本設(shè)計針對一些小型流量的實際應(yīng)用需求，適用于家用或?qū)W校等公共設(shè)施。基于STC10F08XE單片機的流量計，可以通過ModBus總線協(xié)議與處理器進行通信，實時查詢流速、流量，啟動和停止流量計工作，大大的提高了主機工作效率，在實際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠。

引言

現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)，可以說離開水資源是無法進行的傳統(tǒng)的水表只能顯示累計流量，不能顯示流速，在與處理器數(shù)據(jù)通信方便還存在很大的缺陷。本系統(tǒng)采用 STC 公司生產(chǎn)的 STC10F08XE 單片機作為主控芯片，通過外部中斷的方式采集傳感器脈沖信號，經(jīng)過程序處理，將流速、累計流量實時顯示在 12864 液晶屏幕上，并且可以通過按鍵設(shè)置每個流量計的通信 ID、流速比較閾值、對應(yīng)不同型號傳感器時的脈沖系數(shù)。通過 RS-485 模塊與主機之間進行流速、累計流量的通信，接收主機的指定指令將累計流量清零、啟動或者停止流量的累計計數(shù)。所有重要參數(shù)可以存儲到單片機 EEPROM，掉電不丟失數(shù)據(jù)。

1.系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本設(shè)計主要由電源模塊、STC10F08XE 單片機最小系統(tǒng)、LWGY9012 型液體渦輪傳感器、JLX12864 液晶顯示模塊、485 通信模塊、繼電器控制模塊等六部分組成。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

STC10F08XE 單片機 自帶外部中斷功能，可以處理LWGY9012 型渦輪傳感器 的脈沖信號，渦輪傳感器串聯(lián)在管道中，采用 DC24V 供電，輸出 4 ～ 20mA 現(xiàn)場可顯示瞬時流量和累計流量。通過手動設(shè)置后每個流量計從機都有一個自己唯一的地址，上位機通過發(fā)送 ModBus 總線查詢和設(shè)置指令，對應(yīng)地址從機根據(jù)指令回復(fù)上位機流量累計開始停止、流量、流速、或者本機的累計流量清零，地址不對的從機可以收到有關(guān)指令，但是不做任何回復(fù)，完成整個系統(tǒng)的通信查詢、設(shè)置。同時每個流量計可以通過 JLX12864液晶實時顯示本機的所有參數(shù)，方便人工直接查看。部分硬件原理圖如圖 1 所示。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計框圖

流量計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，流量計系統(tǒng)由電源模塊、傳感器模塊、RS-485 模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊等組成，電源模塊為整個系統(tǒng)供電，單片機開機時，渦輪傳感器檢測流量，并采集按鍵信息，可以對脈沖變量、地址等參數(shù)進行設(shè)置，然后通過 12864 液晶實時顯示流速、流量等參數(shù)。單片機通過 RS-485 模塊與主機（上位機）按照 ModBus 總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，完成參數(shù)查詢、設(shè)置功能。多個從機工作方式一樣，只是地址不同。

2.系統(tǒng)調(diào)試及使用

因為在系統(tǒng)功能模塊設(shè)計和實現(xiàn)部分已經(jīng)對硬件進行了詳細的說明，這里不再贅述，主要介紹軟件調(diào)試部分。

2.1 主程序流程圖

本設(shè)計系統(tǒng)程序采用模塊化調(diào)試，其中流速流量調(diào)試邏輯運算量大，花費時間比較多，在流速調(diào)試時采用了濾波函數(shù)求平均值的算法。使用上位機調(diào)試可以免去主機的硬件焊接和程序編寫，直接發(fā)送查詢指令，提高穩(wěn)定性，方便快捷。主程序流程圖如圖 3 所示。

2.2 流速流量程序調(diào)試

流速 v、累計流量 Q 檢測計算和顯示是本設(shè)計的主要功能，也是需要重點調(diào)試的部分。累計流量 Q 是通過外部中斷對傳感器脈沖進行計數(shù)，然后根據(jù)按鍵設(shè)置的脈沖系數(shù)進行計算和單位換算，以 1 秒為單位時間計算一次流量。比如設(shè)置脈沖系數(shù)為 4000 時，脈沖計數(shù)變量對 4000 取模，脈沖計數(shù)變量大于 4000 時累計流量加 1 升，余數(shù)保留，加入下 1 秒的累計流量換算。

流速的檢測計算采用的方法是計算單位時間內(nèi)的流量，單位時間為 1 秒鐘。在定時器中斷函數(shù)內(nèi)編寫 1 秒鐘時間標志位，當標志位為 1時，對臨時流量進行記錄后清零，通過程序處理換算后顯示流速單位為升每分鐘。流速計算公式：

考慮到傳感器脈沖信號具有波動性，從而導致在液晶顯示流速時發(fā)生數(shù)值跳變，所以在流速計算時采用了濾波函數(shù)進行處理，這樣可以濾掉明顯超過設(shè)置范圍的不正常流速數(shù)據(jù)，同時對多個連續(xù)流速值進行求和，算出平均流速，這樣可以使數(shù)據(jù)更準確。計算平均流速公式：

根據(jù)流速和流量的數(shù)學關(guān)系，直接對流速進行時間積分就可以計算出流量，最終通過理論計算和實際測試顯示結(jié)果進行對比，計算出誤差，通過硬件和軟件的改進，保證誤差控制在 2% 以內(nèi)即可。累計流量檢測計算公式：

3.流量計通信協(xié)議

本設(shè)計與上位機之間通信遵守 ModBus 總線協(xié)議，考慮到流速和累計流量的數(shù)值具體情況，定義流速的數(shù)據(jù)長度為兩個字節(jié)，累計流量的數(shù)據(jù)長度為 4 個字節(jié)，啟動和停止的標志位占用兩個字節(jié)。本設(shè)計用到了 ModBus 總線協(xié)議的讀取和寫入功能。本設(shè)計通信協(xié)議分為主機對從機和從機對主機兩部分，具體格式見表 1、表 2。

4.流量計功能測試與驗證

流量計的通信測試是保證整個系統(tǒng)能夠合理穩(wěn)定與上位機之間進行數(shù)據(jù)交換的首要工作，所以通信測試是必要的，大部分流量計一般都采用在線檢定法。在線檢定法要求流量計工作在實際工況狀態(tài)下，通過將已在國家授權(quán)的標準裝置上校難過、具有確定準確度等級的標準流量計 ( 或流量標準裝置 ) 串接于流量計的工作回路中，用被測介質(zhì)對流量計進行檢定的方法，因此，這種方法能夠可靠地確定流量計的工作性能，能獲得較高的檢定精度。本設(shè)計的流速測試方法就是通過將本流量計與標準流量計串聯(lián)使用后進行比較，多次測試不同檔位的流速情況，測試用時 9 小時，誤差控制在 2% 以內(nèi)。全部能夠正常通信，沒有出現(xiàn)通信不成功結(jié)果。最終測試結(jié)果如二維曲線圖 4 所示。

累加流量的測試在流速測試之后進行，根據(jù)流速和流量的數(shù)學關(guān)系，因為只要流速測試合格后，直接對流速進行時間積分就可以計算出流量，最終通過理論計算和實際測試顯示結(jié)果進行對比，誤差控制在 2% 以內(nèi)即可，本次測試進行了 4 小時，流速保持在 10L/h，然后讀取流量計的累計流量。累加流量測試結(jié)果如圖 5 所示。

5.結(jié)語

基于 ModBus 總線的流量計，目前已經(jīng)整機調(diào)試完成，可以穩(wěn)定工作，已經(jīng)完成 RS-485 通信測試、流速測試和累計流量測試，然后根據(jù)具體問題進行了改進，一代產(chǎn)品已經(jīng)在工廠實際應(yīng)用，主機（上位機）可以通過 ModBus 總線協(xié)議查詢流速流量等參數(shù)，并且主機掛靠多個從機流量計時可以根據(jù)地質(zhì)不同完成指定從機的通信和查詢。本設(shè)計配有 JLX12864 液晶屏幕，可以設(shè)置和實時查看有關(guān)參數(shù)，更加人性化。

通過測試和改善，可以長期發(fā)展，不局限為單一設(shè)備使用，可以替代家用水表，增加每天限量用水功能，提高大家的節(jié)約意識。