摘 要:针对灌区用水计量模糊问题,开发了一种新型明渠流量仪。该设备先对水位进行编码,后送至微处理器,利用无喉道量水槽获得流量算法,进行流量计算并实时显示输出,同时对用水记录进行存储,方便查询。通过RS_485总线可以将数据远传到计算机进行分析和打印。该产品已应用在节水灌溉系统中,效果良好。
1 引言
随着我国现代化农业的发展,农田灌溉的自动化水平越来越高,相应的对水流量的测量和记录也提出了较高要求。一直以来,我国农田灌溉用水量计算相当模糊,一般采用按田块面积平摊法,难以满足现代水管理的要求,不利于水资源的合理利用。因此开发新型量水设备,有利于高效利用水资源,避免水资源浪费。该计量设备不但应有较好的水量测量精度、易于安装和维护,又要求具有生产简单、操作方便、价格便宜的特点,以便在大范围内推广应用,从而解决广大农村灌区水量计费问题。
目前,市场上此类明渠水量计量装置的定型产品不多。为此笔者开发了一种明渠流量仪,它通过一个简易实用的传感器对水位进行编码,将采集到的水位数字量送往微处理器AT89C52,再由AT89C52通过渠道流量计算公式转换成当前的流量,并进行流量累加、流量和水位显示、记录存储、远程通信等一系列操作。
2 流量算法的原理
利用水工建筑物测流量,对于一定的形状和尺寸都有着固定不变的流量关系,这种方法是一种普遍适用的标准化方法。对于不同的环境、测流条件和用户要求,需要采用不同的建筑物型式,以达到既经济合理又能保证精度的目标。在这里采用了无喉道量水槽,它是没有喉道,只有进口收缩段和出口收缩段的测流槽,整个槽底呈水平状态,如图1所示。
这种测流槽无论在自由流还是淹没流状态都有令人满意的测流精度,且这种测流装置结构简单,造价低廉。当为自由流状态时,无喉道槽的流量具有如下的规律:
3 系统硬件实现
流量采集器上电工作时,立刻显示当前的水位值,并实时反映水位的变化。当打开流量计量开关时,给微处理器AT89C52一触发信号(START),单片机检测到此信号后便记录开始时间,通过传感器送来的水位信息,按照公式(1)换算成瞬时水流量,并同时进行累加。当开关关闭,START信号为零时结束采集,记录关闭时间及此次用水量,并对用水总流量进行更新。
根据要求的功能,系统的硬件电路主要包括水位传感器单元、数字量编码单元、单片机控制与处理单元、微机监控及备用电池切换电路、键盘数码显示单元、时钟单元和RS_485 远程通信接口。系统硬件框图如图2所示。
水位传感器用优先编码器74LS148和数据选择器74LS151对水位信息进行编码,将数字量送往微处理器AT89C52。时钟芯片采用Dallas公司的DS12C887芯片,该芯片自带可充电锂电池,拥有144字节的RAM存储器,具有掉电保护功能,还可自行判断闰年,并有多种周期的时钟中断,其正常工作时可保证数据十年内不会丢失。因此将用水总量等重要数据保存在其内部RAM中,其地址设为高端地址0x8000。数据存储器采用RAM6264,其具有8KB的空间,可以满足100次的供水记录。
人机接口部分采用HD7279A芯片,该芯片是具有串行接口的智能显示驱动芯片,控制和数据线只有4条,电路简洁。其内部具有硬件按键去抖处理功能,编程和显示简单。流量仪设计了四个按键,其中K1为主菜单选择键,K2为向上查询键,K3为向下查询键,K4为确认及返回键。
此外为满足系统的稳定性及异常处理,该水量计配备有MAX691看门狗芯片,该芯片既具有监控功能防止微处理器死机,同时又有掉电电源切换功能,保护了静态存储器内的重要流量记录.为了实现远程数据采集,电路还有RS-485总线接口,可以将数据远传到计算机进行分析和打印.
4 系统软件实现
本流量仪的程序开发环境为Keil-C51,采用C语言进行编写,具有开发周期短,调试程序简单,可移植性强的特点。因为AT89C52有丰富的位操作,所以程序采用状态编码设计方法,规定系统的状态变量为Status,其中Status_4为检测位,Status_5为开始记录时间位,Status_6为结束记录时间位,其余几位作为标志位在按键和显示程序中使用。Status=0表示系统处于休止状态,此时只检测开始信号和显示水位,系统初始化时Status默认值为0。
系统的程序流程图如图3所示,从图中可以看出系统循环查询各个状态位,根据各个状态位的值转到不同的处理子程序中去。
当采集开关打开,程序立即记录开始时间,同时根据中值滤波法计算出水位平均值,然后根据公式计算出瞬时流量并实时显示出来。当采集开关关闭,程序立即记录关闭时间,更新用水总量。如果键盘有键按下,程序先判断按键编码,然后根据编码的不同实现各自功能。
5 系统稳定及抗干扰设计
为使流量计能够正常稳定的工作,在硬、软件上采取了一系列抗干扰措施。硬件方面:在电路布局上采用了数模分开共地,增加去耦电容,加粗公共地线及静电屏蔽等措施。为了防止程序进入死循环,配有Max691看门狗电路;软件方面:为了防止系统备用电池电能耗尽,存储器数据丢失,重要的数据如用水总流量及记录次数存放在DS12C887中,每次开机时读取其中的记录次数值,如果发现静态存储器满,则报警处理。另外在程序存储器ROM中适当部位加上空指令并且在其未用空间里加上指向程序开始处的指令,使程序在跑飞到此处时尽可能恢复到正常运行状态。
6 结束语
通过软件和硬件的开发,该流量采集器具有特点:
(1)操作方便,显示采用下拉式菜单操作,可进行100次的供水记录,月用水量,年用水量及总用水量查询。
(2)体积适中,可直接安放在渠道里测量水量。
(3)水位采集精度0.5cm ,流量误差<5%,同时具有实时显示和远程通信的功能。
(4)生产简单、操作方便且可靠性高,价格合理。
明渠流量计达到了所有的设计功能。通过在苏北某市的应用,其性能稳定、可靠,用户反映良好。该设备不但适用于农田灌溉,还可应用于引水工程、河道水位监控以及液位检测等领域。
参考文献
1 梁合庆.从C到嵌入式C编程语言—入门˙实用˙深入.北京:北京航空航天大学出版社,2000.
2 张培仁.MCS-51单片机原理与应用.北京:清华大学出版社,2003.
3 郭银景,吕文红,等.电磁兼容原理及应用教程.北京:清华大学出版社,2004.
4 何秉月,雷芹瑞,等.无喉道量水槽在灌区运行中的设计与应用.河北水利,1996(3).
5 The User Manual of DS12C887. Dallas Instruments, 2002.
6 黄有金,张纯伟.Intel 8031单片机掉电保护电路设计实例.微计算机应用,2004,25(5):
作者简介
杨 飞,男,(1981年生),硕士研究生,研究方向为智能信息系统。
江 冰,女,教授,硕士。
张金波,男,副教授,硕士