便攜式多功能量水儀的研制

1、便攜式多功能量水儀的研制武漢水利電力大學水利學院（430072） 羅本成 宋光愛    摘 要 介紹一種基于AT89C51單片機開發(fā)的便攜式多功能量水儀，該儀器能測量明渠的水位、流量，可滿足多種輸入量的要求，通用性較強。著重介紹了系統(tǒng)的軟、硬件設計。    關鍵詞    便攜多功能    AT89C51單片機      量水儀     目前普遍使用的量水儀（或水位儀），要么功能單一（或功能較少），在實際應用

2、時還需要額外的輔助設備；要么功能較全，但體積較大，不方便攜帶，功耗也較大，供電設備還要額外配置?；趩纹瑱C開發(fā)的各種量水儀，以其成本低、方便實用、精確而被廣泛應用在水利工程中。為此，筆者結合實際的需要，開發(fā)研制了一種基于AT89C51單片機的便攜式多功能量水儀。該儀器功能集中，不僅能實現(xiàn)信號的自動調(diào)理，而且還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、報表打印、密碼及K/N參數(shù)的設置以及掉電保護等多種功能。更為突出的是，該儀器能與多種液位傳感器直接接口，攜帶方便，供電簡單，功耗比較低。1 系統(tǒng)的硬件設計    系統(tǒng)的硬件主要由AT89C51單片機、增益調(diào)節(jié)電路、LM331V/F轉換器、81

3、C55 I/O口擴展器、兩片ICM7211四位液晶顯示器、CD4051八選一模擬開關、CD4052雙四選一模擬開關、4´ 4薄膜觸鍵及六位液晶顯示器LCD等組成，其框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)的硬件電路框圖1.1 信號增益調(diào)節(jié)電路    增益信號是由程序控制的，它根據(jù)待測量信號幅值的大小來改變放大器增益，以使不同幅值范圍的輸入信號都能放大到A/D精確轉換所需的幅值范圍。本儀器設計的輸入量程為0 5V，分辨率是1.0mV。為了保證測量精度的一致性，設計了以一片CD4051八選一模擬開關、若干高精密電阻和一個低功耗運算放大器OP07等組成程控增益放大電路。鑒于

4、實際場合中常用的液位傳感器輸出滿量程電壓一般為60mV、200mV、2V、5V等幾種，故設計了0 5V的量程，具體電路組成如圖2所示。其中N1、N2組成同相關聯(lián)差動放大器，N3為電壓跟隨器，主要用來抑制共模信號，N4是輸出差動放大器，整個電路的增益可通過改變權電阻網(wǎng)絡R0 R7來調(diào)節(jié)。圖2 信號增益調(diào)節(jié)電路圖1.2 信號A/D轉換電路     為了適應便攜式儀表電池供電、功耗低等特點，采用了功耗低、高精度、供電簡單的V/F轉換芯片LM331組成電壓-頻率（10V-100kHz）的A/D轉換電路，其輸出頻率與輸入電壓的關系為（1）  &

5、#160; 通過AT89C51的T0計數(shù)器（其中T1作定時器用）計算出fOUT，從而得到輸入Vin，進而算出水位值Hi（Hi Vin），具體如圖3所示。    在該電路中，電阻R16為80kW ± 10%，它主要是使LM331的輸入端7腳產(chǎn)生偏流，以抵消6腳偏流的影響，從而減少頻率偏差。R39和可調(diào)電位器RW3的作用圖3 信號A/D（V/F）轉換電路是調(diào)整LM331的增益偏差和由R23、R25及C6引起的偏差。當6腳、7腳的RC時間常數(shù)匹配時，輸入電壓的階躍變化將會引起輸出頻率的階躍變化，如果C8比C9小得多，那么輸入電壓的階躍變化可能會使輸出頻率瞬間停

6、止。6腳的47W 電阻R23和1.0m F電容器C9并聯(lián)用以產(chǎn)生滯后效應，使V/F轉換獲得良好的線性度。1.3 低功耗設計該儀器全部芯片均選用CMOS低功耗芯片，其余外圍電路采用了低功耗設計，并設計了4×4觸摸薄膜鍵盤及六位LCD液晶顯示器作為人機接口。在軟件設計上，整個系統(tǒng)采用了等待和掉電工作的節(jié)電運行機制，功耗較低。2 系統(tǒng)的軟件設計    軟件是系統(tǒng)的指揮中心，由它來配合控制完成各種預定功能。為了充分發(fā)揮AT89C51優(yōu)越的性能價格比，在設計上盡量做到硬件“軟化”，使系統(tǒng)硬件設計得到簡化。系統(tǒng)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，采用了模塊化結構設計。

7、為增強系統(tǒng)的實時性，對那些偶發(fā)事件采用中斷方式處理。2.1 系統(tǒng)的軟件算法    在明渠量水建筑物中，較為典型的是巴歇爾水槽。在自由流情況下，巴歇爾水槽的水位H和流量Q關系是簡單的二值函數(shù)。利用回歸分析技術，可以求出HQ 流量經(jīng)驗公式。為了便于分析和應用，我們在水工實驗中主要是針對自由流情況的，從而得到大量的HQ 曲線數(shù)據(jù)組。    巴歇爾水槽在自由流時的流量公式為       Q = K·H N      

8、0;        （2）式中，Q為流量（m3/s），K、N為流量系數(shù)，H為上游水頭高（m）。由于流量經(jīng)驗公式是指數(shù)型函數(shù)，故先對巴歇爾槽流量公式兩邊取對數(shù)，得        lnQ = lnK + N·lnH      （3）    設y=lnQ；a=lnK；b=N；x=lnH    式（3）可寫成     

9、;   y = a + b·x               （4）    然后，利用實測的大量獨立（H，Q）數(shù)據(jù)，求出回歸系數(shù)a、b的最小二乘估計量（亦即為a、b的無偏估計量），從而得到回歸函數(shù)的估計（5）    由y = a + b·x + ， N（0，2），可知y隨x變化趨勢的大小主要受參數(shù)b的影響，故建立如下假設檢驗：   

10、0;   H0 : b = 0 ； H1 : b0        （6）用以檢驗線性回歸效果的顯著性水平。符合實際要求后，則得到流量系數(shù)K、N的估計值。有了流量經(jīng)驗公式，系統(tǒng)就可根據(jù)所測的水位 H值來計算出流量值Q。2.2 系統(tǒng)的主程序設計     主程序主要用于系統(tǒng)的控制和管理。系統(tǒng)加電后，AT89C51自動上電復位，開始運行主程序，主程序框圖見圖4所示。系統(tǒng)首先顯示“0-××××”，表示系統(tǒng)在進行自檢和自校零工作。此時要求操作員不斷

11、地調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，直到校零達到精度要求時為止，然后按回車鍵表示校零完成（理想情況下顯示為“0.00000”）。接著顯示“1-××××”，表示系統(tǒng)在進行滿度校正工作。同樣，操作員需要不斷地調(diào)節(jié)滿度電位器，直到滿度校正達到精度要求時為止，然后按回車鍵表示滿度校正完成（理想情況下顯示為“5.00000”）。接著系統(tǒng)依次顯示“L”、“E”等提示符號，要求操作員輸入流量系數(shù)K、N值。當輸入正確后，系統(tǒng)進行初始化T0、T1。一切處理完畢后，系統(tǒng)開始正常的運作過程，并進入待機低功耗工作狀態(tài)。需要說明的是，儀器還具有簡單的密碼設置功能。當設置密碼后，要進行流量系數(shù)修改時

12、，必須首先輸入正確的密碼，否則系統(tǒng)不予以響應。這樣能在一定程度上保證流量系數(shù)K、N的安全性。圖4 系統(tǒng)程序框圖2.3 中斷采集服務程序    系統(tǒng)在此環(huán)節(jié)完成V/F信號采集、自動量程轉換、流量計算及顯示水位H、流量Q等參數(shù)。其中K/N、W（總流量）參數(shù)顯示采用了復用鍵，由軟件設計的奇偶次切換決定。一般情況下，系統(tǒng)自動循環(huán)地顯示H-Q值。    該模塊在運行時，首先保護現(xiàn)場，進行初始化設置，啟動T0定時器（T0的定時時間為100ms，時間常數(shù)為3CB0H）和T1計數(shù)器，由T1記錄V/F轉換輸出的脈沖數(shù)。然后，系統(tǒng)連續(xù)采樣10次，利用數(shù)字

13、濾波技術得出當前的有效采樣值。接著，判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)進行了自校正，若沒有，則先進行系統(tǒng)的自校正；若已完成了自校正工作，則繼續(xù)后續(xù)程序塊，計算水位H、流量Q、總流量W值。最后根據(jù)控制命令顯示這些參數(shù)，調(diào)用功能鍵處理模塊，巡查有無控制命令，恢復現(xiàn)場、中斷返回。    此外，系統(tǒng)還設計了串行口通信程序，實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)通信，上傳H、Q、K、N、W等參數(shù)值及接受上位機對參數(shù)的修改和控制。3 量水儀的精度問題    該儀器充分利用了AT89C51具有高性價比的特點，在不增加硬件資源的前提下，盡量做到硬件“軟化”，提高了儀器的測量精度。3.

14、1 數(shù)字調(diào)零和增益自校正    儀器在測量前首先進行自校正工作，即依次選通差動輸入接口芯片CD4052的Y0、Y1輸入端口（其中Y0端接地，Y1端接標準+5V電源），然后調(diào)節(jié)相應的微調(diào)器使儀器自校正達到設計要求。在正式測量時，設選通Y0輸入端時，儀器測得V/F計數(shù)值為X0，選通Y1輸入端時，測得計數(shù)值為X1，設測得傳感器信號輸入的計數(shù)值為Xi，則每次測量的計算公式為       Hi =（XiX0）/（X1X0）* Hst        （7）式

15、中Hst為標準5V時的水位值。    這樣，Hi與放大器的漂移及增益誤差無關，不僅可提高儀器的測量精度，還可降低對器件精度的要求。3.2 采用模糊量程檔位    程控量程自動轉換是由信號放大增益檔位的選擇實現(xiàn)的，這里采用了增益步進法，即將增益由小到大逐步提高，直至選擇最佳的放大倍數(shù)。但是，由于器件轉換靈敏度的局限性，測量有時會不夠準確（尤其是在量程檔位臨界區(qū)），從而導致量程選擇出現(xiàn)錯誤，甚至進入換檔死循環(huán)?？紤]到這一點，我們在相鄰兩個量程臨界區(qū)設置± 5%量程選擇模糊區(qū)，當測量的輸入值落入量程模糊區(qū)時，則不改變放大器的當前增

16、益。經(jīng)過實驗表明，采取模糊量程區(qū)能有效地防止放大器的增益來回跳動現(xiàn)象。3.3 數(shù)據(jù)放大處理    在硬件上做到使測量精度達到均一化的同時，在軟件設計上也進行相應的數(shù)據(jù)“放大”處理。在計算Hi值過程中，先將數(shù)據(jù)“放大”，精度提高到0.1mm。然后進行二進制乘運算，最后再統(tǒng)一轉化為三字節(jié)浮點數(shù)進行浮點數(shù)運算，從而避免精度較低的直接二進制除運算。程序運算中采用了三字節(jié)浮點數(shù)及四字節(jié)BCD碼浮點數(shù)進行流量計算，補償修正后輸出顯示，使儀器的測量精度達到小數(shù)點后四位。3.4 信號隔離處理    對檢測信號通過LM331進行了硬件上的信號隔離；輸入

17、環(huán)節(jié)上增加濾波電容及輸入保護電路。系統(tǒng)的硬件設計遵循“一點接地”的原則，減少系統(tǒng)因電環(huán)路形成的干擾。   3.5 可靠性設計    在軟件上進行了可靠性設計，在每個模塊后和程序PROM的空白區(qū)加了軟件陷阱。并在一些重要的跳轉指令之間進行軟件冗余設計。此外，還設計了溢出報警，避免顯示錯誤的信息。    表1的一組數(shù)據(jù)是采用本儀器測出的實際流量Q和理論計算流量Q的比較，其中流量系數(shù)K=2.3215、N=2.2406。Q值理論計算為      Q = K * exp N * lnH

18、        (8)表1 實測流量與理論計算流量之比較水位H(m)實測流量Q(m3/s)理論流量Q(m3/s)0.0190.000380.0003230.0480.002520.0025760.1110.016860.0168500.2010.063020.0637500.3300.194210.1936200.6560.905070.9026600.8971.815001.8197001.1983.479293.4798402.70221.4978021.5280004.78677.4919077.502500    從表1可以分析出，采用此儀器測量出的流量Q與理論計算出的流量Q之間的誤差小于 0.5%，已滿足了實際應用的精度需求。4 結束語    該儀器功能較全，攜帶方便，供電簡單。系統(tǒng)已留出部分硬件資源，以備將來擴展系統(tǒng)的功能（如構成主從式渠系運行監(jiān)測系統(tǒng)）