便攜式多功能量水儀的研制

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），在實際應(yīng)用時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。基于單片機開發(fā)的各種量水儀，以其成本低、方便實用、精確而被廣泛應(yīng)用在水利工程中。為此，筆者結(jié)合實際的需要，開發(fā)研制了一種基于AT89C51單片機的便攜式多功能量水儀。該儀器功能集中，不僅能實現(xiàn)信號的自動調(diào)理，而且還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、報表打印、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

系統(tǒng)的硬件主要由AT89C51單片機、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信號增益調(diào)節(jié)電路

增益信號是由程序控制的，它根據(jù)待測量信號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)計了以一片CD4051八選一模擬開關(guān)、若干高精密電阻和一個低功耗運算放大器OP07等組成程控增益放大電路。鑒于實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)差動放大器，N3為電壓跟隨器，主要用來抑制共模信號，N4是輸出差動放大器，整個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，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計數(shù)器（其中T1作定時器用）計算出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時間常數(shù)匹配時，輸入電壓的階躍變化將會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

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，并設(shè)計了4×4觸摸薄膜鍵盤及六位LCD液晶顯示器作為人—機接口。在軟件設(shè)計上，整個系統(tǒng)采用了等待和掉電工作的節(jié)電運行機制，功耗較低。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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)越的性能價格比，在設(shè)計上盡量做到硬件“軟化”，使系統(tǒng)硬件設(shè)計得到簡化。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。為增強系統(tǒng)的實時性，對那些偶發(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)驗公式。為了便于分析和應(yīng)用，我們在水工實驗中主要是針對自由流情況的，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)驗公式是指數(shù)型函數(shù)，故先對巴歇爾槽流量公式兩邊取對數(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，利用實測的大量獨立（H，Q）數(shù)據(jù)，求出回歸系數(shù)a、b的最小二乘估計量（亦即為a、b的無偏估計量），從而得到回歸函數(shù)的估計

（5）

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

H0：b=0；H1：b≠0（6）

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

2。2系統(tǒng)的主程序設(shè)計

主程序主要用于系統(tǒng)的控制和管理。系統(tǒng)加電后，AT89C51自動上電復(fù)位，開始運行主程序，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，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)開始正常的運作過程，并進(jìn)入待機低功耗工作狀態(tài)。