度式流量計，其由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。當流量計工作時，被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉，渦輪的轉速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉速也大，再經磁電轉換裝置把渦輪的轉速轉換為相應頻率的電脈沖，經前置放大器放大后，送入流量顯示儀表進行計數和顯示，根據單位時間內的脈沖數和累計脈沖數即可求出瞬時流量和累積流量。
（1）
式中：Q為流經傳感器的流量（m3/s）；
f為電脈沖頻率（Hz）；
k為儀表系數（1/m3）。
渦輪傳感器的工作原理是當流體沿著管道的軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時，便有管道內流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉。在渦輪旋轉的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據電磁感應原理，在線圈內將感應出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比，k是渦輪傳感器的重要特性參數，其代表每立方米流量有幾個脈沖，或者每升流量有幾個脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長期使用的磨損情況而變化。盡管渦輪流量計的設計尺寸相同，但實際加工出來的渦輪幾何參數卻不會完全一樣，因而每臺渦輪傳感器的儀表常數k也不完全一樣，其通常是制造廠在常溫下用潔凈的水標定出來的。渦輪傳感器輸出的脈沖信號，經前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現流量的測量。
1.2 渦輪流量計的組成結構
渦輪流量計工作的大致流程如圖1所示，其由負責流量檢測部分的流量傳感器和采集數據及顯示數據的流量顯示儀表兩部分組成。
圖1 渦輪流量計示意圖
1.2.1 渦輪流量傳感器的結構
渦輪流量傳感器主要由殼體1、導向體2、葉輪3、軸和軸承5、信號檢出器及壓緊圈6組成，同時還應配有與之相配合的前連接管7和后連接管8。具體各個部件的配合如圖2所示。
圖2 渦輪流量計傳感器結構
（1）殼體。殼體是傳感器的主體部分，其起到承受被測液體的壓力、固定安裝檢測部件、連接管道的作用，殼體采用不導磁不銹鋼或硬質合金制造。對于大口徑傳感器，亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結構，殼體外壁裝信號檢出器。
（2）導向體。在傳感器進出口裝有導向體，其對流體起導向整流以及支承葉輪的作用，通常選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制作。
（3）渦輪。亦稱葉輪，是傳感器的檢測部件，其由高導磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環來增加有一定數量葉片渦輪旋轉的頻率，葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，其葉片數視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據流體性質、流量范圍、使用要求等設計，葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。
（4）軸與軸承。其支承葉輪旋轉，需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。其決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結構與材料的選用以及維護是重要問題。
（5）信號檢出器。常用變磁阻式，由永久磁鐵、導磁棒（鐵芯）、線圈等組成。永久磁鐵對葉片有吸引力，產生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項，為此將永久磁鋼分為大小兩種規格，小口徑配小規格以降低磁阻力矩。輸入信號有效值在10mV以上的可直接配用流量計算機，配上放大器則輸出伏級頻率信號。
（6）壓緊圈。為了固定導向體，應配有合適的壓緊圈。
（7）前后連接管。為了能更加準確地測量液體的流量，殼體前后應該連接長度相當于管徑10倍以上的前連接管和相當于管徑5倍以上的后連接管。
1.2.2 渦輪流量顯示儀表的結構
流量顯示儀表是以單片機為核心的能夠反映流體流速和流量的顯示儀表。其主要由和流量傳感器配合工作的微控制器系統及能夠顯示當前狀態的顯示器組成。該系統的流量顯示儀表要求能夠顯示汽車的累計流量、分段流量和瞬時流速。作為實現該系統功能的重點模塊，需進行詳細的設計。
2 渦輪流量計流量顯示儀的研究設計
2.1 系統硬件
設計硬件結構時，要結合軟件方案一并考慮。硬件結構與軟件方案發生相互影響時，考慮的原則是：功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構。這樣可以減小硬件的復雜性，所付出的代價是占用較長的CPU運行時間。
根據流量顯示儀的功能要求，硬件系統結構框圖如圖3所示。硬件系統包括單片機控制器模塊、傳感器信號輸入模塊、液晶顯示模塊、面板按鍵模塊及汽車電源供電模塊。
圖3 硬件系統結構圖
單片機控制器模塊主要由單片機構成，是信號處理、計算的核心，也是整個流量顯示儀運行的核心部分。EEPROM起到存儲數據的功能，是單片機外接的一個存儲組件。其他大部分模塊都受單片機控制器模塊的控制或通過單片機控制器而起作用。
傳感器信號輸入模塊是指流量信號的整形輸入。流量信號需要進行整形、放大等處理，然后被單片機控制器的計數模塊識別并計數。
液晶顯示模塊包括顯示驅動電路及顯示器。
面板按鍵模塊由面板按鍵電路及按鍵組成。
汽車電源供電模塊包括供電電路和設備供電電源。
2.2 系統軟件
設計流量顯示儀軟件時遵循的原則為：軟件設計采用自頂向下逐步細化的設計方法，將一個復雜的問題分解為多個小模塊；軟件的設計模塊化，各個模塊盡量保持獨立，少使用條件轉移語句，便于調試、移植和修改；盡量避免中斷嵌套的出現；軟件編程要盡可能地降低功耗。
軟件主程序流程圖如圖4所示。
圖4 主程序流程圖
3 總結
渦輪流量計是流量測量領域應用比較廣泛的流量計，具有測量精度高、重復性好、體積小、質量輕、維修方便、加工零部件少及數字脈沖輸出等優點。同時，渦輪流量計的輸出信號為脈沖頻率，因此適用于總量和瞬時流量的計量與控制，而且易于遠距離傳輸，信號的抗干擾能力也較強。
作者設計了一種流量計顯示儀，能夠滿足各方面的顯示要求。這種流量顯示儀能夠實時地反映當前燃油的累計流量、分段流量和瞬時流量，為駕駛員實時掌握油耗和公司管理人員控制管理公司成本提供了準確和可靠的數據依據。
參考文獻：
[1]梁國偉，蔡武昌．流量測量技術及儀表［M］．北京：機械工業出版社，2002．6：10－25．
[2]蘇彥勛，盛健，梁國偉．流量計量與測試［M］．北京：中國計量出版社，1992．
[3]張濤，盧皚，李剛，等．高性能智能流量積算儀［J］．自動化儀表，2001，22（1）：17－19．
[4]謝川，張純偉，劉志峰．AT89C2051單片機的智能渦輪流量計的設計［J］．儀表技術與傳感器，2007（3）：22－24．