LSX-1智能流速測算儀

摘要：介紹了水文測量中流速測量的現狀、意義、及原理，針對水文測量工作需要論述了儀器設計的關鍵技術及硬件電路組成，對儀器的軟件設計、技術指標及應用情況都分別作了介紹。
關鍵詞：單片機、流速測量

概述

在我國的江、河水文測驗工作中，流量測驗是最主要、最基本的工作之一，是國家防汛抗旱、防止水源污染的耳目。目前在江河的過水流量測驗中其測量方法大都是采用機械轉子流速儀測量水的流速，再根據所測的過水斷面面積計算出流量來。而在流速的測量方法上大部分是采用幾十年來一直使用的傳統方法：轉子流速儀接上訊響器（或電鈴）人工計數、計時、再手工計算出流速。不僅時效低而且在大洪水期間由于存在風雨聲、水浪聲，極容易造成人為誤差。
為解決測量流速時的計數問題，國內一些廠家先后研制出了多種電子計數器，經不同的用戶試用后，都沒有得到推廣應用，其主要原因有兩個：一是不適應機械轉子流速儀的特性，不能正確去除接觸絲的抖動現象，產生錯誤計數信號；二是對水體漏電阻的考慮不夠全面，從而影響計數信號的正確性。LSX-1流速測算儀就是針對目前流速測量的現狀，研制開發出的抗干擾能力強，能適應不同類型的轉子流速儀、穩定可靠且具有計時、計數、計算處理、顯示等功能于一體的流速測算儀器。
測量原理
根據轉子流速儀的特性，機械轉子流速儀的計算公式為：
v=K·N/T+C= K·na/T+C （米/秒）
式中：N=na,為在測量時間T內轉子流速儀的總轉數，n為信號數，a為每信號的轉數；K、C、a對每一個流速儀都為一固定常數。
根據流速儀的計算公式，設計儀器使其能正確測量出流速儀的轉數N（即信號數)和相應時間T，并計算出流速輸出即可。LSX-1型智能流速測算儀的測量原理如框圖1所示。
圖1、測量原理框圖
關鍵技術
去抖動電路：轉子流速儀在測量水流速度時，每轉過一定的圈數后其內部的機械觸點（金屬接觸絲與金屬觸點）接通一次，在接通與斷開時表現如圖2所示波形，即在將要接通和將要斷開時產生抖動現象，而這些抖動現象是一切機械接觸傳感器所無法避免的。在測量時若是人工秒表計數，測量人員可以判斷真偽，但若是采用高靈敏的電子計數器，就將產生錯誤計數，因此設計電路時必須將干擾信號消除掉。消除方法是采用濾波電路，這就要求選擇合適的時間常數，常

數值大，濾波時間長，但當流速較大時，信號脈沖本身 圖2流速信號抖動現象
就較窄，易丟失信號。反之若時間常數小，在低流速時，達不到濾波的目的，又易多記信號，這就是目前的計數器所難以推廣應用的關鍵問題。而本測算儀采用單片機作處理器，軟件設計智能化，完全可以進行高、低流速的自動識別，以確定選擇合適的參數進行濾波，即采用硬件和軟件的結合濾波來消除抖動現象，保證正確計數。

信號丟失問題：水中某點的流速在一定時間內變化不會太大，若因流速儀機械觸點的接觸電阻發生突變使信號發生丟失現象時，如圖3所示在信號3與信號5之間丟失了信號4，單片機CPU可根據相鄰信 圖3流速信號波形圖
號的時間差判斷是否丟失信號，若發生信號丟失可進
行自動插補，以進一步保證正確計數、準確測速。
硬件電路組成
根據流速測量原理及水文測驗規范的要求，智能流速測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單片機控制系統：以美國ATMEL公司的AT89C51單片機為核心控制元件（CPU），該器件內部有8×4KB字節的EEPROM，使得流速測算儀整個工作軟件能被固化在CPU芯片內部。選用6MHz的時鐘振蕩頻率，保證內部的高精度計時，顯示驅動芯片采用ICM7211，并用4位半LCD液晶大屏幕顯示器作為測量結果的輸出顯示器件；該部分電路還包括流速儀系數、常數及測速參數的輸入電路。在輸出電路中還設計有與PC機通訊的標準RS-232接口電路，以及聲音提示、光指示電路等。
2流速儀信號處理電路：為了得到正確的流速儀信號，提高儀器的可靠性，在流速儀輸入信號之后設置有信號電平轉換電路、信號整形電路、消除流速儀機械觸點抖動現象的去抖動電路。配合軟件有效消除干擾信號，保證所測記的流速儀信號正確無誤。
3低功耗設計：為了使儀器體積小、功耗低、便于攜帶，在電路設計時，所選擇器件全部采用CMOS低功耗器件，不但降低了整機功耗，而且提高了抗干擾能力，也增強了儀器的可靠性。
軟件設計
根據流速測量工作需要，流速測算儀的整個軟件主要包括：主程序、時鐘中斷（計時）子程序、流速信號中斷（計數）子程序、信號處理（去抖動、抗干擾）子程序、計算子程序、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匯編語言編寫。在信號處理子程序中，一方面要濾除掉干擾信號，另一方面還要精確記錄下每一信號的接通時間及相鄰信號之間斷開的時間，以便CPU正確判斷處理真實信號與干擾信號。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