智能旋漿式水流流速儀研發(fā)與設(shè)計

趙明雨

(沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

2015年中央一號文件提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價綜合改革，水價改革的前提條件是實現(xiàn)定額供水和按方收費，此項工作中迫切需要配置高精度量水設(shè)備。2016年12月，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長制的意見》，“河長制”工作要求加強(qiáng)水污染防治，其首要任務(wù)就是污水排放量測量，為此，急需增設(shè)流量測算裝置，及時知曉排污流量，防止過渡排放。河流水庫情況調(diào)查是我國水利普查的重點任務(wù)，由于水資源過度開發(fā)，河流萎縮甚至沙化[1]。為適應(yīng)國家信息化建設(shè)，保障水利與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，大力推進(jìn)水利信息化的進(jìn)程是必然的選擇，傳統(tǒng)水流流速儀已經(jīng)不能滿足水利信息化的要求。

為解決這些問題，本文在傳統(tǒng)流速儀和現(xiàn)有自動測算流速儀的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行調(diào)查、設(shè)計、研發(fā)和測試。最終，設(shè)計研制出一種使用STM32F103高性能單片機(jī)的智能化旋漿水流流速儀。該設(shè)備在核心頻率上已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)的旋漿式流速儀，并且采用了32位的Cortex-M3處理器，提高了計算速度與精度，具備定位功能，且可以通過藍(lán)牙技術(shù)，將所測得的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和儲存。

1 基于STM32F103的流速儀系統(tǒng)

1.1 流速儀測流原理

流速儀是流量測驗的基本儀器，而其中的轉(zhuǎn)子流速儀是水文測驗中的常規(guī)測速儀[2]。本流速儀屬于轉(zhuǎn)子式流速儀，水流傳感器為旋漿元件，水流沖擊旋漿轉(zhuǎn)動。根據(jù)水流對旋漿沖擊力的大小，旋漿在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的次數(shù)不同。流速儀旋漿元件的旋漿轉(zhuǎn)動速率與水流速度在有效范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系式：

(1)

式中，K—水力螺距值；N—旋漿元件在某次測流過程中發(fā)出的信號個數(shù)；T—某次測流過程中所經(jīng)歷的時間；C—流速儀的水流修正系數(shù)。

關(guān)于K、C值的確定根據(jù)SL/T150—1995《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法》和GB/T21699—2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準(zhǔn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)來確定[3]。具體步驟為：首先將旋漿流速儀流速傳感器元件的漿葉與主體分開，然后單獨用游標(biāo)卡尺等手段測量漿葉機(jī)械螺距H，同時漿葉模型用直線明槽設(shè)備和方法在靜水條件下檢定K值，即在軌道車上安裝漿葉，在靜水中牽引測量，建立K=f(H)關(guān)系式。

在實際的河流流量測量中，測點流速一般不等于截面平均流速，河道的截面積也不是規(guī)則的矩形或梯形，用一個測點的流速取代整個河道截面的平均流速直接計算時誤差很大。通過部分平均流速與部分面積相乘，可得部分流量?？偭髁靠捎檬?2)計算得出：

Q=v1f1+v2f2++vnfn=q1+q2++qn=∑qi

(2)

式中，vi—部分平均流速；fi—部分面積；qi—部分流量；Q—截面總流量。

1.2 總體結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)有的便攜式流速儀手簿中使用的大多數(shù)是STC公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)，51系列單片機(jī)核心頻率低、內(nèi)部RAM和ROM容量小，結(jié)構(gòu)的設(shè)計陳舊，計算速度偏低。本文敘述的流速儀手簿首次采用了STM32F103系列的高性能單片機(jī)(以下簡稱STM32單片機(jī))，其使用的Cortex-M332位處理器核心頻率為72MHz，程序儲存容量為256kB，內(nèi)置RTC模塊時鐘走時精確，且在外接電池后可以在掉電時維持始終繼續(xù)走時，待機(jī)功耗和運行功耗低，適合電池供電的環(huán)境使用，足以滿足當(dāng)前流速儀對信號捕捉精度和計算精度的要求。STM32單片機(jī)串

口較多，以便增設(shè)GPS模塊、藍(lán)牙模塊和鍵盤。

本文敘述的智能流速儀由流速傳感器及便攜式手簿構(gòu)成。其中手簿以STM32單片機(jī)為核心，鍵盤為輸入設(shè)備，流速傳感器為信息采集元件，GPS模塊獲取定位信息，藍(lán)牙模塊與外部通訊，這些模塊和元件集成在一塊電路板上，構(gòu)成了一套基于單片機(jī)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備，足以滿足當(dāng)前行業(yè)需求。流速儀系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 便攜式手簿功能設(shè)計

2.1 流速儀GPS定位功能

本文敘述的流速儀的定位功能是通過安裝與STM32單片機(jī)連接的GPS模塊實現(xiàn)的[4],如圖2所示。在本流速儀設(shè)備初始上電時，GPS模塊開始通過天線接收衛(wèi)星信號。為了更快地搜索衛(wèi)星信號和獲取更多的衛(wèi)星信號，本流速儀的GPS模塊使用的是帶有放大功能的陶瓷天線，把無線電信號放大再送到GPS模塊中進(jìn)行信號的處理。當(dāng)GPS模塊獲得足夠的衛(wèi)星信號后，即獲得測量工作點的經(jīng)度緯度信息、時間日期、海拔數(shù)值。日期和時間通過GPS獲取，設(shè)備不用再手動設(shè)置時間，且GPS模塊獲取到的是衛(wèi)星時間準(zhǔn)確性相當(dāng)可靠。GPS模塊通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，通過串口把獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)在每次測量結(jié)束后把測流得到的結(jié)果與GPS模塊獲得的定位信息和時間日期整合在一起通過無線傳輸功能發(fā)送給與之配對的帶有藍(lán)牙功能的智能終端。

圖1 流速儀設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖2 GPS模塊電路原理圖

2.2 流速儀無線傳輸功能

本文敘述的流速儀有無線通訊的能力，是設(shè)備智能化的一個重要的功能，不會把數(shù)據(jù)局限于測量手簿中，還可以通過與單片機(jī)連接的藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸[5]。在本流速儀初始上電時，藍(lán)牙模塊會處于可以被搜索的狀態(tài)，指示燈閃爍，這時可以打開將要與本流速儀連接的上位機(jī)的藍(lán)牙搜索功能，會搜索到一個BT-04設(shè)備，選擇連接并且輸入預(yù)設(shè)的密碼即可完成連接。上位機(jī)可以是方便攜帶的手機(jī)，也可以是便攜式筆記本，上位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自報，接收和發(fā)送三種功能。

在工作過程中本流速儀的手簿中每結(jié)束一次測量，單片機(jī)會發(fā)出發(fā)送信息的指令給藍(lán)牙模塊，并包含一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包括流速V(m/s)、流量Q(m3/s)、經(jīng)緯度和通過GPS模塊獲得的衛(wèi)星時間。發(fā)送信息指令指示藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)包信息發(fā)送到事先與流速儀配對的上位機(jī)上。智能設(shè)備的接收畫面如圖3所示(圖中J表示經(jīng)度，W表示緯度)。

圖3 上位機(jī)設(shè)備接收信息界面

2.3 鍵盤及LCD顯示屏

鍵盤模塊采用的是薄膜鍵盤，薄膜鍵盤由兩層0.25mm厚的PET、PC等材料構(gòu)成，每層材料的表面都有用導(dǎo)電銀漿繪制出的電路圖。鍵盤由數(shù)字鍵和功能鍵組成，排列成4×4矩陣形式，僅需要8個引腳即可完成連接。在每個按鍵處都有一個點，兩層電路相對安放，當(dāng)按鍵時兩點接觸，線路閉合。再在表面印刷出按鍵的功能，以便于識別；背面貼膠粘貼在儀器面板上。

手簿顯示屏采用LCD12864液晶屏，通過串口與STM32單片機(jī)連接，占用8個引腳，此種方法雖然占用STM32單片機(jī)引腳較多，但可以保證LCD12864液晶屏的刷新頻率，不至于出現(xiàn)顯示不清或者出現(xiàn)數(shù)字變化滯后的現(xiàn)象。

3 流速傳感器功能設(shè)計

3.1 流速傳感器工作原理

本流速儀采用的流速傳感器主要由圓柱形永久磁石和干簧管組成，干簧管內(nèi)部由兩個磁化的彈性鋼片組成，兩個鋼片相距僅幾個微米，并且閉合時的觸電鍍金處理，封裝的玻璃管內(nèi)填充惰性氣體保護(hù)觸點防止氧化。流速傳感器信號部分工作原理如圖4所示。

圖4 流速傳感器信號部分工作原理

流速傳感器主要工作是把水流對旋漿的沖擊力大小即水流流速大小轉(zhuǎn)化成通斷的高電平模擬信號，以便于單片機(jī)對傳感器信號的采集。

3.2 傳感器信號濾波與去抖

由于干簧管是兩個機(jī)械的觸點，當(dāng)機(jī)械觸點斷開、閉合時，由于機(jī)械觸點的彈性作用產(chǎn)生抖動。即使兩個觸點已經(jīng)鍍金，但也不能徹底解決干簧管信號抖動的問題。在將要閉合未閉合和將要斷開未斷開的臨界狀態(tài)下會產(chǎn)生前沿抖動和后沿抖動，造成模糊的信號，影響單片機(jī)對信號的捕捉。為確保CPU對干簧管的一次閉合僅作一次處理，必須去除抖動。干簧管抖動波形如圖5所示。

圖5 干簧管抖動波形示意圖

對于流速傳感器的信號捕捉，本流速儀采用了軟件和硬件相結(jié)合的去抖方式。軟件去抖使用C語言編程實現(xiàn)去抖：

ucharkeyscan(void)

{

staticcharkey_state=0;

staticcharkey_value=0;

ucharkey_press，key_return=0;

key_press=turn_left&turn_right; //讀干簧管I/O電平

switch(key_state)

{

case0: //干簧管初始態(tài)

if(key_press==0)key_state=1;//干簧管斷開，但需要確認(rèn)是否是干擾

break;

case1://干簧管確認(rèn)態(tài)

if(key_press==0)//如有干簧管閉合則不是干擾

{

if(turn_left==0)

key_value=1;

elseif(turn_right==0)

key_value=2;

elsekey_value=0;

key_state=2;//狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)

}

elsekey_state=0;//干簧管已斷開，屬于干擾，轉(zhuǎn)換到按鍵初始態(tài)

break;

case2:

if(key_press==1)

{

key_return=key_value;//干簧管斷開后再輸出鍵值

key_value=0;

key_state=0;//如果干簧管斷開，轉(zhuǎn)換到初始態(tài)

}break;

}returnkey_return;//返回鍵值

當(dāng)檢測到干簧管斷開后，再給5～10ms的延時，待后沿抖動消失后才能轉(zhuǎn)入該信號的處理程序。本文的流速儀利用switch()結(jié)構(gòu)，設(shè)計了以上程序，以上程序是無延時的軟件去抖，避免了延時去抖產(chǎn)生對儀器精度的影響。

硬件去抖的方式主要通過對信號進(jìn)行濾波處理來完成。在研究過程中發(fā)現(xiàn)利用電容的充放電特性來對抖動過程中產(chǎn)生的電壓毛刺進(jìn)行平滑處理，從而實現(xiàn)去抖，但在實際應(yīng)用過程中效果并不理想；由于本文的流速儀只捕捉一個獨立的信號，可以使用RS觸發(fā)器進(jìn)行硬件去抖，如圖6所示。

圖6 RS觸發(fā)器硬件去抖

圖6中的兩個與非門構(gòu)成一個RS觸發(fā)器。當(dāng)干簧管未閉合時，輸出為1；當(dāng)干簧管閉合時，輸出為0。此時即使使用干簧管的機(jī)械性能，使干簧管因彈性抖動而產(chǎn)生瞬時斷開(抖動跳開B)，中要干簧管不返回原始狀態(tài)A，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變，輸出保持為0，不會產(chǎn)生抖動的波形。即使B點的電壓波形是抖動的，但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后，其輸出仍然為正規(guī)的矩形波[6]。

4 實踐應(yīng)用

河流的流速、水深等量測的準(zhǔn)確性直接影響流量的精度。所以，流速、水深的量測工作是十分關(guān)鍵的[7]。為了檢驗本儀器的使用效果，在河北省石家莊市石津灌區(qū)進(jìn)行了測流應(yīng)用。分別使用傳統(tǒng)的旋漿式流速儀與本流速儀對石津渠流速、流量進(jìn)行測驗，對比兩種儀器測量結(jié)果。通過對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在起點距和水深相同的條件下測得的數(shù)據(jù)，本流速儀測算的流量和流速數(shù)據(jù)更加趨于平均值，更加穩(wěn)定。

同時，本設(shè)計已經(jīng)廣泛應(yīng)用在沈陽市渾北灌區(qū)、渾浦灌區(qū)的水文流速測量工作中。

5 結(jié)語

本文提出了一種新型的旋漿式流速儀，該儀器使用信息化技術(shù)，具備實時定位功能、數(shù)據(jù)無線傳輸與存儲功能，將流速、流量信息與地理信息捆綁存儲。只需要一個操作就可以進(jìn)行測量工作，不必攜帶過多的設(shè)備以保存和分析測量結(jié)果，使得水文測量工作更加便捷。同時，儀器在滿足進(jìn)度要求的基礎(chǔ)上提高了測算速度，節(jié)省了制造和操作成本[8]。儀器需經(jīng)過進(jìn)一步的檢定，以便進(jìn)行量化生產(chǎn)及使用。