本設計針對一些小型流量的實際應用需求，適用于家用或學校等公共設施。基于STC10F08XE單片機的流量計，可以通過ModBus總線協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，在實際應用中穩定可靠。

引言

現在的工業生產，可以說離開水資源是無法進行的傳統的水表只能顯示累計流量，不能顯示流速，在與處理器數據通信方便還存在很大的缺陷。本系統采用 STC 公司生產的 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置每個流量計的通信 ID、流速比較閾值、對應不同型號傳感器時的脈沖系數。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。所有重要參數可以存儲到單片機 EEPROM，掉電不丟失數據。

1.系統整體方案設計

本設計主要由電源模塊、STC10F08XE 單片機***小系統、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 系統設計原理

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，渦輪傳感器串聯在管道中，采用 DC24V 供電，輸出 4 ～ 20mA 現場可顯示瞬時流量和累計流量。通過手動設置后每個流量計從機都有一個自己的地址，上位機通過發送 ModBus 總線查詢和設置指令，對應地址從機根據指令回復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指令，但是不做任何回復，完成整個系統的通信查詢、設置。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，方便人工直接查看。部分硬件原理圖如圖 1 所示。

1.2 系統總體方案設計框圖

流量計系統結構如圖 2 所示，流量計系統由電源模塊、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、地址等參數進行設置，然后通過 12864 液晶實時顯示流速、流量等參數。單片機通過 RS-485 模塊與主機（上位機）按照 ModBus 總線協議進行數據通信，完成參數查詢、設置功能。多個從機工作方式一樣，只是地址不同。

2.系統調試及使用

因為在系統功能模塊設計和實現部分已經對硬件進行了詳細的說明，這里不再贅述，主要介紹軟件調試部分。

2.1 主程序流程圖

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

2.2 流速流量程序調試

流速 v、累計流量 Q 檢測計算和顯示是本設計的主要功能，也是需要重點調試的部分。累計流量 Q 是通過外部中斷對傳感器脈沖進行計數，然后根據按鍵設置的脈沖系數進行計算和單位換算，以 1 秒為單位時間計算一次流量。比如設置脈沖系數為 4000 時，脈沖計數變量對 4000 取模，脈沖計數變量大于 4000 時累計流量加 1 升，余數保留，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的流量，單位時間為 1 秒鐘。在定時器中斷函數內編寫 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生數值跳變，所以在流速計算時采用了濾波函數進行處理，這樣可以濾掉明顯超過設置范圍的不正常流速數據，同時對多個連續流速值進行求和，算出平均流速，這樣可以使數據更準確。計算平均流速公式：

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

3.流量計通信協議

本設計與上位機之間通信遵守 ModBus 總線協議，考慮到流速和累計流量的數值具體情況，定義流速的數據長度為兩個字節，累計流量的數據長度為 4 個字節，啟動和停止的標志位占用兩個字節。本設計用到了 ModBus 總線協議的讀取和寫入功能。本設計通信協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能夠合理穩定與上位機之間進行數據交換的首要工作，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下，通過將已在授權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。全部能夠正常通信，沒有出現通信不成功結果。***終測試結果如二維曲線圖 4 所示。

累加流量的測試在流速測試之后進行，根據流速和流量的數學關系，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，***終通過理論計算和實際測試顯示結果進行對比，誤差控制在 2% 以內即可，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。累加流量測試結果如圖 5 所示。

5.結語

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

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