LSX-1智能流速测算仪

    摘要：介绍了水文测量中流速测量的现状、意义、及原理，针对水文测量工作需要论述了仪器设计的关键技术及硬件电路组成，对仪器的软件设计、技术指标及应用情况都分别作了介绍。

    关键词：单片机 流速测量

概述

在我国的江、河水文测验工作中，流量测验是最主要、最基本的工作之一，是国家防汛抗旱、防止水源污梁的耳目。目前在江河的过水流量测验中其测量方法大都是采用机械转子流速仪测量水的流速，再根据所测的过水断面面积计算出流量来。而在流速的测量方法上大部分是采用几十年来一直使用的传统方法：转子流速仪接上讯响器（或电铃）人工计数、计时、再手工计算出流速。不仅时效低而且在大洪水期间由于存在风雨声、水浪声，极容易造成成人为误差。

为解决测量流速时的计数问题，国内一些厂家先后研制出了多种电子计数器，经不同的用户试用后，都没有得到推广应用，其主要原因有两个：一是不适应机械转子流速仪的特性，不能正确去除接触丝的抖动现象，产生错误计数信号；二时对水体漏电阻的考虑不够全面，从而影响计数信号的正确性。LSX-1流速测量仪就是针对目前流速测量的现状，研制开发出的抗干扰能力强，能适应不同类型的转子流速仪、稳定可靠且有计时、计数、计算处理、显示等功能于一体的流速测算仪器。

测量原理

根据转子流速仪的特性，机械转子流速仪的计算公式为：

v=K·N/T+C=K·na/T+C（米/秒）

式中：N=na,为在测量时间T内转子流速仪的总转数，n为信号数，a为每信号的转数；K、C、a对每一个流速仪都为一固定常数。

根据流速仪的计量公式，设计仪器使其能正确测量出流速仪的转数N（即信号数）和相应时间T，并计算出流速输出即可。LSX-1型智能流速测算仪的测量原理如框图1所示。

关键技术

去抖动电路

转子流速仪在测量水流速度时，每转过一定的圈数后其内部的机械触点（金属接触丝与金属触点）接通一次，在接通与断开时表现如图2所示波形，即在将要接通和将要断开时产生抖动现象，而这些 抖动现象是一切机械接触传感器所无法避免的。在测量时若是人工秒表计数，测量人员可以判断真伪，但若是采用高灵敏的电子计数器，就将产生错误计数，因此设计电路时必须将干扰信号消除掉。消除方法是采用滤波电路，这就要求选择合适的时间常数，常数值大，滤波时间长，但当流速较大时，信号脉冲本身就较窄，易丢失信号。反之若时间常数小，在低流速时，达不到滤波的目的计数器所难以推广应用的关键问题。而本测算仪采用单片机作处理器，软件设计智能化，完全可以进行高、低流速的自动识别，以确定选择合适的参数进行滤波，即采用硬件和软件的结合滤波来消除抖动现象，保证正确计数。

信号丢失问题

水中某点的流速在一定时间内变化不会太大，若因流速仪机械触点的接触电阻发生突变使信号发生丢丢现象时，如图3所示在信号3与信号5之间丢失了信号4，单片机CPU可根据相邻信号的时间差判断是否丢信号，若发生信号丢失可进行自动插补，以进一步保证正确计数、准确测速。

硬件电路组成

根据流速测量原理及水文测验规范的要求，智能流速测算仪的硬件电路框图如图4所示。

单片机控制系数

以美国ATMEL公司的AT89C51单片机为核心控制元件（CPU），该器件内部有8×4KB字节的EEPROM，使得流速测算仪整个工作软件能被固化在CPU芯片内部。选用6MHz的时钟振荡频率，保证内部的高精度计时。显示驱动芯片采用ICM7211，并用4位半LCD液晶大屏幕显示器作为测量结果的输出显示器件；该部分电路还包括流速仪系数、常数测速参数的输入电路。在输出电路中还设计有与PC机通讯的标准RS-232接口电路，以及声音提示、光指示电路等。

流速仪信号处理电路

为了得到正确的流速仪信号，提高仪器的可靠性，在流速仪输入信号之后设置有信号电平转换电路、信号整形电路、消除流速仪机械触点抖动现象的去抖动电路。配合软件有效消除干扰信号，保证所测记的流速仪信号正确无误。

低功耗设计

为了使仪器体积小、功耗低、便于携带，在电路设计时，所选择器件全部采用CMOS低功耗器件，不但降低了整机功耗，而且提高了抗干扰能力，也增强了仪器的可靠性。

软件设计

根据流速测量工作需要，流速测算仪的整个软件主要包括：主程序、时钟中断（计时）子程序、流速信号中断（计数）子程序、信号处理（去抖动、抗干扰）子程序、计算子程序、显示子程序、通讯子程序等模块、显示子程序、通讯子程序等模块。主程序如图5所示，源程序用MCS-51汇编语言编写。在信号处理子程序中，一方面要滤除掉干扰信号；另一方面，还要精确记录每一信号的接通时间及相邻信号之间断开的时间，以便CPU正确判断处理真实信号与干扰信号。限于篇幅，其源程序及其它子程序框图不再给出。

技术指标

流速测算仪主要技术指标如下：

测速范围：满足各种转子流速仪测速范围，本仪器最大可测19.999m/s，最小0.001m/s；

测量误差：计时小于0.5ms，计数为0；

流速计算误差：小于0.001m/s；

使用环境温度：-5～+45℃；

仪器功耗：小于0.12W（6V，最大20mA）；

电源：DC6V（4节1号电池）。

本仪器从98年样机研制完成后，现已小批量生产并成功地应用于黄河上的干、支流水文站，分别用在吊箱上、缆道上、测船上进行水流速度的测量。在应用中通过与人工比测后得出：该仪器测量携带方便，操作使用简单，性能稳定可靠，体积小功耗低，测算准确，能满足实际生产需要，得到了用户好评。