流量測量在經濟建設、社會生活各個方面有著廣泛的應用。長期以來人類根據不同的測量原理，研制出豐富多樣的流量計。在石油注水開采過程中，為了保持開采效果、保護地下環境以及日后分析注水數據，需要對注水量進行監測，在油田系統中逐漸使用智能儀表來計量油井的出油量。計量儀表精確度的高低，直接影響著企業的經濟效益。使用單片機開發的流量計作為二次開發儀表，對油田自動化有很大的促進作用。

      1 系統原理

      流量計主要由渦街流量傳感器、前置放大器、計數顯示單元等部分組成。渦街流量傳感器主要由漩渦發生體、漩渦頻率檢測部分和殼體構成，其作用是產生穩定、強烈的漩渦，并檢出產生漩渦的頻率和輸出與漩渦頻率成正比的電信號。漩渦發生體是渦街流量計的重要元件，為了產生強烈穩定的渦街，并在較寬的管道雷諾數范圍內具有恒定的斯特勞哈爾數，以保證儀表的線性輸出，漩渦發生體應有一定的形狀、結構和尺寸比例，這需要通過實踐方能確定。

      一般情況下，由于檢測元件輸出的信號比較微弱且含有噪聲，所以各種檢測方式的前置放大器還應包括放大、濾波、整形等部分，合起來也稱為一次儀表部分。

      計數顯示單元被稱為流量計的二次儀表，一般由一個單片機系統構成流量顯示儀表，負責對轉換器輸出的信號進行計數以實現對流量的記錄、存儲、計算、設置等功能。另外，還要控制一個液晶顯示器以顯示其測得的瞬時流量和總流量等信息。有的流量計為了與遠程的計算機進行數據通信，還帶有通信接口，以實現動態監控。

      用單片機開發出來的，具有多功能、軟件調節非線性誤差的智能流量顯示儀是和各種脈沖輸出的一次流量測量儀表相配套的二次儀表，具有如下特點：

      （1）采用微處理技術，可靠性高；
      （2）采用微功耗器件，耗電低，適合電池供電；
      （3）可同時顯示累積流量和瞬時流量；
      （4）采用智能多段流量軟件補償技術，測量精度高；
      （5）可以存儲流量。

      技術性能如下：

      （1）輸入信號：一次儀表的頻率輸入。與流量傳感器相接，經檢測、放大得被測介質的流量，信號頻率為0-1000Hz的脈沖信號。傳感器連接電纜梯度小于1000m，要求導線電容小于0.1μF，電感小于10mH，智能流量顯示儀（二次儀表）放在計量間里，每個計量間可容納30個。
      （2）輸出信號：①累積流量顯示：8位浮點式，開始顯示小數點后5位：0.00000m³，最后顯示小數點后3位：0000.000m³。表示從儀表開始工作后的累計流量。②瞬時流量顯示：4位浮點式，開始顯示小數點后2位：00.00m³，最后顯示小數點1位：000.0m³。表示當前的瞬時流量。
      （3）抗干擾：10~17kW電機轉動，顯示無變化。
      （4）準確度：正時3%左右，修正后為±0.01%。
      （5）流量修正范圍：在全流程范圍內8段進行補償修正。
      （6）設置累積流量補償系數位：最多8位整數。
      （7 ）電源：4-5V直流。
      （8）總耗電：<1.0mW。
      （9）帶LB欠壓指示。
      （10）環境溫度：-20－+70 。
      （11）相對濕度：<85%。
      （12）隔爆型外殼設計。

      2 硬件組成

      （1）硬件中的核心是ATMEL生產的AT89C51/LV51單片機，它是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機，片內帶有一個4k字節的Flash可編程可擦除只讀存儲器，采用CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術，其輸出引腳和指令系統都與MSC-51兼容。

      （2）存儲流量用的存儲器是ATMEL生產的AT24C16系列，它是一種帶有閃2k字節的可電擦除?？删幊痰闹蛔x存儲器。通過單片機的RXD和TXD口與它的SCL和SDA分別相連，進行讀寫操作。

      （3）測量時，有一個1s的硬件復位電路接到RESET端，使單片機定時復位。單片機采用省電模式工作，每次輸入、累計、顯示處理后等待喚醒，功耗小。設置補償系數時，復位腳正常連接。

      （4）輸入脈沖通過分頻、74HC393鎖存后，送人單片機的P2口。在單片機內經過程序處理后，輸出顯示信號送到P1 口（數據4位，選擇信號4位）。數據中4位送入MC14543（BCD――鎖存/7段譯碼/驅動器）中。共有12個MC14543，分別控制著與累計流量8位及瞬時流量4位相連的液晶塊的顯示數據，4位選擇信號送到CD4514譯碼器（4位鎖存/4-16線譯碼器），選擇接收數據的MC14543芯片和浮動顯示的小數點位。

      （5）硬件分以下兩部分：

      ①控制部分如圖1所示。對流量信號處理，得到累積流量和瞬時流量的顯示數據。
      ②顯示部分將顯示數據送到液晶顯示屏。兩部分通過一個10針的插座J1相連。

      注：
      （1）單片機P2口（p20-p27）接經過分頻得頻率信號輸入（8位）。 
      （2）單片機的P3.4（T0）接按鍵：“設定鍵”；P3.5（T1）接按鍵：“確定鍵”；P3.2（Int0）接按鍵：“移位鍵”；P3.3（Int1）接按鍵：“加一鍵”。
      （3）P3.1（TXD）接AT24C16的SDA，P3.0（RXD）接AT24C16的SCL。
      （4）開關K的1、3接通時設置補償系數，單片機的RESET2正常接復位電路；K的2接通時儀表正常使用；K的2、3、4接通時顯示輸入的頻率值。
      （5）單片機的P0端空閑，等儀表出廠時，可以將單片機的PO口中的若干引腳燒掉，以保護的勞動成果，相關知識可查閱單片機的程序加密方法。

      3 軟件設計部分

      主程序框圖如圖2所示。

      4 使用效果與改進

      本智能流量顯示儀用于現場測量已有5年多，運行可靠，測量準確，性價比非常低，易于功能擴展?，F已加入流量報警、控制流量大小等功能。當流量超過設定的報警值時，能發出語音報警；當設定流量控制參數后，可自動調節流量大小。該儀表也可以結合工業組態軟件mcgs或組態王，作為下位機收集流量數據，送給組態服務器來處理。

      參考文獻

      1 李華 MCG-51系列單片機實用接口技術．北京航空航天大學出版社出版，1997。
      2 李廣弟 單片機基礎．北京航空航天大學出版社出版，1994。