摘 要:針對灌區用水計量模糊問題,開發了一種新型明渠流量儀。該設備先對水位進行編碼,后送至微處理器,利用無喉道量水槽獲得流量算法,進行流量計算并實時顯示輸出,同時對用水記錄進行存儲,方便查詢。通過RS_485總線可以將數據遠傳到計算機進行分析和打印。該產品已應用在節水灌溉系統中,效果良好。
1 引言
隨著我國現代化農業的發展,農田灌溉的自動化水平越來越高,相應的對水流量的測量和記錄也提出了較高要求。一直以來,我國農田灌溉用水量計算相當模糊,一般采用按田塊面積平攤法,難以滿足現代水管理的要求,不利于水資源的合理利用。因此開發新型量水設備,有利于高效利用水資源,避免水資源浪費。該計量設備不但應有較好的水量測量精度、易于安裝和維護,又要求具有生產簡單、操作方便、價格便宜的特點,以便在大范圍內推廣應用,從而解決廣大農村灌區水量計費問題。
目前,市場上此類明渠水量計量裝置的定型產品不多。為此筆者開發了一種明渠流量儀,它通過一個簡易實用的傳感器對水位進行編碼,將采集到的水位數字量送往微處理器AT89C52,再由AT89C52通過渠道流量計算公式轉換成當前的流量,并進行流量累加、流量和水位顯示、記錄存儲、遠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系,這種方法是一種普遍適用的標準化方法。對于不同的環境、測流條件和用戶要求,需要采用不同的建筑物型式,以達到既經濟合理又能保證精度的目標。在這里采用了無喉道量水槽,它是沒有喉道,只有進口收縮段和出口收縮段的測流槽,整個槽底呈水平狀態,如圖1所示。
這種測流槽無論在自由流還是淹沒流狀態都有令人滿意的測流精度,且這種測流裝置結構簡單,造價低廉。當為自由流狀態時,無喉道槽的流量具有如下的規律:
3 系統硬件實現
流量采集器上電工作時,立刻顯示當前的水位值,并實時反映水位的變化。當打開流量計量開關時,給微處理器AT89C52一觸發信號(START),單片機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,并同時進行累加。當開關關閉,START信號為零時結束采集,記錄關閉時間及此次用水量,并對用水總流量進行更新。
根據要求的功能,系統的硬件電路主要包括水位傳感器單元、數字量編碼單元、單片機控制與處理單元、微機監控及備用電池切換電路、鍵盤數碼顯示單元、時鐘單元和RS_485 遠程通信接口。系統硬件框圖如圖2所示。
水位傳感器用優先編碼器74LS148和數據選擇器74LS151對水位信息進行編碼,將數字量送往微處理器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字節的RAM存儲器,具有掉電保護功能,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據十年內不會丟失。因此將用水總量等重要數據保存在其內部RAM中,其地址設為高端地址0x8000。數據存儲器采用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動芯片,控制和數據線只有4條,電路簡潔。其內部具有硬件按鍵去抖處理功能,編程和顯示簡單。流量儀設計了四個按鍵,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為確認及返回鍵。
此外為滿足系統的穩定性及異常處理,該水量計配備有MAX691看門狗芯片,該芯片既具有監控功能防止微處理器死機,同時又有掉電電源切換功能,保護了靜態存儲器內的重要流量記錄.為了實現遠程數據采集,電路還有RS-485總線接口,可以將數據遠傳到計算機進行分析和打印.
4 系統軟件實現
本流量儀的程序開發環境為Keil-C51,采用C語言進行編寫,具有開發周期短,調試程序簡單,可移植性強的特點。因為AT89C52有豐富的位操作,所以程序采用狀態編碼設計方法,規定系統的狀態變量為Status,其中Status_4為檢測位,Status_5為開始記錄時間位,Status_6為結束記錄時間位,其余幾位作為標志位在按鍵和顯示程序中使用。Status=0表示系統處于休止狀態,此時只檢測開始信號和顯示水位,系統初始化時Status默認值為0。
系統的程序流程圖如圖3所示,從圖中可以看出系統循環查詢各個狀態位,根據各個狀態位的值轉到不同的處理子程序中去。
當采集開關打開,程序立即記錄開始時間,同時根據中值濾波法計算出水位平均值,然后根據公式計算出瞬時流量并實時顯示出來。當采集開關關閉,程序立即記錄關閉時間,更新用水總量。如果鍵盤有鍵按下,程序先判斷按鍵編碼,然后根據編碼的不同實現各自功能。
5 系統穩定及抗干擾設計
為使流量計能夠正常穩定的工作,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。為了防止程序進入死循環,配有Max691看門狗電路;軟件方面:為了防止系統備用電池電能耗盡,存儲器數據丟失,重要的數據如用水總流量及記錄次數存放在DS12C887中,每次開機時讀取其中的記錄次數值,如果發現靜態存儲器滿,則報警處理。另外在程序存儲器ROM中適當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到正常運行狀態。
6 結束語
通過軟件和硬件的開發,該流量采集器具有特點:
(1)操作方便,顯示采用下拉式菜單操作,可進行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%,同時具有實時顯示和遠程通信的功能。
(4)生產簡單、操作方便且可靠性高,價格合理。
明渠流量計達到了所有的設計功能。通過在蘇北某市的應用,其性能穩定、可靠,用戶反映良好。該設備不但適用于農田灌溉,還可應用于引水工程、河道水位監控以及液位檢測等領域。
參考文獻
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作者簡介
楊 飛,男,(1981年生),碩士研究生,研究方向為智能信息系統。
江 冰,女,教授,碩士。
張金波,男,副教授,碩士