LSX-1智能流速測(cè)算儀

摘要：介紹了水文測(cè)量中流速測(cè)量的現(xiàn)狀、意義、及原理，針對(duì)水文測(cè)量工作需要論述了儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)及硬件電路組成，對(duì)儀器的軟件設(shè)計(jì)、技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用情況都分別作了介紹。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)、流速測(cè)量

概述

在我國(guó)的江、河水文測(cè)驗(yàn)工作中，流量測(cè)驗(yàn)是最主要、最基本的工作之一，是國(guó)家防汛抗旱、防止水源污染的耳目。目前在江河的過(guò)水流量測(cè)驗(yàn)中其測(cè)量方法大都是采用機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀測(cè)量水的流速，再根據(jù)所測(cè)的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e計(jì)算出流量來(lái)。而在流速的測(cè)量方法上大部分是采用幾十年來(lái)一直使用的傳統(tǒng)方法：轉(zhuǎn)子流速儀接上訊響器（或電鈴）人工計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、再手工計(jì)算出流速。不僅時(shí)效低而且在大洪水期間由于存在風(fēng)雨聲、水浪聲，極容易造成人為誤差。
為解決測(cè)量流速時(shí)的計(jì)數(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些廠家先后研制出了多種電子計(jì)數(shù)器，經(jīng)不同的用戶試用后，都沒(méi)有得到推廣應(yīng)用，其主要原因有兩個(gè)：一是不適應(yīng)機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀的特性，不能正確去除接觸絲的抖動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)信號(hào)；二是對(duì)水體漏電阻的考慮不夠全面，從而影響計(jì)數(shù)信號(hào)的正確性。LSX-1流速測(cè)算儀就是針對(duì)目前流速測(cè)量的現(xiàn)狀，研制開發(fā)出的抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)不同類型的轉(zhuǎn)子流速儀、穩(wěn)定可靠且具有計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、計(jì)算處理、顯示等功能于一體的流速測(cè)算儀器。
測(cè)量原理
根據(jù)轉(zhuǎn)子流速儀的特性，機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀的計(jì)算公式為：
v=K·N/T+C= K·na/T+C （米/秒）
式中：N=na,為在測(cè)量時(shí)間T內(nèi)轉(zhuǎn)子流速儀的總轉(zhuǎn)數(shù)，n為信號(hào)數(shù)，a為每信號(hào)的轉(zhuǎn)數(shù)；K、C、a對(duì)每一個(gè)流速儀都為一固定常數(shù)。
根據(jù)流速儀的計(jì)算公式，設(shè)計(jì)儀器使其能正確測(cè)量出流速儀的轉(zhuǎn)數(shù)N（即信號(hào)數(shù))和相應(yīng)時(shí)間T，并計(jì)算出流速輸出即可。LSX-1型智能流速測(cè)算儀的測(cè)量原理如框圖1所示。
圖1、測(cè)量原理框圖
關(guān)鍵技術(shù)
去抖動(dòng)電路：轉(zhuǎn)子流速儀在測(cè)量水流速度時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一定的圈數(shù)后其內(nèi)部的機(jī)械觸點(diǎn)（金屬接觸絲與金屬觸點(diǎn)）接通一次，在接通與斷開時(shí)表現(xiàn)如圖2所示波形，即在將要接通和將要斷開時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，而這些抖動(dòng)現(xiàn)象是一切機(jī)械接觸傳感器所無(wú)法避免的。在測(cè)量時(shí)若是人工秒表計(jì)數(shù)，測(cè)量人員可以判斷真?zhèn)危羰遣捎酶哽`敏的電子計(jì)數(shù)器，就將產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，因此設(shè)計(jì)電路時(shí)必須將干擾信號(hào)消除掉。消除方法是采用濾波電路，這就要求選擇合適的時(shí)間常數(shù)，常

數(shù)值大，濾波時(shí)間長(zhǎng)，但當(dāng)流速較大時(shí)，信號(hào)脈沖本身 圖2流速信號(hào)抖動(dòng)現(xiàn)象
就較窄，易丟失信號(hào)。反之若時(shí)間常數(shù)小，在低流速時(shí)，達(dá)不到濾波的目的，又易多記信號(hào)，這就是目前的計(jì)數(shù)器所難以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。而本測(cè)算儀采用單片機(jī)作處理器，軟件設(shè)計(jì)智能化，完全可以進(jìn)行高、低流速的自動(dòng)識(shí)別，以確定選擇合適的參數(shù)進(jìn)行濾波，即采用硬件和軟件的結(jié)合濾波來(lái)消除抖動(dòng)現(xiàn)象，保證正確計(jì)數(shù)。

信號(hào)丟失問(wèn)題：水中某點(diǎn)的流速在一定時(shí)間內(nèi)變化不會(huì)太大，若因流速儀機(jī)械觸點(diǎn)的接觸電阻發(fā)生突變使信號(hào)發(fā)生丟失現(xiàn)象時(shí)，如圖3所示在信號(hào)3與信號(hào)5之間丟失了信號(hào)4，單片機(jī)CPU可根據(jù)相鄰信 圖3流速信號(hào)波形圖
號(hào)的時(shí)間差判斷是否丟失信號(hào)，若發(fā)生信號(hào)丟失可進(jìn)
行自動(dòng)插補(bǔ)，以進(jìn)一步保證正確計(jì)數(shù)、準(zhǔn)確測(cè)速。
硬件電路組成
根據(jù)流速測(cè)量原理及水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范的要求，智能流速測(cè)算儀的硬件電路框圖如圖4所示。
圖4、硬件電路組成框圖
1單片機(jī)控制系統(tǒng)：以美國(guó)ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)為核心控制元件（CPU），該器件內(nèi)部有8×4KB字節(jié)的EEPROM，使得流速測(cè)算儀整個(gè)工作軟件能被固化在CPU芯片內(nèi)部。選用6MHz的時(shí)鐘振蕩頻率，保證內(nèi)部的高精度計(jì)時(shí)，顯示驅(qū)動(dòng)芯片采用ICM7211，并用4位半LCD液晶大屏幕顯示器作為測(cè)量結(jié)果的輸出顯示器件；該部分電路還包括流速儀系數(shù)、常數(shù)及測(cè)速參數(shù)的輸入電路。在輸出電路中還設(shè)計(jì)有與PC機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口電路，以及聲音提示、光指示電路等。
2流速儀信號(hào)處理電路：為了得到正確的流速儀信號(hào)，提高儀器的可靠性，在流速儀輸入信號(hào)之后設(shè)置有信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)整形電路、消除流速儀機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象的去抖動(dòng)電路。配合軟件有效消除干擾信號(hào)，保證所測(cè)記的流速儀信號(hào)正確無(wú)誤。
3低功耗設(shè)計(jì)：為了使儀器體積小、功耗低、便于攜帶，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，所選擇器件全部采用CMOS低功耗器件，不但降低了整機(jī)功耗，而且提高了抗干擾能力，也增強(qiáng)了儀器的可靠性。
軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)流速測(cè)量工作需要，流速測(cè)算儀的整個(gè)軟件主要包括：主程序、時(shí)鐘中斷（計(jì)時(shí)）子程序、流速信號(hào)中斷（計(jì)數(shù)）子程序、信號(hào)處理（去抖動(dòng)、抗干擾）子程序、計(jì)算子程序、顯示子程序、通訊子程序等模塊。主程序如圖5所示，源程序用MCS-51匯編語(yǔ)言編寫。在信號(hào)處理子程序中，一方面要濾除掉干擾信號(hào)，另一方面還要精確記錄下每一信號(hào)的接通時(shí)間及相鄰信號(hào)之間斷開的時(shí)間，以便CPU正確判斷處理真實(shí)信號(hào)與干擾信號(hào)。限于篇幅，其源程序及其它子程序框圖不再給出。
圖5主程序框圖