目前普遍使用的量水儀（或水位儀），要么功能單一（或功能較少），在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需要額外的輔助設(shè)備；要么功能較全，但體積較大，不方便攜帶，功耗也較大，供電設(shè)備還要額外配置。基于單片機(jī)開發(fā)的各種量水儀，以其成本低、方便實(shí)用、精確而被廣泛應(yīng)用在水利工程中。為此，筆者結(jié)合實(shí)際的需要，開發(fā)研制了一種基于AT89C51單片機(jī)的便攜式多功能量水儀。該儀器功能集中，不僅能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)調(diào)理，而且還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、報(bào)表打印、密碼及K/N參數(shù)的設(shè)置以及掉電保護(hù)等多種功能。更為突出的是，該儀器能與多種液位傳感器直接接口，攜帶方便，供電簡單，功耗比較低。

1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由AT89C51單片機(jī)、增益調(diào)節(jié)電路、LM331V/F轉(zhuǎn)換器、81C55I/O口擴(kuò)展器、兩片ICM7211四位液晶顯示器、CD4051八選一模擬開關(guān)、CD4052雙四選一模擬開關(guān)、4′4薄膜觸鍵及六位液晶顯示器LCD等組成，其框圖如圖1所示。

1。1信號(hào)增益調(diào)節(jié)電路

增益信號(hào)是由程序控制的，它根據(jù)待測量信號(hào)幅值的大小來改變放大器增益，以使不同幅值范圍的輸入信號(hào)都能放大到A/D精確轉(zhuǎn)換所需的幅值范圍。本儀器設(shè)計(jì)的輸入量程為0~5V，分辨率是1。0mV。為了保證測量精度的一致性，設(shè)計(jì)了以一片CD4051八選一模擬開關(guān)、若干高精密電阻和一個(gè)低功耗運(yùn)算放大器OP07等組成程控增益放大電路。鑒于實(shí)際場合中常用的液位傳感器輸出滿量程電壓一般為60mV、200mV、2V、5V等幾種，故設(shè)計(jì)了0~5V的量程，具體電路組成如圖2所示。其中N1、N2組成同相關(guān)聯(lián)差動(dòng)放大器，N3為電壓跟隨器，主要用來抑制共模信號(hào)，N4是輸出差動(dòng)放大器，整個(gè)電路的增益可通過改變權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)R0~R7來調(diào)節(jié)。

1。2信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換電路

為了適應(yīng)便攜式儀表電池供電、功耗低等特點(diǎn)，采用了功耗低、高精度、供電簡單的V/F轉(zhuǎn)換芯片LM331組成電壓-頻率（10V-100kHz）的A/D轉(zhuǎn)換電路，其輸出頻率與輸入電壓的關(guān)系為

通過AT89C51的T0計(jì)數(shù)器（其中T1作定時(shí)器用）計(jì)算出fOUT，從而得到輸入Vin，進(jìn)而算出水位值Hi（Hi~Vin），具體如圖3所示。

在該電路中，電阻R16為80kW±10%，它主要是使LM331的輸入端7腳產(chǎn)生偏流，以抵消6腳偏流的影響，從而減少頻率偏差。R39和可調(diào)電位器RW3的作用是調(diào)整LM331的增益偏差和由R23、R25及C6引起的偏差。當(dāng)6腳、7腳的RC時(shí)間常數(shù)匹配時(shí)，輸入電壓的階躍變化將會(huì)引起輸出頻率的階躍變化，如果C8比C9小得多，那么輸入電壓的階躍變化可能會(huì)使輸出頻率瞬間停止。6腳的47W電阻R23和1。0mF電容器C9并聯(lián)用以產(chǎn)生滯后效應(yīng)，使V/F轉(zhuǎn)換獲得良好的線性度。

1。3低功耗設(shè)計(jì)

該儀器全部芯片均選用CMOS低功耗芯片，其余外圍電路采用了低功耗設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了4×4觸摸薄膜鍵盤及六位LCD液晶顯示器作為人—機(jī)接口。在軟件設(shè)計(jì)上，整個(gè)系統(tǒng)采用了等待和掉電工作的節(jié)電運(yùn)行機(jī)制，功耗較低。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)的指揮中心，由它來配合控制完成各種預(yù)定功能。為了充分發(fā)揮AT89C51優(yōu)越的性能價(jià)格比，在設(shè)計(jì)上盡量做到硬件“軟化”，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)得到簡化。系統(tǒng)軟件采用MCS-51匯編語言編寫，采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)那些偶發(fā)事件采用中斷方式處理。

2。1系統(tǒng)的軟件算法

在明渠量水建筑物中，較為典型的是巴歇爾水槽。在自由流情況下，巴歇爾水槽的水位H和流量Q關(guān)系是簡單的二值函數(shù)。利用回歸分析技術(shù)，可以求出H～Q流量經(jīng)驗(yàn)公式。為了便于分析和應(yīng)用，我們?cè)谒?shí)驗(yàn)中主要是針對(duì)自由流情況的，從而得到大量的H～Q曲線數(shù)據(jù)組。

巴歇爾水槽在自由流時(shí)的流量公式為

Q=K·HN（2）

式中，Q為流量（m3/s），K、N為流量系數(shù)，H為上游水頭高（m）。由于流量經(jīng)驗(yàn)公式是指數(shù)型函數(shù)，故先對(duì)巴歇爾槽流量公式兩邊取對(duì)數(shù)，得

lnQ=lnK+N·lnH（3）

設(shè)y=lnQ；a=lnK；b=N；x=lnH

式（3）可寫成

y=a+b·x（4）

然后，利用實(shí)測的大量獨(dú)立（H，Q）數(shù)據(jù)，求出回歸系數(shù)a、b的最小二乘估計(jì)量（亦即為a、b的無偏估計(jì)量），從而得到回歸函數(shù)的估計(jì)

（5）

由y=a+b·x+ε，ε~N（0，δ2），可知y隨x變化趨勢(shì)的大小主要受參數(shù)b的影響，故建立如下假設(shè)檢驗(yàn)：

H0：b=0；H1：b≠0（6）

用以檢驗(yàn)線性回歸效果的顯著性水平。符合實(shí)際要求后，則得到流量系數(shù)K、N的估計(jì)值。有了流量經(jīng)驗(yàn)公式，系統(tǒng)就可根據(jù)所測的水位H值來計(jì)算出流量值Q。

2。2系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

主程序主要用于系統(tǒng)的控制和管理。系統(tǒng)加電后，AT89C51自動(dòng)上電復(fù)位，開始運(yùn)行主程序，主程序框圖見圖4所示。系統(tǒng)首先顯示“0-××××”，表示系統(tǒng)在進(jìn)行自檢和自校零工作。此時(shí)要求操作員不斷地調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，直到校零達(dá)到精度要求時(shí)為止，然后按回車鍵表示校零完成（理想情況下顯示為“0。00000”）。接著顯示“1-××××”，表示系統(tǒng)在進(jìn)行滿度校正工作。同樣，操作員需要不斷地調(diào)節(jié)滿度電位器，直到滿度校正達(dá)到精度要求時(shí)為止，然后按回車鍵表示滿度校正完成（理想情況下顯示為“5。00000”）。接著系統(tǒng)依次顯示“L”、“E”等提示符號(hào)，要求操作員輸入流量系數(shù)K、N值。當(dāng)輸入正確后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化T0、T1。一切處理完畢后，系統(tǒng)開始正常的運(yùn)作過程，并進(jìn)入待機(jī)低功耗工作狀態(tài)。[!--empirenews.page--]

需要說明的是，儀器還具有簡單的密碼設(shè)置功能。當(dāng)設(shè)置密碼后，要進(jìn)行流量系數(shù)修改時(shí)，必須首先輸入正確的密碼，否則系統(tǒng)不予以響應(yīng)。這樣能在一定程度上保證流量系數(shù)K、N的安全性。

2。3中斷采集服務(wù)程序

系統(tǒng)在此環(huán)節(jié)完成V/F信號(hào)采集、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、流量計(jì)算及顯示水位H、流量Q等參數(shù)。其中K/N、W（總流量）參數(shù)顯示采用了復(fù)用鍵，由軟件設(shè)計(jì)的奇偶次切換決定。一般情況下，系統(tǒng)自動(dòng)循環(huán)地顯示H-Q值。

該模塊在運(yùn)行時(shí)，首先保護(hù)現(xiàn)場，進(jìn)行初始化設(shè)置，啟動(dòng)T0定時(shí)器（T0的定時(shí)時(shí)間為100ms，時(shí)間常數(shù)為3CB0H）和T1計(jì)數(shù)器，由T1記錄V/F轉(zhuǎn)換輸出的脈沖數(shù)。然后，系統(tǒng)連續(xù)采樣10次，利用數(shù)字濾波技術(shù)得出當(dāng)前的有效采樣值。接著，判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)進(jìn)行了自校正，若沒有，則先進(jìn)行系統(tǒng)的自校正；若已完成了自校正工作，則繼續(xù)后續(xù)程序塊，計(jì)算水位H、流量Q、總流量W值。最后根據(jù)控制命令顯示這些參數(shù)，調(diào)用功能鍵處理模塊，巡查有無控制命令，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回。

此外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了串行口通信程序，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，上傳H、Q、K、N、W等參數(shù)值及接受上位機(jī)對(duì)參數(shù)的修改和控制。

3量水儀的精度問題

該儀器充分利用了AT89C51具有高性價(jià)比的特點(diǎn)，在不增加硬件資源的前提下，盡量做到硬件“軟化”，提高了儀器的測量精度。

3。1數(shù)字調(diào)零和增益自校正

儀器在測量前首先進(jìn)行自校正工作，即依次選通差動(dòng)輸入接口芯片CD4052的Y0、Y1輸入端口（其中Y0端接地，Y1端接標(biāo)準(zhǔn)+5V電源），然后調(diào)節(jié)相應(yīng)的微調(diào)器使儀器自校正達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在正式測量時(shí)，設(shè)選通Y0輸入端時(shí)，儀器測得V/F計(jì)數(shù)值為X0，選通Y1輸入端時(shí)，測得計(jì)數(shù)值為X1，設(shè)測得傳感器信號(hào)輸入的計(jì)數(shù)值為Xi，則每次測量的計(jì)算公式為

Hi=（Xi－X0）/（X1－X0）*Hst（7）

式中Hst為標(biāo)準(zhǔn)5V時(shí)的水位值。

這樣，Hi與放大器的漂移及增益誤差無關(guān)，不僅可提高儀器的測量精度，還可降低對(duì)器件精度的要求。

3。2采用模糊量程檔位

程控量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換是由信號(hào)放大增益檔位的選擇實(shí)現(xiàn)的，這里采用了增益步進(jìn)法，即將增益由小到大逐步提高，直至選擇最佳的放大倍數(shù)。但是，由于器件轉(zhuǎn)換靈敏度的局限性，測量有時(shí)會(huì)不夠準(zhǔn)確（尤其是在量程檔位臨界區(qū)），從而導(dǎo)致量程選擇出現(xiàn)錯(cuò)誤，甚至進(jìn)入換檔死循環(huán)?？紤]到這一點(diǎn)，我們?cè)谙噜弮蓚€(gè)量程臨界區(qū)設(shè)置±5%量程選擇模糊區(qū)，當(dāng)測量的輸入值落入量程模糊區(qū)時(shí)，則不改變放大器的當(dāng)前增益。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，采取模糊量程區(qū)能有效地防止放大器的增益來回跳動(dòng)現(xiàn)象。

3。3數(shù)據(jù)放大處理

在硬件上做到使測量精度達(dá)到均一化的同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)上也進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)“放大”處理。在計(jì)算Hi值過程中，先將數(shù)據(jù)“放大”，精度提高到0。1mm。然后進(jìn)行二進(jìn)制乘運(yùn)算，最后再統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，從而避免精度較低的直接二進(jìn)制除運(yùn)算。程序運(yùn)算中采用了三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)及四字節(jié)BCD碼浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行流量計(jì)算，補(bǔ)償修正后輸出顯示，使儀器的測量精度達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后四位。

3。4信號(hào)隔離處理

對(duì)檢測信號(hào)通過LM331進(jìn)行了硬件上的信號(hào)隔離；輸入環(huán)節(jié)上增加濾波電容及輸入保護(hù)電路。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)遵循“一點(diǎn)接地”的原則，減少系統(tǒng)因電環(huán)路形成的干擾。

3。5可靠性設(shè)計(jì)

在軟件上進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，在每個(gè)模塊后和程序PROM的空白區(qū)加了軟件陷阱。并在一些重要的跳轉(zhuǎn)指令之間進(jìn)行軟件冗余設(shè)計(jì)。此外，還設(shè)計(jì)了溢出報(bào)警，避免顯示錯(cuò)誤的信息。表1的一組數(shù)據(jù)是采用本儀器測出的實(shí)際流量Q和理論計(jì)算流量Q的比較，其中流量系數(shù)K=2。3215、N=2。2406。Q值理論計(jì)算為

Q=K*exp{N*lnH}(8)

表1實(shí)測流量與理論計(jì)算流量之比較

從表1可以分析出，采用此儀器測量出的流量Q與理論計(jì)算出的流量Q之間的誤差小于0。5%，已滿足了實(shí)際應(yīng)用的精度需求。

4結(jié)束語

該儀器功能較全，攜帶方便，供電簡單。系統(tǒng)已留出部分硬件資源，以備將來擴(kuò)展系統(tǒng)的功能（如構(gòu)成主從式渠系運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)）。若進(jìn)一步改進(jìn)，該儀器能有效地應(yīng)用于水利工程或其它類似工程中，以實(shí)現(xiàn)快速、靈活的參數(shù)測量，有著較高的實(shí)用推廣價(jià)值。