便攜式多功能量水儀的研制

需要說(shuō)明的是，儀器還具有簡(jiǎn)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(chǎng)，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(wú)控制命令，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、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(wèn)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(cè)量精度。

3。1數(shù)字調(diào)零和增益自校正

儀器在測(cè)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(cè)量時(shí)，設(shè)選通Y0輸入端時(shí)，儀器測(cè)得V/F計(jì)數(shù)值為X0，選通Y1輸入端時(shí)，測(cè)得計(jì)數(shù)值為X1，設(shè)測(cè)得傳感器信號(hào)輸入的計(jì)數(shù)值為Xi，則每次測(cè)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(wú)關(guān)，不僅可提高儀器的測(cè)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(cè)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(cè)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(guò)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(lái)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)信號(hào)通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(yǔ)

該儀器功能較全，攜帶方便，供電簡(jiǎn)單。系統(tǒng)已留出部分硬件資源，以備將來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的功能（如構(gòu)成主從式渠系運(yùn)行監(jiān)測(cè)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(cè)量，有著較高的實(shí)用推廣價(jià)值。