新型低功耗明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)

Design of the New Type of Open Channel Flowmeter with Low Power Consumption

李　斌　馬　珺

(太原理工大學(xué)教育部新型傳感器與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原　030024)

新型低功耗明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)

Design of the New Type of Open Channel Flowmeter with Low Power Consumption

李斌馬珺

(太原理工大學(xué)教育部新型傳感器與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030024)

摘要：通過對(duì)現(xiàn)有明渠流量計(jì)的研究分析，提出了一種新型的低功耗明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)方案。采用板式水位傳感器配合巴歇爾槽實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量，以MSP430單片機(jī)作為核心處理器，利用太陽能為整個(gè)系統(tǒng)供電。為降低系統(tǒng)功耗，從六個(gè)方面對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)測試，該流量計(jì)工作穩(wěn)定、誤差小、功耗低，特別適合偏遠(yuǎn)地區(qū)長期無人監(jiān)守的場合。

關(guān)鍵詞：流量計(jì)低功耗MSP430太陽能供電板式水位傳感器

Abstract：Through researching and analyzing existing open channel flowmeters, the design scheme for new type of open channel flowmeter with low power consumption is proposed. In this design, by adopting plate-type water level sensor and Parshall flume to achieve flow measurement; the MSP430 single chip machine is used as the kernel processor; the entire system is solar powered. And the software is optimized from six aspects to reduce the system consumption. Having been tested, the flowmeter operates stably with low error, low power consumption, it is especially suitable for remote areas where are long term unattended.

Keywords：FlowmeterLow power consumptionMSP430Solar poweredPlate-type water lever sensor

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人民生活水平的大幅提高，能源消耗急劇增加，排放的污染物也相應(yīng)增加。尤其是污水的任意排放，嚴(yán)重污染了地表水和地下水，這不僅制約了我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還深深影響著人們的身體健康。污水的排放管理已成為環(huán)保工作的當(dāng)務(wù)之急，準(zhǔn)確計(jì)量核定污水流量越來越受到政府部門和普通民眾的關(guān)注。一般的污水流量計(jì)安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境惡劣，鋪設(shè)電纜困難，成本昂貴，基本上使用電池供電，而電池的容量有限，難以維持流量計(jì)長時(shí)間運(yùn)行。因此，設(shè)計(jì)一種計(jì)量準(zhǔn)確、低功耗并可以實(shí)現(xiàn)能源自給自足的污水流量計(jì)，是現(xiàn)階段環(huán)保事業(yè)的一項(xiàng)重要工作。

1流量檢測原理

大多數(shù)工業(yè)廢水都是自然排放的，以非滿水狀態(tài)自由流動(dòng)，屬于明渠流動(dòng)。根據(jù)流體力學(xué)理論，水流量與水流截面積、流速、時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系。因此設(shè)計(jì)一種特定的水路，使污水達(dá)到理想狀態(tài)的靜態(tài)定常流體。流體力學(xué)的伯努利方程如式(1)所示：

(1)

式中：Cu為流速系數(shù)；Ce為受摩擦和渦流影響的流量系數(shù)；g為重力加速度；b為水流槽寬度；h為水位高度。

在特定的水路中，b為常數(shù)；Cu、Ce為修正系數(shù)，可查表得出。因此，只要測得水位h，即可算出流量qv。

2系統(tǒng)原理

流量計(jì)系統(tǒng)主要由處理器單元、流量傳感器單元、無線通信單元、太陽能供電系統(tǒng)和外部存儲(chǔ)單元組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

處理器單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)流量計(jì)的運(yùn)行，接收和處理流量傳感器采集的數(shù)據(jù)，控制無線通信單元將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，并把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入外部存儲(chǔ)單元。流量傳感器是感知自然界的觸角，主要負(fù)責(zé)待測目標(biāo)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。無線通信單元負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)并接收上位機(jī)的控制信號(hào)。外部存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)永久保存。太陽能供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為各個(gè)單元提供必需的能量，確保各單元正常運(yùn)行。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1　流量計(jì)的選擇

根據(jù)污水檢測原理，本設(shè)計(jì)選用太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所自主研制的板式水位傳感器配合巴歇爾槽實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量[1]。板式水位傳感器原理圖如圖2所示。

MFC7710B芯片是水位采集芯片，以串行方式連接，其作用是采集水位信息并傳送到MFC7720B芯片。MFC7720B芯片的功能就是將從MFC7710B芯片輸入的水位信息轉(zhuǎn)換成BCD碼形式[2]。

在板式水位傳感器面板中，取樣點(diǎn)組成點(diǎn)陣式取樣電路，相鄰取樣點(diǎn)縱向分辨率為2 mm。將板式水位傳感器垂直安裝在巴歇爾槽的入水口處，當(dāng)水位上下變化時(shí)，水面靠近某個(gè)取樣點(diǎn)，該取樣電路發(fā)生觸發(fā)性翻轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)由“1”變?yōu)椤?”；當(dāng)水面離開取樣點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)由“0”變?yōu)椤?”。若干取樣點(diǎn)組成一條水位神經(jīng)線，通過對(duì)取樣點(diǎn)的檢索，即可實(shí)現(xiàn)水位的測量[3]。

采用數(shù)字式直接取樣，取樣數(shù)據(jù)只有“0”與“1”，只反映這一點(diǎn)有水還是無水。該方法克服了傳統(tǒng)的模擬量檢測方式本身帶有模糊量的成分，避免了受溫度、空氣壓強(qiáng)、電場、磁場等多種環(huán)境分布參數(shù)的影響，大大地提高了檢測的準(zhǔn)確性、可靠性。

板式水位傳感器在硬件層基本選用COMS或HCMOS型工藝制造的IC[4]。COMS電路的功耗主要是電路的開關(guān)功耗，也被稱為動(dòng)態(tài)功耗，其他的功耗如靜態(tài)功耗、短路功耗和漏電流功耗主要由芯片制造工藝決定，占用系統(tǒng)功耗很少。動(dòng)態(tài)功耗主要來源于對(duì)負(fù)載電容的充放電，可由下式表示：

Pd=afCLVDD2

(2)

式中：a為電路開關(guān)活動(dòng)幾率因子；f為工作頻率；CL為輸出總負(fù)載電容；VDD為工作電壓。

因此，降低工作頻率和工作電壓即可降低系統(tǒng)功耗，滿足本設(shè)計(jì)低功耗的要求。

3.2　處理器的選擇

由于污水流量計(jì)工作在荒郊野外，無法鋪設(shè)電纜進(jìn)行供電，只能使用電池，而處理器的功耗直接影響著流量計(jì)的使用壽命，所以我們選用TI公司的MSP430單片機(jī)[5]。

在本設(shè)計(jì)中，通過合理配置系統(tǒng)時(shí)鐘，使單片機(jī)長時(shí)間處于低功耗模式3(LPM3)，以降低功耗。LPM3下晶振處于活動(dòng)狀態(tài)，中斷有效，功耗卻不到2 μA，DCO處于關(guān)閉狀態(tài)，僅需6 μs就可將它喚醒。

3.3　電源模塊的設(shè)計(jì)

污水流量計(jì)安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境惡劣，鋪設(shè)電纜困難，成本昂貴，基本上使用電池供電，而電池的容量有限，難以維持流量計(jì)長時(shí)間運(yùn)行。所以，采用太陽能供電系統(tǒng)加蓄電池的方法為流量計(jì)提供能量[6]。

蓄電池輸出電壓為12 V，板式水位傳感器工作電壓為5 V，MSP430處理器、外部存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路等工作電壓為3.3 V，所以需要通過電壓轉(zhuǎn)換電路將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V。本設(shè)計(jì)選用三端穩(wěn)壓器7805實(shí)現(xiàn)12 V到5 V的電壓轉(zhuǎn)換，選用1117-3.3實(shí)現(xiàn)5 V到3.3 V的電壓轉(zhuǎn)換[7]。具體電路如圖3、圖4所示。

圖3　12 V轉(zhuǎn)5 V電路

圖4　5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路

3.4　外部存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)報(bào)送一次后距離下次報(bào)送還有相當(dāng)長的一段時(shí)間間隔，在此期間，系統(tǒng)仍進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)需要保存，而處理器自帶的存儲(chǔ)容量有限，不能滿足要求。所以，需要增加外部存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)該段間隔時(shí)間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及歷史數(shù)據(jù)的長時(shí)間存儲(chǔ)。

SD卡具有體積小、容量大、傳輸速度快、安全性高等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用其作為外部存儲(chǔ)介質(zhì)。SD卡支持SPI和SD兩種傳輸模式，其中SD模式讀寫速度快、控制信號(hào)線多、操作復(fù)雜，SPI模式速度較慢、控制線少、操作也相對(duì)簡單。MSP430單片機(jī)有現(xiàn)成的SPI接口，另外考慮本設(shè)計(jì)的低功耗要求，選用SPI模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。具體電路如圖5所示。

圖5　SD卡電路

3.5　實(shí)時(shí)時(shí)鐘

由于測量數(shù)據(jù)并不是實(shí)時(shí)報(bào)送，而是按要求每周或每月報(bào)送一次，得到的只是大量的流量數(shù)據(jù)，并不知道具體測量時(shí)間，因此設(shè)計(jì)中加入了日歷時(shí)鐘電路，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測時(shí)間的一一對(duì)應(yīng)。

本設(shè)計(jì)選用DS1302來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的記錄。它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，工作電壓2.5~5.5 V，采用三線接口與處理器進(jìn)行同步通信。具體電路如圖6所示。

圖6　實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

3.6　無線通信選擇

現(xiàn)在無線通信技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，生活中已經(jīng)開始廣泛使用，然而一般的無線通信傳輸距離有限，從幾米到幾百米不等，不能滿足更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。而GPRS網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、可靠性高、永遠(yuǎn)在線、傳輸速度快、按流量計(jì)費(fèi)、不受地理位置的限制等優(yōu)點(diǎn)，非常適合環(huán)境相對(duì)惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)[8]。因此，本設(shè)計(jì)選用GPRS技術(shù)來完成無線傳輸任務(wù)。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件從功能上分為主程序和中斷程序，主程序完成整個(gè)系統(tǒng)的初始化，使各個(gè)模塊進(jìn)入低功耗或“休眠”模式。當(dāng)出現(xiàn)定時(shí)器中斷或上位機(jī)數(shù)據(jù)采集命令時(shí)，進(jìn)入中斷，執(zhí)行中斷程序。中斷返回后系統(tǒng)重新進(jìn)入低功耗或“休眠”模式。中斷程序喚醒相應(yīng)模塊，進(jìn)入工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)成功后，清除中斷標(biāo)志，退出中斷。

主程序流程圖與中斷程序流程圖如圖7所示。

圖7　主程序與中斷程序流程圖

為了降低系統(tǒng)的功耗，除了在硬件方面進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，軟件的低功耗設(shè)計(jì)也十分重要[9]。本文通過以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：①M(fèi)SP430為16位單片機(jī)，所以盡量使用16位數(shù)據(jù)類型；②循環(huán)結(jié)構(gòu)中使用減計(jì)數(shù)循環(huán)，可以減少執(zhí)行的二進(jìn)制總指令數(shù)量[10]；③盡可能地使用unsigned數(shù)據(jù)類型；④對(duì)RAM操作比Flash更加耗能，所以盡量使用宏定義來代替子程序調(diào)用；⑤用中斷方式代替查詢方式；⑥通過I/O控制各模塊間歇性地工作。

5結(jié)束語

本文從軟硬件兩個(gè)方面完成了一種新型流量計(jì)的設(shè)計(jì)，選用低功耗MSP430F149單片機(jī)作為處理器，GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，增加SD卡對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行長期保存，采用太陽能供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的能源自給自足。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定、功耗低，而此設(shè)計(jì)方案同樣適用于其他險(xiǎn)惡地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬珺,馬福昌.新型板式流量傳感器的設(shè)計(jì)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,39(3):265-267.

[2] 段臣杰.板式數(shù)字流量計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)與無線射頻通信系統(tǒng)的研究[D].太原:太原理工大學(xué),2009.

[3] 馬珺,王龍山.一種新型明渠流量計(jì)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(12):130-132.

[4] 王輝,馬福昌.檢索式數(shù)字水位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低功耗途徑探討[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,39(2):119-122.

[5] 劉紅樂,馬福昌.高精度低功耗的無線數(shù)字水位傳感器智能變送器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(6):13-16.

[6] 侯錦鋒.渠道流量計(jì)太陽能自供電系統(tǒng)的開發(fā)[D].太原:太原理工大學(xué),2010.

[7] 高藝.能源自給低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津:南開大學(xué),2010.

[8] 劉捷,官洪運(yùn),王志亮.基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2010,29(20):29-32.

[9] 姚偉.嵌入式系統(tǒng)低功耗軟件技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2011,21(1):112-115.

[10]宋彥,郭兵,沈艷.嵌入式系統(tǒng)低功耗的軟件實(shí)現(xiàn)方案[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(9):4-7.

中圖分類號(hào)：TP216

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502023

教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：210270);

教育部博士點(diǎn)新教師基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：20091402120006)。

修改稿收到日期：2014-08-19。

第一作者李斌(1990-)，男，現(xiàn)為太原理工大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究。