1　引言

 

　　近年来,激光雷达因具有测量速度快、测程远、测距精度高、方向性好、造价适中等优点而受到广泛重视。激光调制波的强度大,有利于远处目标的距离测量,保证了很好的测距方向。利用激光测距原理简单,即通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离[5],使它成为距离检测的主要手段。近年来,随着工业调节技术和自动控制技术的发展,流量计的应用范围不断扩大。当前国产流量计存在精度不高和重复性差、应用范围有限等问题,为此我们研制出激光明渠流量计,它和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比,可应用在经明渠排放的工业污水流量检测。这种非接触式测量技术将具有更大的应用潜力。

 

　　2　测量原理

 

　　明渠流量计是应用激光来测量明渠流量的。明渠流是指流体在地心引力的作用下沿明渠形成的重力流动。其特点是明渠具有自由表面,自由表面上各点压强均为大气压强,相对压强为零。因此明渠流又称为无压流或重力流。测量明渠的流量必需使用专用渠道量(如槽、堰等)。工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法[2,3,4]。

 

　　堰(weir)法:在明渠适当位置装一挡板,水流被阻断,水位升到档板上端堰口,便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量,水位继续上升,流出流量随之增加,直到流出量等于渠道原流量,水位便稳定在某一高度,测出水位高度便可求取流量。

 

　　明渠流量计中使用最多是堰式流量计和槽式流量计,通过测出堰槽内堰顶水头高度h,采用流量计算公式(1)、(2)可得到流量。

 

　

 

 

 

　　式中Q为流体单位时间的流量,经过积分后求得的为时间t1~t2时间段内的累积流量。

 

　

 

　　激光传感器安装在堰槽上方[6-7-8],如图1所示。AT89C52单片机利用RS232C串行通讯向激光测距传感器(DLS-A15)通过按键发测距命令(“g、n”)。传感器接收此命令向被测液体发射一束光信号,经液面反射回的光信号在传感器内部被转换为一序列号码,若成功返回代码为31..06+xxxxxxxx,然后再经RS232C串行通讯将返回的数据给AT89C52接收。如是3则先让出6个标志位“31..06”,再接收8位数据位,本系统中最大距离是米且精确到1/10mm,所以有效数是从第2位至第6位,通过程序将其分离出来后的4位数(米、分米、厘米、毫米)即为测得的距离值,即传感器到液面的高度H,由公式4即可求得h。

 

　

 

 

 

　　h堰顶水头,hα为堰高,H为探头到液面的距离,H2为探头到堰底的距离。

 

　　3　系统的构成

 

　　激光流量计的组成如图2所示。

 

　　

 

　　3.1总体设计思想

 

　　本系统主程序由各芯片初始化和按键循环两大部分组成(系统流程图如图3所示),按键部分是一个条件为真的循环语句。当程序运行按键部分时,系统将在此循环等待键按下,如果有键按下,则根据事先的定义(将五个按键定义成1~5的数值)判断是哪个键按下,执行相应的工作状态。

 

 

 

 

 

　　在系统刚开始工作时,焦点设在系统状态灯处,此时按向下键可以调整系统的工作状态(包括一次测距、多次测距、设置时间、设置传感器到地面的距离、设置测量误差范围)。在系统以后的运行中,向下键可根据系统标志位的不同,进行不同的加1作用。OK键负责确定所选的工作状态。当选择好工

 

 

 

作状态后,在系统状态显示灯处将显示当前工作状态所对应的数值(一次测距数值为1,多次测距数值为2,设置时间数值为3,设置传感器到地面之间的距离/误差范围数值为4),如果此后OK键被按下,则此时的工作状态开始生效,并将当前工作状态所对应的数值送入程序中设立的系统标志位中,系统根据系统标志位中的内容开始调用相应的工作状态子程序。

 

　　系统键则是本系统中的一个复位键,按下系统键,工作状态将返回系统初始时的状态。

 

　　在本系统中增加了一项多次测距的工作状态,当选定多次测距工作状态时,系统将一直调用测距的子程序,只有当系统键再次按下时此工作状态才能截止,其它键按下无效。

 

　　向左和向右键在系统刚开始工作时被按下无效,不影响系统的工作状态,程序将返回上一级继续等待键按下。在设置时间和设置传感器到地面之间的距离/误差范围时,向左键、向右键开始生效,向左键和向右键负责向左和向右调整需要修改的位(即选定焦点位),此时向下键则负责在当前焦点位上进行数值加1,当修改好数值后按下OK键,系统将选定当前修改后的数值加以显示并等待下一个按键的按下。

 

　　3.2通讯电路设计过程

 

　　通讯电路主要完成电平的转换与信息的传递。本系统的通讯电路为单片机与激光测距传感器之间的通信,主要是依靠单片机的串行通信功能得以实现。DLS-A激光传感器的接口为D型接口,在本系统中选用RS232作为与单片机相连的接口,连接图如图4所示。

 

 

 

 

 

　　AT89C52单片机的片内串行口是一个全双工的异步串行通信接口,可以同时发送和接收数据,串行口的接收和发送都是通过对特殊功能寄存器SBUF的访问实现的。CPU对SBUF执行写操作即可发送数据,也可接收数据。本设计通过单片机向传感器发送测距命令“g/n”来完成发送数据,即单片机通过判断测距命令字符数组“g/n”中的字符是否等于‘/n’来确定发送是否结束,如两个字符相等则发送测距命令完成,并将送到数据缓冲器SBUF中通过串行口的TXD给激光测距传感器的RXD接收。而接收方案本设计通过判断串行通信控制器SCON的接收中断结束标志RI来实现对返回数据的接收。即本系统通过判断接收是否超时,如超时则重新发测距命令;不超时则接收数据并判断第一个接收的是否是3,如是3则先让出6个标志位“31..06”,再接收8位数据位,但是本系统中最大距离是米且精确到1/10mm,所以有效数是从第2位至第6位,通过程序将其分离出来后的4位数(米、分米、厘米、毫米、1/毫米)即为测得的距离值。精度问题是我们研制流量计时一直关心的问题,所测液位的最小分辨率为0.1mm。

 

　　4　结束语

 

　　利用激光传感器测距在当前各领域中以被广泛应用。本课题利用激光测距传感器DLS-A作为激光的发射源,该传感器的最大优点在于其内部具有强大的运算能力,通过RS232口可直接将测得实际距离的数值传送给单片机。然后,单片机通过MAX7129芯片驱动LED显示器将测出的流量实时的显示出来。此外,在整个系统中增加了一个按键控制部分,操作人员可通过按键控制系统的多种工作状态,整个系统设计简单,操作方便,测距准确。