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狀、意義、及原理，針對水文測量工作需要論述了儀器設計的關(guān)鍵技術(shù)及硬件電路組成，對儀器的軟件設計、技術(shù)指標及應用情況都分別作了介紹。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C、流速測量

概述

在我國的江、河水文測驗工作中，流量測驗是最主要、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(guò)水流量測驗中其測量方法大都是采用機械轉子流速儀測量水的流速，再根據所測的過(guò)水斷面面積計算出流量來(lái)。而在流速的測量方法上大部分是采用幾十年來(lái)一直使用的傳統方法：轉子流速儀接上訊響器（或電鈴）人工計數、計時(shí)、再手工計算出流速。不僅時(shí)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(shí)的計數問(wèn)題，國內一些廠(chǎng)家先后研制出了多種電子計數器，經(jīng)不同的用戶(hù)試用后，都沒(méi)有得到推廣應用，其主要原因有兩個(gè)：一是不適應機械轉子流速儀的特性，不能正確去除接觸絲的抖動(dòng)現象，產(chǎn)生錯誤計數信號；二是對水體漏電阻的考慮不夠全面，從而影響計數信號的正確性。LSX-1流速測算儀就是針對目前流速測量的現狀，研制開(kāi)發(fā)出的抗干擾能力強，能適應不同類(lèi)型的轉子流速儀、穩定可靠且具有計時(shí)、計數、計算處理、顯示等功能于一體的流速測算儀器。
測量原理
根據轉子流速儀的特性，機械轉子流速儀的計算公式為：
v=K·N/T+C= K·na/T+C （米/秒）
式中：N=na,為在測量時(shí)間T內轉子流速儀的總轉數，n為信號數，a為每信號的轉數；K、C、a對每一個(gè)流速儀都為一固定常數。
根據流速儀的計算公式，設計儀器使其能正確測量出流速儀的轉數N（即信號數)和相應時(shí)間T，并計算出流速輸出即可。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(dòng)電路：轉子流速儀在測量水流速度時(shí)，每轉過(guò)一定的圈數后其內部的機械觸點(diǎn)（金屬接觸絲與金屬觸點(diǎn)）接通一次，在接通與斷開(kāi)時(shí)表現如圖2所示波形，即在將要接通和將要斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)現象，而這些抖動(dòng)現象是一切機械接觸傳感器所無(wú)法避免的。在測量時(shí)若是人工秒表計數，測量人員可以判斷真偽，但若是采用高靈敏的電子計數器，就將產(chǎn)生錯誤計數，因此設計電路時(shí)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(shí)間常數，常

數值大，濾波時(shí)間長(cháng)，但當流速較大時(shí)，信號脈沖本身 圖2流速信號抖動(dòng)現象
就較窄，易丟失信號。反之若時(shí)間常數小，在低流速時(shí)，達不到濾波的目的，又易多記信號，這就是目前的計數器所難以推廣應用的關(guān)鍵問(wèn)題。而本測算儀采用單片機作處理器，軟件設計智能化，完全可以進(jìn)行高、低流速的自動(dòng)識別，以確定選擇合適的參數進(jìn)行濾波，即采用硬件和軟件的結合濾波來(lái)消除抖動(dòng)現象，保證正確計數。

信號丟失問(wèn)題：水中某點(diǎn)的流速在一定時(shí)間內變化不會(huì )太大，若因流速儀機械觸點(diǎn)的接觸電阻發(fā)生突變使信號發(fā)生丟失現象時(shí)，如圖3所示在信號3與信號5之間丟失了信號4，單片機CPU可根據相鄰信 圖3流速信號波形圖
號的時(shí)間差判斷是否丟失信號，若發(fā)生信號丟失可進(jìn)
行自動(dòng)插補，以進(jìn)一步保證正確計數、準確測速。
硬件電路組成
根據流速測量原理及水文測驗規范的要求，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單片機控制系統：以美國ATMEL公司的AT89C51單片機為核心控制元件（CPU），該器件內部有8×4KB字節的EEPROM，使得流速測算儀整個(gè)工作軟件能被固化在CPU芯片內部。選用6MHz的時(shí)鐘振蕩頻率，保證內部的高精度計時(shí)，顯示驅動(dòng)芯片采用ICM7211，并用4位半LCD液晶大屏幕顯示器作為測量結果的輸出顯示器件；該部分電路還包括流速儀系數、常數及測速參數的輸入電路。在輸出電路中還設計有與PC機通訊的標準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置有信號電平轉換電路、信號整形電路、消除流速儀機械觸點(diǎn)抖動(dòng)現象的去抖動(dòng)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(wú)誤。
3低功耗設計：為了使儀器體積小、功耗低、便于攜帶，在電路設計時(shí)，所選擇器件全部采用CMOS低功耗器件，不但降低了整機功耗，而且提高了抗干擾能力，也增強了儀器的可靠性。
軟件設計
根據流速測量工作需要，流速測算儀的整個(gè)軟件主要包括：主程序、時(shí)鐘中斷（計時(shí)）子程序、流速信號中斷（計數）子程序、信號處理（去抖動(dòng)、抗干擾）子程序、計算子程序、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(yǔ)言編寫(xiě)。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(shí)間及相鄰信號之間斷開(kāi)的時(shí)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