基于流量计和阀门的低成本水流量控制装置设计方案

随着时代发展科技进步，流量相关的传感器技术也越来越成熟，种类繁多。按照流量传感器的结构型式可分为叶片（翼板）式、量芯式、热线式、热膜式、卡门涡旋式等几种。

用以测量管路中流体流量（单位时间内通过的流体体积）的仪表。有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。这60多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。

尽管流量计种类繁多，但目前市面上却很少看到一种流量控制的装置，即：可设定流量并能自动控制（类似加油站的加油器）。也没有一个能将流量计和阀门（电磁阀）组装的简单方案，即便实现类似的方案也会造成很大的成本问题。本文将设计一种低成本的水流量控制装置。

1.装置结构

该装置的原理上还是简单清晰的：水流量的检测，到达一定数值后，控制（关闭）阀门。设计时更多的要考虑的实现的可行性、精度以及低成本。

首先考虑流量检测传感器。测量方法很多，有差压式、容积式、速度式等等。

其中速度式又可分为涡轮式和涡街式。

从成本和实现上考虑，采用涡轮式，结构上就是叶片式。根据叶片式检测原理可知，叶片的转速大体和流速成正比，因此就能检测出具体的流量。叶片的转速检测通过霍尔传感器来实现，叶片的转轴上需要镶嵌一个磁铁。

其次，控制阀门如果简单地选用一般的电磁阀将带来成本上的问题，尤其是低压控制的电磁阀。因此需要重新设计一种阀门。本文所设计的阀门由一个直流小电机（9V即可驱动）去控制，正转为打开阀门（通过压缩相应的弹簧并最终卡住），反转则关闭阀门（释放卡闩，弹簧释放）。成本则大大降低。事实证明，只要密封圈足够好，密封效果就很好。

2.硬件和软件设计

2.1 硬件设计

从前面的原理中可以了解到，此系统主要有三部分功能：流量检测、显示以及阀门控制。因此选用常见的80C51单片机作为MCU就可以满足功能实现和低成本的要求。

流量检测硬件上体现在检测涡轮叶片的转速。这里采用霍尔传感器来检测。所选用的霍尔器件供电电压和MCU的电压一致均为5V,并且内置有施密特触发器，使得检测干扰较少，因此直接将其输出连接至MCU的外部中断口INT0.

显示部分主要有两个功能：显示设定数值和显示当前流量。本设计只要求显示三位数值，因此只需6位七段数码管采用动态扫描的方式就可以上述要求。接口上P0.0~P0.6作为各段显示，P2.0~P2.5作为位选。

采用三个按键作为人机输入接口，其中一个按键作为功能选择，如，进入流量设定模式、设定后确认、强制关阀门等。

为方便软件上的实现，将其直接连接在外部中端口INT1.另外两个按键用于数值的加减设定，连接至普通的I/O口即可。

阀门控制就是对一个直流小电机驱动进行控制，选用的直流电机供电电压大于5V,因此不能直接由MCU的电压来直接驱动，需用总电源9V来驱动。电机的控制端采用5V的继电器。也使有效驱动继电器，IO输出端通过上拉电阻以及NPN型的三极管进行驱动。

电源使用9 V的电池供电，5 V则通过7 8 0 5转换得到。整体硬件设计如图1所示。

2.2 软件设计

软件的流程如图2所示。开机后首先进入流量设定过程，此时设定值闪烁显示，加、减键进行数值改变，设定完毕按“功能”键确认，设定值正常显示。接下来可以再次按“功能”键打开阀门，开始流量测量。若想在阀门打开之前重新设定数值，可以长按“功能”键重新进入流量设定过程。

流量通过过程中显示屏上实时显示当前流量值，当所通过的流量和设定值一致时，阀门自动关闭。当然在流量未到设定值时，也可以通过按下“功能”键手动关闭阀门。

3.传感器标定

由于水的流速和叶片的转速理论上是成正比的，即v∝n,v为流速（m3/s），n为转速（rpm）。

将上述式子左边乘上时间t和截面积S可以得到对应时间内的流量V（体积），式子右边乘上时间t可以得到相应时间内叶片转的圈数N.由于截面积S是常数，因此可以得到流量V和叶片转的圈数N大致成线性，即V∝N.

因此，我们在标定传感器时可以直接去确定流经涡轮叶片的流量V（体积）和叶片圈数N之间的关系即可。

由于本装置主要应用于自来水的控制，选用常用的通径为25mm的管子作为标定实验使用，自来水水压通常约0.2-0.6MPa,分别间隔0.1MPa对其进行逐一标定。表1为不同水压下的数据。

由图3可以看出在0.2-0.6MPa的水压下，水流量和叶片转数具有较好的线性。

误差基本上控制在1%以内，因此可以直接将各水压下测定的数据归结为一条直线。

斜率就是传感器的灵敏度。可以得到：流量（升）=转数（转）/14.4,即V=N/14.4.

4.小结

传感器采用涡流式方式，在叶片材质轻的情况下具有较好的线性度，精度较高。阀门的控制则由一个直流小电机来驱动，同样具有较好的控制速度和密封性，整个产品成本不超过100块人民币，很有应用价值。唯一需要改进的地方是低功耗方面，采用9V电池供电相对来说续航能力有提高的空间，今后可以考虑采用低功耗MCU.