便携式多功能量水仪的研制

便携式多功能量水仪的研制

武汉水利电力大学水利学院（430072） 罗本成 宋光爱

目前普遍使用的量水仪（或水位仪），要么功能单一（或功能较少），在实际应用时还需要额外的辅助设备；要么功能较全，但体积较大，不方便携带，功耗也较大，供电设备还要额外配置。基于单片机开发的各种量水仪，以其成本低、方便实用、而被广泛应用在水利工程中。为此，笔者结合实际的需要，开发研制了一种基于AT89C51单片机的便携式多功能量水仪。该仪器功能集中，不仅能实现信号的自动调理，而且还能实现数据的通信、报表打印、密码及K/N参数的设置以及掉电保护等多种功能。更为突出的是，该仪器能与多种液位传感器直接接口，携带方便，供电简单，功耗比较低。

1 系统的硬件设计

系统的硬件主要由AT89C51单片机、增益调节电路、LM331V/F转换器、81C55 I/O口扩展器、两片ICM7211四位液晶显示器、CD4051八选一模拟开关、CD4052双四选一模拟开关、4′ 4薄膜触键及六位液晶显示器LCD等组成，其框图如图1所示。　

1.1 信号增益调节电路

增益信号是由程序控制的，它根据待测量信号幅值的大小来改变放大器增益，以使不同幅值范围的输入信号都能放大到A/D转换所需的幅值范围。本仪器设计的输入量程为0~ 5V，分辨率是1.0mV。为了保证测量的一致性，设计了以一片CD4051八选一模拟开关、若干高精密电阻和一个低功耗运算放大器OP07等组成程控增益放大电路。鉴于实际场合中常用的液位传感器输出满量程电压一般为60mV、200mV、2V、5V等几种，故设计了0~ 5V的量程，具体电路组成如图2所示。其中N1、N2组成同相关联差动放大器，N3为电压跟随器，主要用来抑制共模信号，N4是输出差动放大器，整个电路的增益可通过改变权电阻网络R0~ R7来调节。

1.2 信号A/D转换电路

为了适应便携式仪表电池供电、功耗低等特点，采用了功耗低、高、供电简单的V/F转换芯片LM331组成电压-频率（10V-100kHz）的A/D转换电路，其输出频率与输入电压的关系为

通过AT89C51的T0计数器（其中T1作定时器用）计算出fOUT，从而得到输入Vin，进而算出水位值Hi（Hi~ Vin），具体如图3所示。

在该电路中，电阻R16为80kW ± 10%，它主要是使LM331的输入端7脚产生偏流，以抵消6脚偏流的影响，从而减少频率偏差。R39和可调电位器RW3的作用是调整LM331的增益偏差和由R23、R25及C6引起的偏差。当6脚、7脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将会引起输出频率的阶跃变化，如果C8比C9小得多，那么输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。6脚的47W 电阻R23和1.0m F电容器C9并联用以产生滞后效应，使V/F转换获得良好的线性度。

1.3 低功耗设计

该仪器全部芯片均选用CMOS低功耗芯片，其余外围电路采用了低功耗设计，并设计了4×4触摸薄膜键盘及六位LCD液晶显示器作为人—机接口。在软件设计上，整个系统采用了等待和掉电工作的节电运行机制，功耗较低。

2 系统的软件设计

软件是系统的指挥中心，由它来配合控制完成各种预定功能。为了充分发挥AT89C51优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软化”，使系统硬件设计得到简化。系统软件采用MCS-51汇编语言编写，采用了模块化结构设计。为增强系统的实时性，对那些偶发事件采用中断方式处理。

2.1 系统的软件算法

在明渠量水建筑物中，较为典型的是巴歇尔水槽。在自由流情况下，巴歇尔水槽的水位H和流量Q关系是简单的二值函数。利用回归分析技术，可以求出H～Q 流量经验公式。为了便于分析和应用，我们在水工实验中主要是针对自由流情况的，从而得到大量的H～Q 曲线数据组。

巴歇尔水槽在自由流时的流量公式为

Q = K·H N （2）

式中，Q为流量（m3/s），K、N为流量系数，H为上游水头高（m）。由于流量经验公式是指数型函数，故先对巴歇尔槽流量公式两边取对数，得

lnQ = lnK + N·lnH （3）

设y=lnQ；a=lnK；b=N；x=lnH

式（3）可写成

y = a + b·x （4）

然后，利用实测的大量独立（H，Q）数据，求出回归系数a、b的二乘估计量（亦即为a、b的无偏估计量），从而得到回归函数的估计

（5）

由y = a + b·x + ε，ε~ N（0，δ2），可知y随x变化趋势的大小主要受参数b的影响，故建立如下假设检验：

H0 : b = 0 ； H1 : b≠0 （6）

用以检验线性回归效果的显著性水平。符合实际要求后，则得到流量系数K、N的估计值。有了流量经验公式，系统就可根据所测的水位 H值来计算出流量值Q。

2.2 系统的主程序设计

主程序主要用于系统的控制和管理。系统加电后，AT89C51自动上电复位，开始运行主程序，主程序框图见图4所示。系统首先显示“0-××××”，表示系统在进行自检和自校零工作。此时要求操作员不断地调节调零电位器，直到校零达到要求时为止，然后按回车键表示校零完成（理想情况下显示为“0.00000”）。接着显示“1-××××”，表示系统在进行满度校正工作。同样，操作员需要不断地调节满度电位器，直到满度校正达到要求时为止，然后按回车键表示满度校正完成（理想情况下显示为“5.00000”）。接着系统依次显示“L”、“E”等提示符号，要求操作员输入流量系数K、N值。当输入正确后，系统进行初始化T0、T1。一切处理完毕后，系统开始正常的运作过程，并进入待机低功耗工作状态。

需要说明的是，仪器还具有简单的密码设置功能。当设置密码后，要进行流量系数修改时，必须首先输入正确的密码，否则系统不予以响应。这样能在一定程度上保证流量系数K、N的安全性。

2.3 中断采集服务程序

系统在此环节完成V/F信号采集、自动量程转换、流量计算及显示水位H、流量Q等参数。其中K/N、W（总流量）参数显示采用了复用键，由软件设计的奇偶次切换决定。一般情况下，系统自动循环地显示H-Q值。

该模块在运行时，首先保护现场，进行初始化设置，启动T0定时器（T0的定时时间为100ms，时间常数为3CB0H）和T1计数器，由T1记录V/F转换输出的脉冲数。然后，系统连续采样10次，利用数字滤波技术得出当前的有效采样值。接着，判断系统是否已经进行了自校正，若没有，则先进行系统的自校正；若已完成了自校正工作，则继续后续程序块，计算水位H、流量Q、总流量W值。根据控制命令显示这些参数，调用功能键处理模块，巡查有无控制命令，恢复现场、中断返回。

此外，系统还设计了串行口通信程序，实现与上位机之间的数据通信，上传H、Q、K、N、W等参数值及接受上位机对参数的修改和控制。

3 量水仪的问题

该仪器充分利用了AT89C51具有高性价比的特点，在不增加硬件资源的前提下，尽量做到硬件“软化”，提高了仪器的测量。

3.1 数字调零和增益自校正

仪器在测量前首先进行自校正工作，即依次选通差动输入接口芯片CD4052的Y0、Y1输入端口（其中Y0端接地，Y1端接标准+5V电源），然后调节相应的微调器使仪器自校正达到设计要求。在正式测量时，设选通Y0输入端时，仪器测得V/F计数值为X0，选通Y1输入端时，测得计数值为X1，设测得传感器信号输入的计数值为Xi，则每次测量的计算公式为

Hi =（Xi－X0）/（X1－X0）* Hst （7）

式中Hst为标准5V时的水位值。

这样，Hi与放大器的漂移及增益误差无关，不仅可提高仪器的测量，还可降低对器件的要求。

3.2 采用模糊量程档位

程控量程自动转换是由信号放大增益档位的选择实现的，这里采用了增益步进法，即将增益由小到大逐步提高，直至选择的放大倍数。但是，由于器件转换灵敏度的局限性，测量有时会不够准确（尤其是在量程档位临界区），从而导致量程选择出现错误，甚至进入换档死循环。考虑到这一点，我们在相邻两个量程临界区设置± 5%量程选择模糊区，当测量的输入值落入量程模糊区时，则不改变放大器的当前增益。经过实验表明，采取模糊量程区能有效地防止放大器的增益来回跳动现象。

3.3 数据放大处理

在硬件上做到使测量达到均一化的同时，在软件设计上也进行相应的数据“放大”处理。在计算Hi值过程中，先将数据“放大”，提高到0.1mm。然后进行二进制乘运算，再统一转化为三字节浮点数进行浮点数运算，从而避免较低的直接二进制除运算。程序运算中采用了三字节浮点数及四字节BCD码浮点数进行流量计算，补偿修正后输出显示，使仪器的测量达到小数点后四位。

3.4 信号隔离处理

对检测信号通过LM331进行了硬件上的信号隔离；输入环节上增加滤波电容及输入保护电路。系统的硬件设计遵循“一点接地”的原则，减少系统因电环路形成的干扰。

3.5 可靠性设计

在软件上进行了可靠性设计，在每个模块后和程序PROM的空白区加了软件陷阱。并在一些重要的跳转指令之间进行软件冗余设计。此外，还设计了溢出报警，避免显示错误的信息。 表1的一组数据是采用本仪器测出的实际流量Q和理论计算流量Q的比较，其中流量系数K=2.3215、N=2.2406。Q值理论计算为

Q = K * exp { N * lnH} (8)

表1 实测流量与理论计算流量之比较

从表1可以分析出，采用此仪器测量出的流量Q与理论计算出的流量Q之间的误差小于 0.5%，已满足了实际应用的需求。

4 结束语

该仪器功能较全，携带方便，供电简单。系统已留出部分硬件资源，以备将来扩展系统的功能（如构成主从式渠系运行监测系统）。若进一步改进，该仪器能有效地应用于水利工程或其它类似工程中，以实现快速、灵活的参数测量，有着较高的实用推 广价值。