摘 要:針對灌區(qū)用水計量模糊問題,開發(fā)了一種新型明渠流量儀。該設(shè)備先對水位進(jìn)行編碼,后送至微處理器,利用無喉道量水槽獲得流量算法,進(jìn)行流量計算并實(shí)時顯示輸出,同時對用水記錄進(jìn)行存儲,方便查詢。通過RS_485總線可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到計算機(jī)進(jìn)行分析和打印。該產(chǎn)品已應(yīng)用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中,效果良好。
1 引言
隨著我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展,農(nóng)田灌溉的自動化水平越來越高,相應(yīng)的對水流量的測量和記錄也提出了較高要求。一直以來,我國農(nóng)田灌溉用水量計算相當(dāng)模糊,一般采用按田塊面積平攤法,難以滿足現(xiàn)代水管理的要求,不利于水資源的合理利用。因此開發(fā)新型量水設(shè)備,有利于高效利用水資源,避免水資源浪費(fèi)。該計量設(shè)備不但應(yīng)有較好的水量測量精度、易于安裝和維護(hù),又要求具有生產(chǎn)簡單、操作方便、價格便宜的特點(diǎn),以便在大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用,從而解決廣大農(nóng)村灌區(qū)水量計費(fèi)問題。
目前,市場上此類明渠水量計量裝置的定型產(chǎn)品不多。為此筆者開發(fā)了一種明渠流量儀,它通過一個簡易實(shí)用的傳感器對水位進(jìn)行編碼,將采集到的水位數(shù)字量送往微處理器AT89C52,再由AT89C52通過渠道流量計算公式轉(zhuǎn)換成當(dāng)前的流量,并進(jìn)行流量累加、流量和水位顯示、記錄存儲、遠(yuǎn)程通信等一系列操作。
2 流量算法的原理
利用水工建筑物測流量,對于一定的形狀和尺寸都有著固定不變的流量關(guān)系,這種方法是一種普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)化方法。對于不同的環(huán)境、測流條件和用戶要求,需要采用不同的建筑物型式,以達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理又能保證精度的目標(biāo)。在這里采用了無喉道量水槽,它是沒有喉道,只有進(jìn)口收縮段和出口收縮段的測流槽,整個槽底呈水平狀態(tài),如圖1所示。
這種測流槽無論在自由流還是淹沒流狀態(tài)都有令人滿意的測流精度,且這種測流裝置結(jié)構(gòu)簡單,造價低廉。當(dāng)為自由流狀態(tài)時,無喉道槽的流量具有如下的規(guī)律:
3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
流量采集器上電工作時,立刻顯示當(dāng)前的水位值,并實(shí)時反映水位的變化。當(dāng)打開流量計量開關(guān)時,給微處理器AT89C52一觸發(fā)信號(START),單片機(jī)檢測到此信號后便記錄開始時間,通過傳感器送來的水位信息,按照公式(1)換算成瞬時水流量,并同時進(jìn)行累加。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉,START信號為零時結(jié)束采集,記錄關(guān)閉時間及此次用水量,并對用水總流量進(jìn)行更新。
根據(jù)要求的功能,系統(tǒng)的硬件電路主要包括水位傳感器單元、數(shù)字量編碼單元、單片機(jī)控制與處理單元、微機(jī)監(jiān)控及備用電池切換電路、鍵盤數(shù)碼顯示單元、時鐘單元和RS_485 遠(yuǎn)程通信接口。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。
水位傳感器用優(yōu)先編碼器74LS148和數(shù)據(jù)選擇器74LS151對水位信息進(jìn)行編碼,將數(shù)字量送往微處理器AT89C52。時鐘芯片采用Dallas公司的DS12C887芯片,該芯片自帶可充電鋰電池,擁有144字節(jié)的RAM存儲器,具有掉電保護(hù)功能,還可自行判斷閏年,并有多種周期的時鐘中斷,其正常工作時可保證數(shù)據(jù)十年內(nèi)不會丟失。因此將用水總量等重要數(shù)據(jù)保存在其內(nèi)部RAM中,其地址設(shè)為高端地址0x8000。數(shù)據(jù)存儲器采用RAM6264,其具有8KB的空間,可以滿足100次的供水記錄。
人機(jī)接口部分采用HD7279A芯片,該芯片是具有串行接口的智能顯示驅(qū)動芯片,控制和數(shù)據(jù)線只有4條,電路簡潔。其內(nèi)部具有硬件按鍵去抖處理功能,編程和顯示簡單。流量儀設(shè)計了四個按鍵,其中K1為主菜單選擇鍵,K2為向上查詢鍵,K3為向下查詢鍵,K4為確認(rèn)及返回鍵。
此外為滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性及異常處理,該水量計配備有MAX691看門狗芯片,該芯片既具有監(jiān)控功能防止微處理器死機(jī),同時又有掉電電源切換功能,保護(hù)了靜態(tài)存儲器內(nèi)的重要流量記錄.為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,電路還有RS-485總線接口,可以將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到計算機(jī)進(jìn)行分析和打印.
4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
本流量儀的程序開發(fā)環(huán)境為Keil-C51,采用C語言進(jìn)行編寫,具有開發(fā)周期短,調(diào)試程序簡單,可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。因?yàn)锳T89C52有豐富的位操作,所以程序采用狀態(tài)編碼設(shè)計方法,規(guī)定系統(tǒng)的狀態(tài)變量為Status,其中Status_4為檢測位,Status_5為開始記錄時間位,Status_6為結(jié)束記錄時間位,其余幾位作為標(biāo)志位在按鍵和顯示程序中使用。Status=0表示系統(tǒng)處于休止?fàn)顟B(tài),此時只檢測開始信號和顯示水位,系統(tǒng)初始化時Status默認(rèn)值為0。
系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示,從圖中可以看出系統(tǒng)循環(huán)查詢各個狀態(tài)位,根據(jù)各個狀態(tài)位的值轉(zhuǎn)到不同的處理子程序中去。
當(dāng)采集開關(guān)打開,程序立即記錄開始時間,同時根據(jù)中值濾波法計算出水位平均值,然后根據(jù)公式計算出瞬時流量并實(shí)時顯示出來。當(dāng)采集開關(guān)關(guān)閉,程序立即記錄關(guān)閉時間,更新用水總量。如果鍵盤有鍵按下,程序先判斷按鍵編碼,然后根據(jù)編碼的不同實(shí)現(xiàn)各自功能。
5 系統(tǒng)穩(wěn)定及抗干擾設(shè)計
為使流量計能夠正常穩(wěn)定的工作,在硬、軟件上采取了一系列抗干擾措施。硬件方面:在電路布局上采用了數(shù)模分開共地,增加去耦電容,加粗公共地線及靜電屏蔽等措施。為了防止程序進(jìn)入死循環(huán),配有Max691看門狗電路;軟件方面:為了防止系統(tǒng)備用電池電能耗盡,存儲器數(shù)據(jù)丟失,重要的數(shù)據(jù)如用水總流量及記錄次數(shù)存放在DS12C887中,每次開機(jī)時讀取其中的記錄次數(shù)值,如果發(fā)現(xiàn)靜態(tài)存儲器滿,則報警處理。另外在程序存儲器ROM中適當(dāng)部位加上空指令并且在其未用空間里加上指向程序開始處的指令,使程序在跑飛到此處時盡可能恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。
6 結(jié)束語
通過軟件和硬件的開發(fā),該流量采集器具有特點(diǎn):
(1)操作方便,顯示采用下拉式菜單操作,可進(jìn)行100次的供水記錄,月用水量,年用水量及總用水量查詢。
(2)體積適中,可直接安放在渠道里測量水量。
(3)水位采集精度0.5cm ,流量誤差<5%,同時具有實(shí)時顯示和遠(yuǎn)程通信的功能。
(4)生產(chǎn)簡單、操作方便且可靠性高,價格合理。
明渠流量計達(dá)到了所有的設(shè)計功能。通過在蘇北某市的應(yīng)用,其性能穩(wěn)定、可靠,用戶反映良好。該設(shè)備不但適用于農(nóng)田灌溉,還可應(yīng)用于引水工程、河道水位監(jiān)控以及液位檢測等領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
1 梁合慶.從C到嵌入式C編程語言—入門˙實(shí)用˙深入.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.
2 張培仁.MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2003.
3 郭銀景,呂文紅,等.電磁兼容原理及應(yīng)用教程.北京:清華大學(xué)出版社,2004.
4 何秉月,雷芹瑞,等.無喉道量水槽在灌區(qū)運(yùn)行中的設(shè)計與應(yīng)用.河北水利,1996(3).
5 The User Manual of DS12C887. Dallas Instruments, 2002.
6 黃有金,張純偉.Intel 8031單片機(jī)掉電保護(hù)電路設(shè)計實(shí)例.微計算機(jī)應(yīng)用,2004,25(5):
作者簡介
楊 飛,男,(1981年生),碩士研究生,研究方向?yàn)橹悄苄畔⑾到y(tǒng)。
江 冰,女,教授,碩士。
張金波,男,副教授,碩士