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便携式多功能量水仪的研制

作者:dolphin时间:2011-05-03

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、精确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。 
 

 图1 系统的硬件电路框图
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精确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。为了保证测量精度的一致性,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。

 
 图2 信号增益调节电路图
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、高精度、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

(1)
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

图3 信号A/D(V/F)转换电路
 
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的最小二乘估计量

(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,直到校零达到精度要求时为止,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,直到满度校正达到精度要求时为止,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。



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