面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門的超聲波液位測量系統(tǒng)開發(fā)

毛潭　周幫平　李弘　李嘉曦

【摘 要】介紹了一種面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門的超聲波液位測量系統(tǒng)，由基于STM32的控制及存儲(chǔ)模塊、超聲波收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、溫度補(bǔ)償?shù)饶K組成，并在試驗(yàn)灌區(qū)進(jìn)行了液位測量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：超聲波液位測量系統(tǒng)測量精度高，穩(wěn)定性能好，水質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)，可以滿足灌區(qū)信息化建設(shè)的要求。

【關(guān)鍵詞】超聲波；液位測量系統(tǒng)；計(jì)量閘門；STM32；溫度補(bǔ)償

中圖分類號： TH711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0023-003

Development of Ultrasonic Level Measurement System for Remote Metering Gate

MAO Tan ZHOU Bang-ping LI Hong LI Jia-xi

【Abstract】This paper introduces an ultrasonic level measurement system for remote metering gate，which consists of STM32-based control and storage module， ultrasonic transceiver module， data communication module， temperature compensation module，and the liquid level test was carried out in the test irrigation area.The experimental results show that the ultrasonic level measurement system has high precision， good stability and good water quality， and can meet the requirements of informatization construction in irrigation area.

【Key words】Ultrasonic； Level measurement system； Metering gate； STM32； Temperature compensation

0 引言

遠(yuǎn)程計(jì)量閘門是集遠(yuǎn)程監(jiān)控與聯(lián)動(dòng)、水位和流量測量、閘門控制于一體的現(xiàn)代化水資源動(dòng)態(tài)調(diào)度設(shè)備[1]，也是我國建設(shè)信息化灌區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備[2]。對于提高灌區(qū)水資源的利用效率和節(jié)約用水具有重要作用。遠(yuǎn)程計(jì)量閘門是通過對水位和閘門開度等信息的實(shí)時(shí)測量來實(shí)現(xiàn)閘門的分水控制和流量計(jì)量功能，目前常用投入式液位計(jì)測量閘門上下游的實(shí)時(shí)水位，但投入式液位計(jì)對我國黃河灌區(qū)的泥沙淤積環(huán)境存在測量失靈問題，而現(xiàn)有的非接觸式液位計(jì)存在可集成性差，精度漂移大的缺陷。因此本文面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門的實(shí)際應(yīng)用，開發(fā)具有良好集成性和環(huán)境適應(yīng)性的高精度超聲波液位測量系統(tǒng)，具有重要工程意義。

1 超聲波液位測量系統(tǒng)構(gòu)成

遠(yuǎn)程計(jì)量閘門由安裝于各級渠道上的自動(dòng)計(jì)量閘門集群和運(yùn)行于調(diào)度中心的遠(yuǎn)程調(diào)水控制系統(tǒng)組成[3]。超聲波液位測量系統(tǒng)用于測量閘前和閘后水位，通過Modbus協(xié)議與閘門控制器進(jìn)行通訊。

2 超聲波液位測量系統(tǒng)硬件電路

超聲波液位測量系統(tǒng)主要由硬件電路部分和軟件部分組成。硬件電路主要包括超聲波收發(fā)電路、溫度補(bǔ)償電路、電源電路和串口通訊電路。

2.1 超聲波液位測量收發(fā)電路

超聲波發(fā)射電路主要由三極管Q2（S8050）和中周變壓器組成，頻率為40KHz的PWM波經(jīng)過功率放大從而驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，R3為超聲波收發(fā)一體換能器匹配電阻。

接收回路主要包括放大電路，帶通濾波電路，比較電路和限幅電路。放大電路，帶通濾波電路和比較電路采用TL074四通道運(yùn)放芯片搭建。TL074是一款高性能低功耗高速運(yùn)算放大器，具有低輸入偏置電流和低電平轉(zhuǎn)換速率。低諧波失真和低噪聲使TL074非常適合高保真和音頻前置放大器應(yīng)用?；夭ㄐ盘栂冉?jīng)過電阻R19和二極管D1、D2（1N4148）組成的限幅電路，然后依次經(jīng)過由TL074運(yùn)放芯片搭建的前置放大電路、帶通濾波電路、比較電路，最后由三極管Q1組成的限幅電路將放大后的信號控制在3V3以內(nèi)，經(jīng)PA6傳送給ADC模塊。

2.2 串口通訊電路設(shè)計(jì)

為了便于超聲波液位計(jì)的測試，調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸，在硬件電路中設(shè)計(jì)了RS232接口和RS485接口。RS232選用遵循RS232通訊協(xié)議的MAX3232芯片，芯片的11、12引腳分別與主控芯片的PA9、PA10相連。RS485選用遵循RS485通訊協(xié)議的MAX485芯片，芯片的1、2、4引腳分別連接芯片的PA3、PA1、PA2。其電路原理圖分別如圖4a、4b所示：

2.3 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

由c=331.4+0.607T（T為攝氏溫度）可知溫度對超聲波的傳播速度影響很大，所以為了提高測量精度，加入了溫度補(bǔ)償模塊以減小測量的誤差。DS18B20是單總線數(shù)字式溫度傳感器，具有體積小，電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)，其溫度測量范圍是-55～+125℃ ，在-10～+85 ℃，準(zhǔn)確度為±0.5℃[4]，完全滿足明渠水溫的測量，所以在設(shè)計(jì)中采用DS18B20進(jìn)行溫度測量。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序、超聲波發(fā)射和接收子程序、溫度采集子程序、定時(shí)器中斷子程序、信號處理子程序和串口通訊子程序。系統(tǒng)程序初始化之后先檢測溫感測量的環(huán)境溫度，因?yàn)榄h(huán)境的溫度對超聲波的傳播速度影響很大，為了及時(shí)修正測量數(shù)據(jù)，保證測量的精度，在程序設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮測量環(huán)境溫度。如果檢測不到環(huán)境溫度，程序?qū)?huì)跳出主程序，不執(zhí)行超聲波的發(fā)射和接收子程序。為了進(jìn)一步提高測量精度，減小精度漂移，在接收子程序中加入了軟件濾波功能[5]。由于發(fā)射脈沖數(shù)為16個(gè)，所以在檢測接收回波時(shí)判斷接收的回波個(gè)數(shù)，回波個(gè)數(shù)大于6個(gè)的視之為有效回波。取連續(xù)10個(gè)有效回波，去掉最大值和最小值之后取平均值，得到一次有效的測量距離。這樣就有效的避免了某些偶然因素造成的測量精度漂移大的問題。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

超聲波液位計(jì)的安裝高度為3米，安裝誤差±1mm。用投入式液位計(jì)作為標(biāo)定，其量程為0-3米，標(biāo)定誤差≤1mm，穩(wěn)定性能≤0.2%Fs。兩者的測量數(shù)據(jù)直接在閘門控制器的閘前和閘后水位欄顯示，閘門處于全開度狀態(tài)，閘前和閘后水位相同。常溫下聲波的傳播速度通常取為固定值340m/s[6]，具體的超聲測量數(shù)據(jù)與投入式液位計(jì)的測量數(shù)據(jù)如表1所示，超聲波液位測量實(shí)物圖如圖6所示，現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖7所示：

5 結(jié)束語

面向遠(yuǎn)程計(jì)量閘門開發(fā)的超聲波液位測量系統(tǒng)，具有安裝簡單，接口嵌入方便的優(yōu)點(diǎn)，采用智能環(huán)境補(bǔ)償算法提高了液位計(jì)的精度和測量穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用，該液位測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、測量精度達(dá)到0.3%，滿足我國灌區(qū)信息化建設(shè)測控智能閘門的應(yīng)用需求。

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)圖

表1 超聲波液位計(jì)測量結(jié)果

【參考文獻(xiàn)】

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