[導讀] 提要 介紹明渠堰槽流量的測量方法,對流量計的硬件電路進行分析和設計,在設計過程中闡述了激光測距傳感器的基本工作原理、特點,給出了系統的硬件設計原理圖及程序設計方法。在采用DLS-A15型激光測距傳感器進行測距時,單片機利用RS232C串行通訊向激光測距傳感器發測距命令,傳感器接收此命令并對被測液面發射一束激光信號,液面反射回的激光信號被傳感器轉換為一序列號碼,然后再經RS232C串行通訊返回給AT89C52接收。單片機接收的正確數據即為激光測距傳感器到液面之間的距離。實踐表明,該裝置具有計量準確高、運行可
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、造價適中等優點而受到廣泛重視。激光調制波的強度大,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,隨著工業調節技術和自動控制技術的發展,流量計的應用范圍不斷擴大。當前國產流量計存在精度不高和重復性差、應用范圍有限等問題,為此我們研制出激光明渠流量計,它和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比,可應用在經明渠排放的工業污水流量檢測。這種非接觸式測量技術將具有更大的應用潛力。
2 測量原理
明渠流量計是應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)。工業和公用事業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
則一段時間內的累積流量為:
式中Q為流體單位時間的流量,經過積分后求得的為時間t1~t2時間段內的累積流量。
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)通過按鍵發測距命令(“g、n”)。傳感器接收此命令向被測液體發射一束光信號,經液面反射回的光信號在傳感器內部被轉換為一序列號碼,若成功返回代碼為31..06+xxxxxxxx,然后再經RS232C串行通訊將返回的數據給AT89C52接收。如是3則先讓出6個標志位“31..06”,再接收8位數據位,本系統中最大距離是米且精確到1/10mm,所以有效數是從第2位至第6位,通過程序將其分離出來后的4位數(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 系統的構成
激光流量計的組成如圖2所示。
3.1總體設計思想
本系統主程序由各芯片初始化和按鍵循環兩大部分組成(系統流程圖如圖3所示),按鍵部分是一個條件為真的循環語句。當程序運行按鍵部分時,系統將在此循環等待鍵按下,如果有鍵按下,則根據事先的定義(將五個按鍵定義成1~5的數值)判斷是哪個鍵按下,執行相應的工作狀態。
在系統剛開始工作時,焦點設在系統狀態燈處,此時按向下鍵可以調整系統的工作狀態(包括一次測距、多次測距、設置時間、設置傳感器到地面的距離、設置測量誤差范圍)。在系統以后的運行中,向下鍵可根據系統標志位的不同,進行不同的加1作用。OK鍵負責確定所選的工作狀態。當選擇好工作狀態后,在系統狀態顯示燈處將顯示當前工作狀態所對應的數值(一次測距數值為1,多次測距數值為2,設置時間數值為3,設置傳感器到地面之間的距離/誤差范圍數值為4),如果此后OK鍵被按下,則此時的工作狀態開始生效,并將當前工作狀態所對應的數值送入程序中設立的系統標志位中,系統根據系統標志位中的內容開始調用相應的工作狀態子程序。
系統鍵則是本系統中的一個復位鍵,按下系統鍵,工作狀態將返回系統初始時的狀態。
在本系統中增加了一項多次測距的工作狀態,當選定多次測距工作狀態時,系統將一直調用測距的子程序,只有當系統鍵再次按下時此工作狀態才能截止,其它鍵按下無效。
向左和向右鍵在系統剛開始工作時被按下無效,不影響系統的工作狀態,程序將返回上一級繼續等待鍵按下。在設置時間和設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向左和向右調整需要修改的位(即選定焦點位),此時向下鍵則負責在當前焦點位上進行數值加1,當修改好數值后按下OK鍵,系統將選定當前修改后的數值加以顯示并等待下一個按鍵的按下。
3.2通訊電路設計過程
通訊電路主要完成電平的轉換與信息的傳遞。本系統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。DLS-A激光傳感器的接口為D型接口,在本系統中選用RS232作為與單片機相連的接口,連接圖如圖4所示。
AT89C52單片機的片內串行口是一個全雙工的異步串行通信接口,可以同時發送和接收數據,串行口的接收和發送都是通過對特殊功能寄存器SBUF的訪問實現的。CPU對SBUF執行寫操作即可發送數據,也可接收數據。本設計通過單片機向傳感器發送測距命令“g/n”來完成發送數據,即單片機通過判斷測距命令字符數組“g/n”中的字符是否等于‘/n’來確定發送是否結束,如兩個字符相等則發送測距命令完成,并將送到數據緩沖器SBUF中通過串行口的TXD給激光測距傳感器的RXD接收。而接收方案本設計通過判斷串行通信控制器SCON的接收中斷結束標志RI來實現對返回數據的接收。即本系統通過判斷接收是否超時,如超時則重新發測距命令;不超時則接收數據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位數據位,但是本系統中最大距離是米且精確到1/10mm,所以有效數是從第2位至第6位,通過程序將其分離出來后的4位數(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心的問題,所測液位的最小分辨率為0.1mm。
4 結束語
利用激光傳感器測距在當前各領域中以被廣泛應用。本課題利用激光測距傳感器DLS-A作為激光的發射源,該傳感器的最大優點在于其內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值傳送給單片機。然后,單片機通過MAX7129芯片驅動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的多種工作狀態,整個系統設計簡單,操作方便,測距準確。