袁芳　江偉

摘要：灌溉水量的流量測(cè)試是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了提高流量測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度，對(duì)電容式渦街流量測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了電容式渦街流量測(cè)試系統(tǒng)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(hào)調(diào)理電路、以低功耗微處理器MSP430F149單片機(jī)為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(fā)了電容式渦街流量測(cè)試系統(tǒng)的軟件部分，包括監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、鍵盤中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)、液晶顯示子程序組成的人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)、信號(hào)采集與處理程序設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電容式渦街流量信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)能夠精確地實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的測(cè)試與處理，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：灌溉；電容式；渦街；流量測(cè)試系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP274；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0437-02

電容式渦街流量計(jì)具有精度高、量程比較寬、線性度較好、壓力損失小、性能可靠、測(cè)量元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便、適用于各種介質(zhì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)的計(jì)量檢測(cè)中正在發(fā)揮越來越大的作用，有著廣泛的應(yīng)用前景，因此研究電容式渦街流量計(jì)將具有重要的意義[1-4]。

本研究設(shè)計(jì)了灌溉用的電容式渦街流量測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件電路包括信號(hào)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(wù)子程序、液晶顯示子程序、信號(hào)采集與處理程序組成。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有低功耗、高精度的特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1硬件部分的設(shè)計(jì)

流量傳感器將檢測(cè)到的渦街信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后傳送到單片機(jī)，讀入捕獲的時(shí)間，獲得信號(hào)頻率，再根據(jù)儀表參數(shù)，可以計(jì)算出瞬時(shí)流量值、累積流量值，送到指定的RAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供LCD實(shí)時(shí)顯示。

11信號(hào)處理電路

環(huán)行電路輸出的信號(hào)低于mV級(jí)，若直接采用此信號(hào)，則不能滿足單片機(jī)輸入信號(hào)要求，因此須要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大處理。具體電路是一個(gè)恒流源式雙入單出差動(dòng)放大電路，這種電路對(duì)抑制零點(diǎn)漂移更為有利。傳感器得到的信號(hào)中往往夾雜著許多噪聲信號(hào)，為了盡可能消除噪聲的干擾以獲得頻率為ω的近似正弦波，設(shè)計(jì)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(hào)由上述放大濾波電路后，得到的信號(hào)并不是理想的方波信號(hào)，為了便于單片機(jī)計(jì)數(shù)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形處理。在電路設(shè)計(jì)中采用施密特觸發(fā)器對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行整形，整形電路通過施密特觸發(fā)器電路產(chǎn)生方波信號(hào)。電路中通過設(shè)置可調(diào)電位器的阻值，可以設(shè)定門限電壓，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸入MSP430F149單片機(jī)的P11端口，利用P11端口可以設(shè)置為捕獲方式以獲取流量信號(hào)頻率。

12鍵盤接口電路

采用獨(dú)立式鍵盤來修改流量測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)參數(shù)值，利用MSP430單片機(jī)的I/O端口來設(shè)計(jì)鍵盤電路。它的6組端口的8個(gè)I/O管腳都可以單獨(dú)設(shè)置成輸入和輸出，P2端口可以單獨(dú)設(shè)置為中斷或只讀口分別與P20～P24連接。鍵盤由返回鍵、右移鍵、增1鍵、左移鍵、修改鍵組成。當(dāng)修改鍵有按鍵動(dòng)作時(shí)，觸發(fā)鍵盤中斷，其他按鍵不響應(yīng)中斷。當(dāng)進(jìn)入中斷后，按下其他任意鍵使得對(duì)應(yīng)P2口由100 Ω和1 kΩ 2個(gè)電阻對(duì)33 V分壓為高電平3 V，彈起鍵時(shí)對(duì)應(yīng)P2口為低電平0，以此作為鍵盤掃描判斷。

13顯示電路

采用低功耗點(diǎn)陣式字符液晶顯示器 NOIA5110，此液晶具有低電壓供電方式，可選擇33Vcc和5Vcc的電壓供電。液晶內(nèi)部采用PCD8544，設(shè)計(jì)為48行84列的圖形顯示，所有的顯示功能集成在1塊芯片上，包括LCD電壓及偏置電壓發(fā)生器，只需很少外部元件且功耗小，正常顯示時(shí)的工作電流在200 μA以下，且具有掉電模式。芯片的2、3、4腳同單片機(jī)P40、P41、P42相連，使用內(nèi)部振蕩器時(shí)令6腳接高電平，8引腳所接電容是起延時(shí)作用，由于它影響掉電時(shí)屏幕上信息消失速度的快慢，通常選01～100 μF。

14電源電路

該單片機(jī)的工作電源一般是18～36 V，并且功耗極低，電池電壓通過W7805轉(zhuǎn)換成+5 V電源。該芯片輸入 5 V，輸出電壓為33 V，電流為800 mA，能滿足大多數(shù)低功耗應(yīng)用場(chǎng)合的要求。

2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括主程序、各中斷服務(wù)子程序。系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)入初始化，分別對(duì)MSP430的看門狗和晶振、鍵盤I/O口中斷、定時(shí)器A和定時(shí)器B初始化。當(dāng)有中斷觸發(fā)時(shí)，由中斷服務(wù)子程序完成響應(yīng)，否則系統(tǒng)一直處于低功耗模式的休眠狀態(tài)[5]。

21鍵盤中斷服務(wù)子程序

鍵盤在系統(tǒng)中的作用是根據(jù)不同的情況對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，本系統(tǒng)鍵盤中共采用5個(gè)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(fā)鍵盤中斷，響應(yīng)中斷后，系統(tǒng)關(guān)閉其他的所有中斷，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)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(biāo)進(jìn)行左移操作；如果是右移鍵，光標(biāo)進(jìn)行右移操作；如果是增加鍵，當(dāng)前位進(jìn)行加1操作；如果是返回鍵，保存修改參數(shù)，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(guān)信息給用戶，它也是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的重要部分。本系統(tǒng)液晶顯示的主要信息是流速、流量、管道直徑、雷諾數(shù)Re、儀表系數(shù)等。首先初始化液晶I/O口和液晶，讀取相關(guān)要顯示的數(shù)據(jù)，保存至緩沖區(qū)，并送入液晶顯示，最后中斷返回。

23信號(hào)采集與處理程序設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)過前置放大后接入P11口，該端口具有定時(shí)器A捕獲中斷作用，主要用來捕獲脈沖周期，2個(gè)上升沿為1個(gè)周期，1個(gè)周期有2次捕獲，用N來標(biāo)志測(cè)量的周期次數(shù)，用F0來標(biāo)志測(cè)量是某個(gè)周期的第1個(gè)上升沿還是第2個(gè)上升沿。為保證測(cè)量的精確性，捕獲定時(shí)器A 10個(gè)周期，并對(duì)10個(gè)周期進(jìn)行平均。定時(shí)器A程序流程如圖2所示。開定時(shí)器A捕獲中斷服務(wù)程序，查詢捕獲次數(shù)標(biāo)志F0，如果捕獲標(biāo)志 F0=1，清空定時(shí)器A，并開啟定時(shí)器A；如果捕獲標(biāo)志F0=2，記錄定時(shí)器A值，判斷測(cè)量周期標(biāo)志數(shù)N是否為10，不為10，繼續(xù)開啟定時(shí)器A，為10，關(guān)閉定時(shí)器A中斷。定時(shí)器B中斷服務(wù)程序工作流程是開定時(shí)器B中斷服務(wù)程序，提取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，定時(shí)刷新液晶屏顯示，清空數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，初始化定時(shí)器A，開啟定時(shí)器A中斷，讓定時(shí)器A捕獲脈沖。

[F（W17][TPYF2tif][F]

3結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了灌溉用的電容式渦街流量測(cè)試系統(tǒng)，其中硬件電路包括信號(hào)處理電路、微處理器系統(tǒng)接口電路、電源電路；軟件部分由主程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、液晶顯示子程序、信號(hào)采集與處理程序組成。試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。該系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)試精度高的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

[HS2][HT85H]參考文獻(xiàn)：[HT8SS][HJ18mm]

[1][（#]趙永科，李躍忠，胡開明 超聲波流量計(jì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)與高速切換電路研究[J] 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（2：198-200

[2]管小明，李躍忠，王曉娟 基于MC34063的便攜式儀器電源電路設(shè)計(jì)[J] 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（1：97-100

[3]李躍忠，朱星華，吳偉偉 檢測(cè)儀表中的數(shù)據(jù)融合方法[J] 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31（1：89-92

[4]葛遠(yuǎn)香，胡開明 基于MATLAB和Dsp Builder的電網(wǎng)信號(hào)FIR濾波器設(shè)計(jì)[J] 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，33（2：197-200

[5]湯劍，李昌禧，李躍忠 基于MSP430的超低功耗電容式渦街流量計(jì)[J] 自動(dòng)化與儀表，2007，22（1：21-23[HJ][FL]