LSX-1智能流速測算儀

摘要：介紹了水文測量中流速測量的現(xiàn)狀、意義、及原理，針對水文測量工作需要論述了儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)及硬件電路組成，對儀器的軟件設(shè)計(jì)、技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用情況都分別作了介紹。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)、流速測量

概述

在我國的江、河水文測驗(yàn)工作中，流量測驗(yàn)是最主要、最基本的工作之一，是國家防汛抗旱、防止水源污染的耳目。目前在江河的過水流量測驗(yàn)中其測量方法大都是采用機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀測量水的流速，再根據(jù)所測的過水?dāng)嗝婷娣e計(jì)算出流量來。而在流速的測量方法上大部分是采用幾十年來一直使用的傳統(tǒng)方法：轉(zhuǎn)子流速儀接上訊響器（或電鈴）人工計(jì)數(shù)、計(jì)時、再手工計(jì)算出流速。不僅時效低而且在大洪水期間由于存在風(fēng)雨聲、水浪聲，極容易造成人為誤差。
為解決測量流速時的計(jì)數(shù)問題，國內(nèi)一些廠家先后研制出了多種電子計(jì)數(shù)器，經(jīng)不同的用戶試用后，都沒有得到推廣應(yīng)用，其主要原因有兩個：一是不適應(yīng)機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀的特性，不能正確去除接觸絲的抖動現(xiàn)象，產(chǎn)生錯誤計(jì)數(shù)信號；二是對水體漏電阻的考慮不夠全面，從而影響計(jì)數(shù)信號的正確性。LSX-1流速測算儀就是針對目前流速測量的現(xiàn)狀，研制開發(fā)出的抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)不同類型的轉(zhuǎn)子流速儀、穩(wěn)定可靠且具有計(jì)時、計(jì)數(shù)、計(jì)算處理、顯示等功能于一體的流速測算儀器。
測量原理
根據(jù)轉(zhuǎn)子流速儀的特性，機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀的計(jì)算公式為：
v=K·N/T+C= K·na/T+C （米/秒）
式中：N=na,為在測量時間T內(nèi)轉(zhuǎn)子流速儀的總轉(zhuǎn)數(shù)，n為信號數(shù)，a為每信號的轉(zhuǎn)數(shù)；K、C、a對每一個流速儀都為一固定常數(shù)。
根據(jù)流速儀的計(jì)算公式，設(shè)計(jì)儀器使其能正確測量出流速儀的轉(zhuǎn)數(shù)N（即信號數(shù))和相應(yīng)時間T，并計(jì)算出流速輸出即可。LSX-1型智能流速測算儀的測量原理如框圖1所示。
圖1、測量原理框圖
關(guān)鍵技術(shù)
去抖動電路：轉(zhuǎn)子流速儀在測量水流速度時，每轉(zhuǎn)過一定的圈數(shù)后其內(nèi)部的機(jī)械觸點(diǎn)（金屬接觸絲與金屬觸點(diǎn)）接通一次，在接通與斷開時表現(xiàn)如圖2所示波形，即在將要接通和將要斷開時產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，而這些抖動現(xiàn)象是一切機(jī)械接觸傳感器所無法避免的。在測量時若是人工秒表計(jì)數(shù)，測量人員可以判斷真?zhèn)危羰遣捎酶哽`敏的電子計(jì)數(shù)器，就將產(chǎn)生錯誤計(jì)數(shù)，因此設(shè)計(jì)電路時必須將干擾信號消除掉。消除方法是采用濾波電路，這就要求選擇合適的時間常數(shù)，常

數(shù)值大，濾波時間長，但當(dāng)流速較大時，信號脈沖本身 圖2流速信號抖動現(xiàn)象
就較窄，易丟失信號。反之若時間常數(shù)小，在低流速時，達(dá)不到濾波的目的，又易多記信號，這就是目前的計(jì)數(shù)器所難以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題。而本測算儀采用單片機(jī)作處理器，軟件設(shè)計(jì)智能化，完全可以進(jìn)行高、低流速的自動識別，以確定選擇合適的參數(shù)進(jìn)行濾波，即采用硬件和軟件的結(jié)合濾波來消除抖動現(xiàn)象，保證正確計(jì)數(shù)。

信號丟失問題：水中某點(diǎn)的流速在一定時間內(nèi)變化不會太大，若因流速儀機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻發(fā)生突變使信號發(fā)生丟失現(xiàn)象時，如圖3所示在信號3與信號5之間丟失了信號4，單片機(jī)CPU可根據(jù)相鄰信 圖3流速信號波形圖
號的時間差判斷是否丟失信號，若發(fā)生信號丟失可進(jìn)
行自動插補(bǔ)，以進(jìn)一步保證正確計(jì)數(shù)、準(zhǔn)確測速。
硬件電路組成
根據(jù)流速測量原理及水文測驗(yàn)規(guī)范的要求，智能流速測算儀的硬件電路框圖如圖4所示。
圖4、硬件電路組成框圖
1單片機(jī)控制系統(tǒng)：以美國ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為核心控制元件（CPU），該器件內(nèi)部有8×4KB字節(jié)的EEPROM，使得流速測算儀整個工作軟件能被固化在CPU芯片內(nèi)部。選用6MHz的時鐘振蕩頻率，保證內(nèi)部的高精度計(jì)時，顯示驅(qū)動芯片采用ICM7211，并用4位半LCD液晶大屏幕顯示器作為測量結(jié)果的輸出顯示器件；該部分電路還包括流速儀系數(shù)、常數(shù)及測速參數(shù)的輸入電路。在輸出電路中還設(shè)計(jì)有與PC機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口電路，以及聲音提示、光指示電路等。
2流速儀信號處理電路：為了得到正確的流速儀信號，提高儀器的可靠性，在流速儀輸入信號之后設(shè)置有信號電平轉(zhuǎn)換電路、信號整形電路、消除流速儀機(jī)械觸點(diǎn)抖動現(xiàn)象的去抖動電路。配合軟件有效消除干擾信號，保證所測記的流速儀信號正確無誤。
3低功耗設(shè)計(jì)：為了使儀器體積小、功耗低、便于攜帶，在電路設(shè)計(jì)時，所選擇器件全部采用CMOS低功耗器件，不但降低了整機(jī)功耗，而且提高了抗干擾能力，也增強(qiáng)了儀器的可靠性。
軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)流速測量工作需要，流速測算儀的整個軟件主要包括：主程序、時鐘中斷（計(jì)時）子程序、流速信號中斷（計(jì)數(shù)）子程序、信號處理（去抖動、抗干擾）子程序、計(jì)算子程序、顯示子程序、通訊子程序等模塊。主程序如圖5所示，源程序用MCS-51匯編語言編寫。在信號處理子程序中，一方面要濾除掉干擾信號，另一方面還要精確記錄下每一信號的接通時間及相鄰信號之間斷開的時間，以便CPU正確判斷處理真實(shí)信號與干擾信號。限于篇幅，其源程序及其它子程序框圖不再給出。
圖5主程序框圖