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dn65渦街流量計在農(nóng)業(yè)灌溉水量測量中的系統(tǒng)分析

dn65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(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長、安裝維護方便、適用于各種介質(zhì)等一系列優(yōu)點,在農(nóng)業(yè)的計量檢測中正在發(fā)揮越來越大的作用,有著廣泛的應(yīng)用前景,因此研究dn65渦街流量計將具有重要的意義。
本研究設(shè)計了灌溉用的電容式渦街流量測試系統(tǒng),該系統(tǒng)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(wù)子程序、液晶顯示子程序、信號采集與處理程序組成。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有低功耗、高精度的特點,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的市場應(yīng)用前景。
1、硬件部分的設(shè)計
流量傳感器將檢測到的渦街信號經(jīng)信號調(diào)理后傳送到單片機,讀入捕獲的時間,獲得信號頻率,再根據(jù)儀表參數(shù),可以計算出瞬時流量值、累積流量值,送到指定的RAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供LCD實時顯示。
11信號處理電路
環(huán)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(shè)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(shù),需要對信號進行整形處理。在電路設(shè)計中采用施密特觸發(fā)器對信號波形進行整形,整形電路通過施密特觸發(fā)器電路產(chǎn)生方波信號。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,將輸入信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號輸入MSP430F149單片機的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頻率。
12鍵盤接口電路
采用獨立式鍵盤來修改流量測試現(xiàn)場的相關(guān)參數(shù)值,利用MSP430單片機的I/O端口來設(shè)計鍵盤電路。它的6組端口的8個I/O管腳都可以單獨設(shè)置成輸入和輸出,P2端口可以單獨設(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)修改鍵有按鍵動作時,觸發(fā)鍵盤中斷,其他按鍵不響應(yīng)中斷。當(dāng)進入中斷后,按下其他任意鍵使得對應(yīng)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(yīng)P2口為低電平0,以此作為鍵盤掃描判斷。
13顯示電路
采用低功耗點陣式字符液晶顯示器 **IA5110,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(nèi)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*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)用場合的要求。
2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計
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(dāng)有中斷觸發(fā)時,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)不同的情況對相關(guān)參數(shù)進行修改,實現(xiàn)人機對話,本系統(tǒng)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(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)進行左移操作;如果是右移鍵,光標(biāo)進行右移操作;如果是增加鍵,當(dāng)前位進行加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。
22液晶顯示子程序
液晶顯示用來顯示相關(guān)信息給用戶,它也是實現(xiàn)人機對話的重要部分。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。*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,*后中斷返回。
23信號采集與處理程序設(shè)計
信號經(jīng)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(biāo)志測量的周期次數(shù),用F0來標(biāo)志測量是某個周期的*1個上升沿還是*2個上升沿。為保證測量的精確性,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(wù)程序,查詢捕獲次數(shù)標(biāo)志F0,如果捕獲標(biāo)志 F0=1,清空定時器A,并開啟定時器A;如果捕獲標(biāo)志F0=2,記錄定時器A值,判斷測量周期標(biāo)志數(shù)N是否為10,不為10,繼續(xù)開啟定時器A,為10,關(guān)閉定時器A中斷。定時器B中斷服務(wù)程序工作流程是開定時器B中斷服務(wù)程序,提取緩沖區(qū)數(shù)據(jù),并進行數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換,定時刷新液晶屏顯示,清空數(shù)據(jù)緩沖區(qū),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(jié)論
本研究設(shè)計了灌溉用的dn65渦街流量計測試系統(tǒng),其中硬件電路包括信號處理電路、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、信號采集與處理程序組成。試驗驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可靠性。該系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、測試精度高的優(yōu)點,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的市場應(yīng)用前景。