1　引言

　　近年來,激光雷達因具有測量速度快、測程遠、測距精度高、方向性好、造價適中等優(yōu)點而受到廣泛重視。激光調(diào)制波的強度大,有利于遠處目標的距離測量,保證了很好的測距方向。利用激光測距原理簡單,即通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離[5],使它成為距離檢測的主要手段。近年來,隨著工業(yè)調(diào)節(jié)技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展,流量計的應(yīng)用范圍不斷擴大。當前國產(chǎn)流量計存在精度不高和重復(fù)性差、應(yīng)用范圍有限等問題,為此我們研制出激光明渠流量計,它和傳統(tǒng)的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比,可應(yīng)用在經(jīng)明渠排放的工業(yè)污水流量檢測。這種非接觸式測量技術(shù)將具有更大的應(yīng)用潛力。

 

　　2　測量原理

 

　　明渠流量計是應(yīng)用激光來測量明渠流量的。明渠流是指流體在地心引力的作用下沿明渠形成的重力流動。其特點是明渠具有自由表面,自由表面上各點壓強均為大氣壓強,相對壓強為零。因此明渠流又稱為無壓流或重力流。測量明渠的流量必需使用專用渠道量(如槽、堰等)。工業(yè)和公用事業(yè)常用的明渠流量儀表按測量原理大體可分為堰法、測流槽法、流速-水位計算法和電磁流量計法[2,3,4] 。

 

　　堰(weir)法:在明渠適當位置裝一擋板,水流被阻斷,水位升到檔板上端堰口,便從堰口流出。水流剛流出的流量小于渠道中原來的流量,水位繼續(xù)上升,流出流量隨之增加,直到流出量等于渠道原流量,水位便穩(wěn)定在某一高度,測出水位高度便可求取流量。

 

　　明渠流量計中使用最多是堰式流量計和槽式流量計,通過測出堰槽內(nèi)堰頂水頭高度h,采用流量計算公式(1)、(2)可得到流量。

 

　　湯姆森公式;

 

           

 

　　適用范圍為h=0.05~0.18m,范圍較窄。

 

　　斯特里克蘭公式

 

          

 

　　適用范圍為

 

　　則一段時間內(nèi)的累積流量為:

 

         

 

　　式中Q為流體單位時間的流量,經(jīng)過積分后求得的為時間t1~t2時間段內(nèi)的累積流量。

 

          

 

　　激光傳感器安裝在堰槽上方[6-7-8] ,如圖1所示。AT89C52單片機利用RS232C串行通訊向激光測距傳感器(DLS-A15)通過按鍵發(fā)測距命令(“g、n”)。傳感器接收此命令向被測液體發(fā)射一束光信號,經(jīng)液面反射回的光信號在傳感器內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為一序列號碼,若成功返回代碼為31..06+xxxxxxxx,然后再經(jīng)RS232C串行通訊將返回的數(shù)據(jù)給AT89C52接收。如是3則先讓出6個標志位“31..06”,再接收8位數(shù)據(jù)位,本系統(tǒng)中最大距離是米且精確到1/10mm,所以有效數(shù)是從第2位至第6位,通過程序?qū)⑵浞蛛x出來后的4位數(shù)(米、分米、厘米、毫米)即為測得的距離值,即傳感器到液面的高度H,由公式4即可求得h。

 

          h=H2-H-hα(4)

 

 

　　h堰頂水頭,hα為堰高,H為探頭到液面的距離,H2為探頭到堰底的距離。

 

　　3　系統(tǒng)的構(gòu)成

 

　　激光流量計的組成如圖2所示。

 

           

 

　　3.1總體設(shè)計思想

 

　　本系統(tǒng)主程序由各芯片初始化和按鍵循環(huán)兩大部分組成(系統(tǒng)流程圖如圖3所示),按鍵部分是一個條件為真的循環(huán)語句。當程序運行按鍵部分時,系統(tǒng)將在此循環(huán)等待鍵按下,如果有鍵按下,則根據(jù)事先的定義(將五個按鍵定義成1~5的數(shù)值)判斷是哪個鍵按下,執(zhí)行相應(yīng)的工作狀態(tài)。

 

　　在系統(tǒng)剛開始工作時,焦點設(shè)在系統(tǒng)狀態(tài)燈處,此時按向下鍵可以調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)(包括一次測距、多次測距、設(shè)置時間、設(shè)置傳感器到地面的距離、設(shè)置測量誤差范圍)。在系統(tǒng)以后的運行中,向下鍵可根據(jù)系統(tǒng)標志位的不同,進行不同的加1作用。OK鍵負責(zé)確定所選的工作狀態(tài)。當選擇好工作狀態(tài)后,在系統(tǒng)狀態(tài)顯示燈處將顯示當前工作狀態(tài)所對應(yīng)的數(shù)值(一次測距數(shù)值為1,多次測距數(shù)值為2,設(shè)置時間數(shù)值為3,設(shè)置傳感器到地面之間的距離/誤差范圍數(shù)值為4),如果此后OK鍵被按下,則此時的工作狀態(tài)開始生效,并將當前工作狀態(tài)所對應(yīng)的數(shù)值送入程序中設(shè)立的系統(tǒng)標志位中,系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)標志位中的內(nèi)容開始調(diào)用相應(yīng)的工作狀態(tài)子程序。

 

　　系統(tǒng)鍵則是本系統(tǒng)中的一個復(fù)位鍵,按下系統(tǒng)鍵,工作狀態(tài)將返回系統(tǒng)初始時的狀態(tài)。

 

　　在本系統(tǒng)中增加了一項多次測距的工作狀態(tài),當選定多次測距工作狀態(tài)時,系統(tǒng)將一直調(diào)用測距的子程序,只有當系統(tǒng)鍵再次按下時此工作狀態(tài)才能截止,其它鍵按下無效。

 

　　向左和向右鍵在系統(tǒng)剛開始工作時被按下無效,不影響系統(tǒng)的工作狀態(tài),程序?qū)⒎祷厣弦患壚^續(xù)等待鍵按下。在設(shè)置時間和設(shè)置傳感器到地面之間的距離/誤差范圍時,向左鍵、向右鍵開始生效,向左鍵和向右鍵負責(zé)向左和向右調(diào)整需要修改的位(即選定焦點位),此時向下鍵則負責(zé)在當前焦點位上進行數(shù)值加1,當修改好數(shù)值后按下OK鍵,系統(tǒng)將選定當前修改后的數(shù)值加以顯示并等待下一個按鍵的按下。

 

          

 

        

 

　　3.2通訊電路設(shè)計過程

 

        

 

    

 

　　通訊電路主要完成電平的轉(zhuǎn)換與信息的傳遞。本系統(tǒng)的通訊電路為單片機與激光測距傳感器之間的通信,主要是依靠單片機的串行通信功能得以實現(xiàn)。DLS-A激光傳感器的接口為D型接口,在本系統(tǒng)中選用RS232作為與單片機相連的接口,連接圖如圖4所示。

 

         

 

　　AT89C52單片機的片內(nèi)串行口是一個全雙工的異步串行通信接口,可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù),串行口的接收和發(fā)送都是通過對特殊功能寄存器SBUF的訪問實現(xiàn)的。CPU對SBUF執(zhí)行寫操作即可發(fā)送數(shù)據(jù),也可接收數(shù)據(jù)。本設(shè)計通過單片機向傳感器發(fā)送測距命令“g/n”來完成發(fā)送數(shù)據(jù),即單片機通過判斷測距命令字符數(shù)組“g/n”中的字符是否等于‘/n’來確定發(fā)送是否結(jié)束,如兩個字符相等則發(fā)送測距命令完成,并將送到數(shù)據(jù)緩沖器SBUF中通過串行口的TXD給激光測距傳感器的RXD接收。而接收方案本設(shè)計通過判斷串行通信控制器SCON的接收中斷結(jié)束標志RI來實現(xiàn)對返回數(shù)據(jù)的接收。即本系統(tǒng)通過判斷接收是否超時,如超時則重新發(fā)測距命令;不超時則接收數(shù)據(jù)并判斷第一個接收的是否是3,如是3則先讓出6個標志位“31..06”,再接收8位數(shù)據(jù)位,但是本系統(tǒng)中最大距離是米且精確到1/10mm,所以有效數(shù)是從第2位至第6位,通過程序?qū)⑵浞蛛x出來后的4位數(shù)(米、分米、厘米、毫米、1/毫米)即為測得的距離值。精度問題是我們研制流量計時一直關(guān)心的問題,所測液位的最小分辨率為0.1mm。

 

　　4　結(jié)束語

 

　　利用激光傳感器測距在當前各領(lǐng)域中以被廣泛應(yīng)用。本課題利用激光測距傳感器DLS-A作為激光的發(fā)射源,該傳感器的最大優(yōu)點在于其內(nèi)部具有強大的運算能力,通過RS232口可直接將測得實際距離的數(shù)值傳送給單片機。然后,單片機通過MAX7129芯片驅(qū)動LED顯示器將測出的流量實時的顯示出來。此外,在整個系統(tǒng)中增加了一個按鍵控制部分,操作人員可通過按鍵控制系統(tǒng)的多種工作狀態(tài),整個系統(tǒng)設(shè)計簡單,操作方便,測距準確。