灌溉用電容式渦街流量測試系統(tǒng)研究

袁芳　江偉

摘要：灌溉水量的流量測試是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的關鍵技術(shù)之一，為了提高流量測試系統(tǒng)的測試精度，對電容式渦街流量測試系統(tǒng)進行了研究，設計了電容式渦街流量測試系統(tǒng)的二次儀表硬件電路部分，其中包括由前置放大電路、濾波電路、整形電路組成的信號調(diào)理電路、以低功耗微處理器MSP430F149單片機為核心的按鍵接口電路、LCD顯示接口電路以及二次儀表供電電路。此外，開發(fā)了電容式渦街流量測試系統(tǒng)的軟件部分，包括監(jiān)控系統(tǒng)程序設計、鍵盤中斷服務子程序設計、液晶顯示子程序組成的人機界面程序設計、信號采集與處理程序設計。試驗結(jié)果表明，該電容式渦街流量信號測試系統(tǒng)能夠精確地實現(xiàn)流量信號的測試與處理，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的實用價值。

關鍵詞：灌溉；電容式；渦街；流量測試系統(tǒng)；系統(tǒng)設計

中圖分類號： TP274；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0437-02

電容式渦街流量計具有精度高、量程比較寬、線性度較好、壓力損失小、性能可靠、測量元件結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、安裝維護方便、適用于各種介質(zhì)等一系列優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)的計量檢測中正在發(fā)揮越來越大的作用，有著廣泛的應用前景，因此研究電容式渦街流量計將具有重要的意義[1-4]。

本研究設計了灌溉用的電容式渦街流量測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件電路包括信號處理電路、接口電路、供電電路，軟件部分由主程序、鍵盤中斷服務子程序、液晶顯示子程序、信號采集與處理程序組成。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有低功耗、高精度的特點，在農(nóng)業(yè)領域具有廣闊的市場應用前景。

1硬件部分的設計

流量傳感器將檢測到的渦街信號經(jīng)信號調(diào)理后傳送到單片機，讀入捕獲的時間，獲得信號頻率，再根據(jù)儀表參數(shù)，可以計算出瞬時流量值、累積流量值，送到指定的RAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供LCD實時顯示。

11信號處理電路

環(huán)行電路輸出的信號低于mV級，若直接采用此信號，則不能滿足單片機輸入信號要求，因此須要對采集到的信號進行放大處理。具體電路是一個恒流源式雙入單出差動放大電路，這種電路對抑制零點漂移更為有利。傳感器得到的信號中往往夾雜著許多噪聲信號，為了盡可能消除噪聲的干擾以獲得頻率為ω的近似正弦波，設計濾波電路采用的是無限增益多路反饋二階濾波電路，該電路與其他有源二階的過渡帶相比變窄，衰減斜率的值加大，有助于改善ω附近的頻率特性。信號由上述放大濾波電路后，得到的信號并不是理想的方波信號，為了便于單片機計數(shù)，需要對信號進行整形處理。在電路設計中采用施密特觸發(fā)器對信號波形進行整形，整形電路通過施密特觸發(fā)器電路產(chǎn)生方波信號。電路中通過設置可調(diào)電位器的阻值，可以設定門限電壓，將輸入信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸入MSP430F149單片機的P11端口，利用P11端口可以設置為捕獲方式以獲取流量信號頻率。

12鍵盤接口電路

采用獨立式鍵盤來修改流量測試現(xiàn)場的相關參數(shù)值，利用MSP430單片機的I/O端口來設計鍵盤電路。它的6組端口的8個I/O管腳都可以單獨設置成輸入和輸出，P2端口可以單獨設置為中斷或只讀口分別與P20～P24連接。鍵盤由返回鍵、右移鍵、增1鍵、左移鍵、修改鍵組成。當修改鍵有按鍵動作時，觸發(fā)鍵盤中斷，其他按鍵不響應中斷。當進入中斷后，按下其他任意鍵使得對應P2口由100 Ω和1 kΩ 2個電阻對33 V分壓為高電平3 V，彈起鍵時對應P2口為低電平0，以此作為鍵盤掃描判斷。

13顯示電路

采用低功耗點陣式字符液晶顯示器 NOIA5110，此液晶具有低電壓供電方式，可選擇33Vcc和5Vcc的電壓供電。液晶內(nèi)部采用PCD8544，設計為48行84列的圖形顯示，所有的顯示功能集成在1塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗小，正常顯示時的工作電流在200 μA以下，且具有掉電模式。芯片的2、3、4腳同單片機P40、P41、P42相連，使用內(nèi)部振蕩器時令6腳接高電平，8引腳所接電容是起延時作用，由于它影響掉電時屏幕上信息消失速度的快慢，通常選01～100 μF。

14電源電路

該單片機的工作電源一般是18～36 V，并且功耗極低，電池電壓通過W7805轉(zhuǎn)換成+5 V電源。該芯片輸入 5 V，輸出電壓為33 V，電流為800 mA，能滿足大多數(shù)低功耗應用場合的要求。

2系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件包括主程序、各中斷服務子程序。系統(tǒng)開機后進入初始化，分別對MSP430的看門狗和晶振、鍵盤I/O口中斷、定時器A和定時器B初始化。當有中斷觸發(fā)時，由中斷服務子程序完成響應，否則系統(tǒng)一直處于低功耗模式的休眠狀態(tài)[5]。

21鍵盤中斷服務子程序

鍵盤在系統(tǒng)中的作用是根據(jù)不同的情況對相關參數(shù)進行修改，實現(xiàn)人機對話，本系統(tǒng)鍵盤中共采用5個按鍵：key0：返回鍵，key1：右移鍵，key2：增1鍵，key3：左移鍵，key4：修改鍵。鍵盤中斷子程序流程見圖1，由修改鍵觸發(fā)鍵盤中斷，響應中斷后，系統(tǒng)關閉其他的所有中斷，進入系統(tǒng)設置界面。掃描鍵盤是否有鍵按下，如有鍵按下，查詢鍵碼；如果是左移鍵，光標進行左移操作；如果是右移鍵，光標進行右移操作；如果是增加鍵，當前位進行加1操作；如果是返回鍵，保存修改參數(shù)，返回正常顯示頁面，打開所有中斷，中斷返回。

[F（W18][TPYF1tif][F]

22液晶顯示子程序

液晶顯示用來顯示相關信息給用戶，它也是實現(xiàn)人機對話的重要部分。本系統(tǒng)液晶顯示的主要信息是流速、流量、管道直徑、雷諾數(shù)Re、儀表系數(shù)等。首先初始化液晶I/O口和液晶，讀取相關要顯示的數(shù)據(jù)，保存至緩沖區(qū)，并送入液晶顯示，最后中斷返回。

23信號采集與處理程序設計

信號經(jīng)過前置放大后接入P11口，該端口具有定時器A捕獲中斷作用，主要用來捕獲脈沖周期，2個上升沿為1個周期，1個周期有2次捕獲，用N來標志測量的周期次數(shù)，用F0來標志測量是某個周期的第1個上升沿還是第2個上升沿。為保證測量的精確性，捕獲定時器A 10個周期，并對10個周期進行平均。定時器A程序流程如圖2所示。開定時器A捕獲中斷服務程序，查詢捕獲次數(shù)標志F0，如果捕獲標志 F0=1，清空定時器A，并開啟定時器A；如果捕獲標志F0=2，記錄定時器A值，判斷測量周期標志數(shù)N是否為10，不為10，繼續(xù)開啟定時器A，為10，關閉定時器A中斷。定時器B中斷服務程序工作流程是開定時器B中斷服務程序，提取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，定時刷新液晶屏顯示，清空數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，初始化定時器A，開啟定時器A中斷，讓定時器A捕獲脈沖。

[F（W17][TPYF2tif][F]

3結(jié)論

本研究設計了灌溉用的電容式渦街流量測試系統(tǒng)，其中硬件電路包括信號處理電路、微處理器系統(tǒng)接口電路、電源電路；軟件部分由主程序、鍵盤中斷服務子程序、液晶顯示子程序、信號采集與處理程序組成。試驗驗證了該系統(tǒng)設計的正確性和可靠性。該系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、測試精度高的優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)領域具有廣闊的市場應用前景。

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