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        電容式智能型渦街流量計在農業灌溉水量測量中
        瀏覽: 發布日期:2020-05-08
        電容式智能型渦街流量計在農業灌溉水量測量中的系統分析
          隨著節能環保要求不斷提高以及國家產業政策的調整,現代化科學農業生產對于科技的應用持續增加,農業生產的效率的提高,其根本動力已經與現代農業科技密不可分,其中農業灌溉是現代農業急需攻克的難題,伴隨著水資源的消耗增加,水資源的污染改善不明顯,灌溉用水的利用的提高成為制約農業發展的關鍵性因素。本文就農業灌溉中的用水流量控制與計量測試系統如何選用電容式渦街流量計做一個簡要介紹。
               灌溉水量的流量測試是現代農業的關鍵技術之一,為了提高流量測試系統的測試精度,對電容式渦街流量測試系統進行了研究,設計了電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,在農業生產中有廣泛的實用價值。
        渦街流量計
        電容式渦街流量計具有精度高、量程比較寬、線性度較好、壓力損失小、性能可靠、測量元件結構簡單、使用壽命長、安裝維護方便、適用于各種介質等一系列優點,在農業的計量檢測中正在發揮越來越大的作用,有著廣泛的應用前景,因此研究電容式渦街流量計將具有重要的意義[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后傳送到單片機,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為有利。傳感器得到的信號中往往夾雜著許多噪聲信號,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后,得到的信號并不是理想的方波信號,為了便于單片機計數,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產生方波信號。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端口可以設置為捕獲方式以獲取流量信號頻率。
          12鍵盤接口電路
          采用獨立式鍵盤來修改流量測試現場的相關參數值,利用MSP430單片機的I/O端口來設計鍵盤電路。它的6組端口的8個I/O管腳都可以單獨設置成輸入和輸出,P2端口可以單獨設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。當修改鍵有按鍵動作時,觸發鍵盤中斷,其他按鍵不響應中斷。當進入中斷后,按下其他任意鍵使得對應P2口由100 Ω和1 kΩ 2個電阻對33 V分壓為高電平3 V,彈起鍵時對應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。液晶內部采用PCD8544,設計為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電壓及偏置電壓發生器,只需很少外部元件且功耗小,正常顯示時的工作電流在200 μA以下,且具有掉電模式。芯片的2、3、4腳同單片機P40、P41、P42相連,使用內部振蕩器時令6腳接高電平,8引腳所接電容是起延時作用,由于它影響掉電時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,能滿足大多數低功耗應用場合的要求。
          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。系統開機后進入初始化,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,響應中斷后,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,并送入液晶顯示,后中斷返回。
          23信號采集與處理程序設計
          信號經過前置放大后接入P11口,該端口具有定時器A捕獲中斷作用,主要用來捕獲脈沖周期,2個上升沿為1個周期,1個周期有2次捕獲,用N來標志測量的周期次數,用F0來標志測量是某個周期的第1個上升沿還是第2個上升沿。為保證測量的*性,捕獲定時器A 10個周期,并對10個周期進行平均。定時器A程序流程如圖2所示。開定時器A捕獲中斷服務程序,查詢捕獲次數標志F0,如果捕獲標志 F0=1,清空定時器A,并開啟定時器A;如果捕獲標志F0=2,記錄定時器A值,判斷測量周期標志數N是否為10,不為10,繼續開啟定時器A,為10,關閉定時器A中斷。定時器B中斷服務程序工作流程是開定時器B中斷服務程序,提取緩沖區數據,并進行數據處理與轉換,定時刷新液晶屏顯示,清空數據緩沖區,初始化定時器A,開啟定時器A中斷,讓定時器A捕獲脈沖。
          3結論 
          本研究設計了灌溉用的電容式渦街流量計測試系統,其中硬件電路包括信號處理電路、微處理器系統接口電路、電源電路;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。試驗驗證了該系統設計的正確性和可靠性。該系統還具有結構簡單、價格低廉、測試精度高的優點,在農業領域具有廣闊的市場應用前景。

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