基于超聲多層時(shí)差的灌區(qū)水量測(cè)控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷橋江 王登鑫 張育斌 喬麗萍

摘 要 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國(guó)占有十分重要的地位，而農(nóng)業(yè)用水中以灌溉用水為主，但灌溉效率低和灌溉水浪費(fèi)問(wèn)題普遍存在。針對(duì)我國(guó)對(duì)建設(shè)灌溉用水系統(tǒng)存在基礎(chǔ)信息缺乏、使用的技術(shù)不先進(jìn);使用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有限、穩(wěn)定性低;沒(méi)有形成系統(tǒng)的思維，硬件投入大，輕視軟件系統(tǒng)的建設(shè)的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)基于多層超聲波和時(shí)差法的渠道測(cè)量方案，實(shí)現(xiàn)水體的流速測(cè)量，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，通過(guò)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。

關(guān)鍵詞 磁致伸縮 多層時(shí)差法 超聲波技術(shù) STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN964 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）03-0005-02

1 前言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國(guó)占有十分重要的地位，而農(nóng)業(yè)用水中以灌溉用水為主，但灌溉效率低和灌溉水浪費(fèi)問(wèn)題普遍存在。因此，無(wú)論是林業(yè)還是農(nóng)業(yè)，從水資源缺乏和節(jié)省能源的角度出發(fā)，節(jié)水灌溉都是目前研究、開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。發(fā)展和推廣節(jié)水灌溉設(shè)備對(duì)緩解我國(guó)水資源危機(jī)具有重要的作用。

針對(duì)我國(guó)對(duì)建設(shè)灌溉用水系統(tǒng)存在基礎(chǔ)信息缺乏、使用的技術(shù)不先進(jìn);使用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有限、穩(wěn)定性低;沒(méi)有形成系統(tǒng)的思維，硬件投入大，輕視軟件系統(tǒng)的建設(shè);整個(gè)系統(tǒng)的綜合集成能力差等問(wèn)題。因此，在我國(guó)灌區(qū)水情監(jiān)測(cè)中引入先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用遠(yuǎn)程信息傳播手段，開(kāi)發(fā)通用灌溉用水計(jì)量管理軟件，開(kāi)發(fā)適宜灌區(qū)環(huán)境的水量監(jiān)測(cè)設(shè)備，建立信息化的灌區(qū)水情監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)很有必要。本文充分實(shí)現(xiàn)水體的流速測(cè)量，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，通過(guò)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.對(duì)渠道進(jìn)行多層聲道測(cè)速，測(cè)量精度高，可測(cè)量正、反兩個(gè)方向的流量和流速[1];同時(shí)時(shí)差法測(cè)流，不受水體流態(tài)、渦流、回流等影響，適應(yīng)各種渠道，適應(yīng)各種流速條件。

2.一體化全防水設(shè)計(jì)，嵌入式安裝，無(wú)阻流，無(wú)水頭損失，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單方便，可用于槽堰式或其他方式明渠流量計(jì)的標(biāo)定設(shè)備，利于推廣應(yīng)用。

3 控制及數(shù)據(jù)處理單元

1.采用STM32F103C8T6處理芯片，是一款基于ARMC ortex-M3內(nèi)核（ARM公司在ARM11以后改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，M系列有M0、M0+、M3、M4、M7）的32位的微控制器，其程序存儲(chǔ)器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB，2個(gè)12bit，ADC總合計(jì)12路通道，37個(gè)通用I/O口，4個(gè)16bit定時(shí)器，其工作電壓的范圍為2V～3.6V，環(huán)境的工作溫度為-40°C～85°C，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可到72MHz[2]。其內(nèi)部集成里很多的功能模塊，電路結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單了很多，同時(shí)大大的縮小的外形的尺寸降低了成本。

2.與51單片機(jī)相比，STM32F103C8T6處理芯片的地址空間可通過(guò)外擴(kuò)之后可以高達(dá)4GB，在一般的情況下不需要外擴(kuò)這么多儲(chǔ)存地址單元，只要外擴(kuò)1GB即可夠用了。此外51單片機(jī)的ROM儲(chǔ)存只有在2K—64K之間，RAM也僅僅128B—1K;而STM32F103C8T6的ROM的儲(chǔ)存有高達(dá)20K—1MB，RAM有8K-256K，外設(shè)：傳統(tǒng)的51單片機(jī)只有三個(gè)定時(shí)器與一個(gè)串口通訊，但是在STM32F103C8T6的身上卻是擁有著DA、AD、TINER、WWDG、IWDG、CRC、MDA、IIC、SPI、USART等外設(shè)功能[3]。在開(kāi)發(fā)的操作軟件上，在早期的51單片機(jī)上是采用了UV2軟件，而STM32使用的則是UV4或UV5，甚至是更高的版本UV軟件來(lái)編寫代碼程序。由此綜合了以上的優(yōu)點(diǎn)，選擇STM32F103C8T6是最佳的選擇。

4 驅(qū)動(dòng)控制電路圖設(shè)計(jì)

采用3輸出3輸入的電路原理圖開(kāi)頭的IR2104是半橋驅(qū)動(dòng)器，也就是開(kāi)關(guān)芯片，開(kāi)關(guān)的間隔150-580納秒，也是非常的迅速的[4]。其中的MOS采用了IR7843，這是N通道的增強(qiáng)型MOS管，其中的對(duì)應(yīng)角分別是DGS，主要的工作原理也應(yīng)當(dāng)是首先當(dāng)VGS的電壓大于VDS時(shí)，D-S之間的載流子會(huì)不斷減少，當(dāng)其載流子界面產(chǎn)生負(fù)的界面會(huì)導(dǎo)致IDS導(dǎo)通，從而VGS的電壓大小可以控制通過(guò)MOS管的IDS的大小。兩個(gè)電容起到濾波的作用，采用半橋驅(qū)動(dòng)的方法可達(dá)到電路穩(wěn)定且抗干擾強(qiáng)，輸出的效率高等優(yōu)點(diǎn)。

5 通訊模塊的選取

選用的是基于合宙Air724系列高性價(jià)比的Cat14GDTU通訊模塊。該模塊支持移動(dòng)、電信、聯(lián)通全網(wǎng)通4G;同時(shí)支持USB、3.3VTTL電平串口（UART）、RS485的通訊方式，該模塊可支持二次開(kāi)發(fā)，可以在基于騰訊云、阿里云、華為云等諸多的服務(wù)器通過(guò)MQTT通訊協(xié)議上做二次開(kāi)發(fā)，且二次開(kāi)發(fā)的成本低，開(kāi)發(fā)的起來(lái)容易。在體積上尺寸合適，方便使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令固件、DTU透?jìng)鞴碳蚅ua二次開(kāi)發(fā)，支持TCP/UDP/HTTP、NTP/HTTPS/PING/MQTT等協(xié)議，更方便的集成到自己的設(shè)備控制系統(tǒng)中（控制結(jié)構(gòu)圖1如所示）。

獲取時(shí)差代碼：

floatHcsr04GetLength（void）//獲取時(shí)間差值

{

u32t=0;

inti=0;

floatlengthTemp=0;

floatsum=0;

while（i！=5）

{

TRIG_Send=1;//發(fā)送口高電平輸出

Delay_Us（20）;

TRIG_Send=0;

while（ECHO_Reci==0）;//等待接收口高電平輸出

OpenTimerForHc（）;//打開(kāi)定時(shí)器

i=i+1;

while（ECHO_Reci==1）;

CloseTimerForHc（）;//關(guān)閉定時(shí)器

t=GetEchoTimer（）;//獲取時(shí)間，分辨率為1US

lengthTemp=（（float）t/58.0）;//cm

sum=lengthTemp+sum;

}

lengthTemp=sum/5.0;

returnlengthTemp;

}

floatUltrasonicWave_Measure（void）

{

while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_10）==1）;//echo為高電平時(shí)，則等待至低電平，才啟動(dòng)超聲波

UltrasonicWave_StartMeasure（）;//啟動(dòng)超聲波while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_10）==0）;//等待echo的高

電平到來(lái)TIM_SetCounter（TIM2，0）;//清零計(jì)數(shù)器TIM_Cmd（TI

M2，ENABLE）;//使能定時(shí)器2，開(kāi)始計(jì)數(shù)while（GPIO_ReadInp

utDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_10）==1）;//等待echo的高電平結(jié)

束TIM_Cmd（TIM52，DISABLE）;//失能定時(shí)器2，截止計(jì)數(shù)retu rn（TIM_GetCounter（TIM2））/1000000*340/2*100;//此處單位轉(zhuǎn)換為cm

}

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)渠道水位流量信息為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于多層超聲波和時(shí)差法的渠道測(cè)量方案，設(shè)計(jì)基于太陽(yáng)能的無(wú)線傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，借助太陽(yáng)能供電可節(jié)約能源，設(shè)備和系統(tǒng)可提高了斷面平均流速的準(zhǔn)確度和水量的準(zhǔn)確性，提高灌區(qū)有效系數(shù)監(jiān)測(cè)精度，解決了目前灌區(qū)水流量監(jiān)測(cè)精度低和安裝易破壞的問(wèn)題，為科學(xué)、精確的確定灌溉用水決策提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙靖宇，梅杰，謝代梁，曹松曉，徐志鵬，徐雅，劉鐵軍.基于PIC的磁致伸縮位置傳感器研究[J].中國(guó)測(cè)試，2020， 46（12）：33-38.

[2] 李曉云.古浪縣黃花灘灌區(qū)水量計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)方案選比[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020（09）：58-59.

[3] 劉鴻濤，于明舟，龍昱帆，趙瑞娟，屈忠義.灌區(qū)水量計(jì)量的方法與應(yīng)用[J].東北水利水電，2019，37（09）：21-24，59，72.

[4] 林俊.灌區(qū)渠系水量計(jì)量及監(jiān)測(cè)控制一體化研究[D].華南理工大學(xué)，2017.