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電容式渦街流量計在農業灌溉水量測量中的系統分析
  随着节能环保要求不断提高以及国家产业政策的调整,现代化科学农业生产对于科技的应用持续增加,农业生产的效率的提高,其根本动力已经与现代农业科技密不可分,其中农业灌溉是现代农业急需攻克的难题,伴随着水资源的消耗增加,水资源的污染改善不明显,灌溉用水的利用的提高成为制约农业发展的关键性因素。本文就农业灌溉中的用水流量控制与计量测试系统如何选用电容式渦街流量計做一个简要介绍。
       灌溉水量的流量测试是现代农业的关键技术之一,为了提高流量测试系统的测试精度,对电容式涡街流量测试系统进行了研究,设计了电容式渦街流量計測試系統的二次儀表硬件電路部分,其中包括由前置放大電路、濾波電路、整形電路組成的信號調理電路、以低功耗微處理器MSP430F149單片機爲核心的按鍵接口電路、LCD顯示接口電路以及二次儀表供電電路。此外,開發了電容式渦街流量測試系統的軟件部分,包括監控系統程序設計、鍵盤中斷服務子程序設計、液晶顯示子程序組成的人機界面程序設計、信號采集與處理程序設計。試驗結果表明,該電容式渦街流量信號測試系統能夠*地實現流量信號的測試與處理,在農業生産中有廣泛的實用價值。
渦街流量計
电容式渦街流量計具有精度高、量程比较宽、线性度较好、压力损失小、性能可靠、测量元件结构简单、使用寿命长、安装维护方便、适用于各种介质等一系列优点,在农业的计量检测中正在发挥越来越大的作用,有着广泛的应用前景,因此研究电容式渦街流量計将具有重要的意义[1-4]。
本研究設計了灌溉用的電容式渦街流量測試系統,該系統的硬件電路包括信號處理電路、接口電路、供電電路,軟件部分由主程序、鍵盤中斷服務子程序、液晶顯示子程序、信號采集與處理程序組成。測試結果表明,該系統具有低功耗、高精度的特點,在農業領域具有廣闊的市場應用前景。
  1硬件部分的設計 
  流量傳感器將檢測到的渦街信號經信號調理後傳送到單片機,讀入捕獲的時間,獲得信號頻率,再根據儀表參數,可以計算出瞬時流量值、累積流量值,送到指定的RAM數據緩沖區供LCD實時顯示。
  11信號處理電路
  環行電路輸出的信號低于mV級,若直接采用此信號,則不能滿足單片機輸入信號要求,因此須要對采集到的信號進行放大處理。具體電路是一個恒流源式雙入單出差動放大電路,這種電路對抑制零點漂移更爲有利。傳感器得到的信號中往往夾雜著許多噪聲信號,爲了盡可能消除噪聲的幹擾以獲得頻率爲ω的近似正弦波,設計濾波電路采用的是無限增益多路反饋二階濾波電路,該電路與其他有源二階的過渡帶相比變窄,衰減斜率的值加大,有助于改善ω附近的頻率特性。信號由上述放大濾波電路後,得到的信號並不是理想的方波信號,爲了便于單片機計數,需要對信號進行整形處理。在電路設計中采用施密特觸發器對信號波形進行整形,整形電路通過施密特觸發器電路産生方波信號。電路中通過設置可調電位器的阻值,可以設定門限電壓,將輸入信號轉換成脈沖信號輸入MSP430F149單片機的P11端口,利用P11端口可以設置爲捕獲方式以獲取流量信號頻率。
  12鍵盤接口電路
  采用独立式键盘来修改流量测试现场的相关参数值,利用MSP430单片机的I/O端口来设计键盘电路。它的6组端口的8个I/O管脚都可以单独设置成输入和输出,P2端口可以单独设置为中断或只读口分别与P20~P24连接。键盘由返回键、右移键、增1键、左移键、修改键组成。当修改键有按键动作时,触发键盘中断,其他按键不响应中断。当进入中断后,按下其他任意键使得对应P2口由100 Ω和1 kΩ 2个电阻对33 V分压为高电平3 V,弹起键时对应P2口为低电平0,以此作为键盘扫描判断。
  13顯示電路
  采用低功耗点阵式字符液晶显示器 NOIA5110,此液晶具有低电压供电方式,可选择33Vcc和5Vcc的电压供电。液晶内部采用PCD8544,设计为48行84列的图形显示,所有的显示功能集成在1块芯片上,包括LCD电压及偏置电压发生器,只需很少外部元件且功耗小,正常显示时的工作电流在200 μA以下,且具有掉电模式。芯片的2、3、4脚同单片机P40、P41、P42相连,使用内部振荡器时令6脚接高电平,8引脚所接电容是起延时作用,由于它影响掉电时屏幕上信息消失速度的快慢,通常选01~100 μF。
  14電源電路
该单片机的工作电源一般是18~36 V,并且功耗极低,电池电压通过W7805转换成+5 V电源。该芯片输入 5 V,输出电压为33 V,电流为800 mA,能满足大多数低功耗应用场合的要求。
  2系統的軟件設計 
  系統的軟件包括主程序、各中斷服務子程序。系統開機後進入初始化,分別對MSP430的看門狗和晶振、鍵盤I/O口中斷、定時器A和定時器B初始化。當有中斷觸發時,由中斷服務子程序完成響應,否則系統一直處于低功耗模式的休眠狀態[5]。
  21鍵盤中斷服務子程序
  鍵盤在系統中的作用是根據不同的情況對相關參數進行修改,實現人機對話,本系統鍵盤中共采用5個按鍵:key0:返回鍵,key1:右移鍵,key2:增1鍵,key3:左移鍵,key4:修改鍵。鍵盤中斷子程序流程見圖1,由修改鍵觸發鍵盤中斷,響應中斷後,系統關閉其他的所有中斷,進入系統設置界面。掃描鍵盤是否有鍵按下,如有鍵按下,查詢鍵碼;如果是左移鍵,光標進行左移操作;如果是右移鍵,光標進行右移操作;如果是增加鍵,當前位進行加1操作;如果是返回鍵,保存修改參數,返回正常顯示頁面,打開所有中斷,中斷返回。
  [F(W18][TPYF1tif][F]
  22液晶顯示子程序
  液晶顯示用來顯示相關信息給用戶,它也是實現人機對話的重要部分。本系統液晶顯示的主要信息是流速、流量、管道直徑、雷諾數Re、儀表系數等。首先初始化液晶I/O口和液晶,讀取相關要顯示的數據,保存至緩沖區,並送入液晶顯示,後中斷返回。
  23信號采集與處理程序設計
  信号经过前置放大后接入P11口,该端口具有定时器A捕获中断作用,主要用来捕获脉冲周期,2个上升沿为1个周期,1个周期有2次捕获,用N来标志测量的周期次数,用F0来标志测量是某个周期的第1个上升沿还是第2个上升沿。为保证测量的*性,捕获定时器A 10个周期,并对10个周期进行平均。定时器A程序流程如图2所示。开定时器A捕获中断服务程序,查询捕获次数标志F0,如果捕获标志 F0=1,清空定时器A,并开启定时器A;如果捕获标志F0=2,记录定时器A值,判断测量周期标志数N是否为10,不为10,继续开启定时器A,为10,关闭定时器A中断。定时器B中断服务程序工作流程是开定时器B中断服务程序,提取缓冲区数据,并进行数据处理与转换,定时刷新液晶屏显示,清空数据缓冲区,初始化定时器A,开启定时器A中断,让定时器A捕获脉冲。
  3結論 
  本研究设计了灌溉用的电容式渦街流量計测试系统,其中硬件电路包括信号处理电路、微处理器系统接口电路、电源电路;软件部分由主程序、键盘中断服务子程序、液晶显示子程序、信号采集与处理程序组成。试验验证了该系统设计的正确性和可靠性。该系统还具有结构简单、价格低廉、测试精度高的优点,在农业领域具有广阔的市场应用前景。
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