趙明雨

(沈陽(yáng)工學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

2015年中央一號(hào)文件提出推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革，水價(jià)改革的前提條件是實(shí)現(xiàn)定額供水和按方收費(fèi)，此項(xiàng)工作中迫切需要配置高精度量水設(shè)備。2016年12月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見》，“河長(zhǎng)制”工作要求加強(qiáng)水污染防治，其首要任務(wù)就是污水排放量測(cè)量，為此，急需增設(shè)流量測(cè)算裝置，及時(shí)知曉排污流量，防止過(guò)渡排放。河流水庫(kù)情況調(diào)查是我國(guó)水利普查的重點(diǎn)任務(wù)，由于水資源過(guò)度開發(fā)，河流萎縮甚至沙化[1]。為適應(yīng)國(guó)家信息化建設(shè)，保障水利與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng)，大力推進(jìn)水利信息化的進(jìn)程是必然的選擇，傳統(tǒng)水流流速儀已經(jīng)不能滿足水利信息化的要求。

為解決這些問題，本文在傳統(tǒng)流速儀和現(xiàn)有自動(dòng)測(cè)算流速儀的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行調(diào)查、設(shè)計(jì)、研發(fā)和測(cè)試。最終，設(shè)計(jì)研制出一種使用STM32F103高性能單片機(jī)的智能化旋漿水流流速儀。該設(shè)備在核心頻率上已經(jīng)遙遙領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)的旋漿式流速儀，并且采用了32位的Cortex-M3處理器，提高了計(jì)算速度與精度，具備定位功能，且可以通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)，將所測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存。

1 基于STM32F103的流速儀系統(tǒng)

1.1 流速儀測(cè)流原理

流速儀是流量測(cè)驗(yàn)的基本儀器，而其中的轉(zhuǎn)子流速儀是水文測(cè)驗(yàn)中的常規(guī)測(cè)速儀[2]。本流速儀屬于轉(zhuǎn)子式流速儀，水流傳感器為旋漿元件，水流沖擊旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)水流對(duì)旋漿沖擊力的大小，旋漿在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)不同。流速儀旋漿元件的旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)速率與水流速度在有效范圍內(nèi)滿足線性關(guān)系式：

(1)

式中，K—水力螺距值；N—旋漿元件在某次測(cè)流過(guò)程中發(fā)出的信號(hào)個(gè)數(shù)；T—某次測(cè)流過(guò)程中所經(jīng)歷的時(shí)間；C—流速儀的水流修正系數(shù)。

關(guān)于K、C值的確定根據(jù)SL/T150—1995《直線明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法》和GB/T21699—2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準(zhǔn)方法》的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定[3]。具體步驟為：首先將旋漿流速儀流速傳感器元件的漿葉與主體分開，然后單獨(dú)用游標(biāo)卡尺等手段測(cè)量漿葉機(jī)械螺距H，同時(shí)漿葉模型用直線明槽設(shè)備和方法在靜水條件下檢定K值，即在軌道車上安裝漿葉，在靜水中牽引測(cè)量，建立K=f(H)關(guān)系式。

在實(shí)際的河流流量測(cè)量中，測(cè)點(diǎn)流速一般不等于截面平均流速，河道的截面積也不是規(guī)則的矩形或梯形，用一個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速取代整個(gè)河道截面的平均流速直接計(jì)算時(shí)誤差很大。通過(guò)部分平均流速與部分面積相乘，可得部分流量?？偭髁靠捎檬?2)計(jì)算得出：

Q=v1f1+v2f2++vnfn=q1+q2++qn=∑qi

(2)

式中，vi—部分平均流速；fi—部分面積；qi—部分流量；Q—截面總流量。

1.2 總體結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)有的便攜式流速儀手簿中使用的大多數(shù)是STC公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)，51系列單片機(jī)核心頻率低、內(nèi)部RAM和ROM容量小，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)陳舊，計(jì)算速度偏低。本文敘述的流速儀手簿首次采用了STM32F103系列的高性能單片機(jī)(以下簡(jiǎn)稱STM32單片機(jī))，其使用的Cortex-M332位處理器核心頻率為72MHz，程序儲(chǔ)存容量為256kB，內(nèi)置RTC模塊時(shí)鐘走時(shí)精確，且在外接電池后可以在掉電時(shí)維持始終繼續(xù)走時(shí)，待機(jī)功耗和運(yùn)行功耗低，適合電池供電的環(huán)境使用，足以滿足當(dāng)前流速儀對(duì)信號(hào)捕捉精度和計(jì)算精度的要求。STM32單片機(jī)串

口較多，以便增設(shè)GPS模塊、藍(lán)牙模塊和鍵盤。

本文敘述的智能流速儀由流速傳感器及便攜式手簿構(gòu)成。其中手簿以STM32單片機(jī)為核心，鍵盤為輸入設(shè)備，流速傳感器為信息采集元件，GPS模塊獲取定位信息，藍(lán)牙模塊與外部通訊，這些模塊和元件集成在一塊電路板上，構(gòu)成了一套基于單片機(jī)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備，足以滿足當(dāng)前行業(yè)需求。流速儀系統(tǒng)組成如圖1所示。

2 便攜式手簿功能設(shè)計(jì)

2.1 流速儀GPS定位功能

本文敘述的流速儀的定位功能是通過(guò)安裝與STM32單片機(jī)連接的GPS模塊實(shí)現(xiàn)的[4],如圖2所示。在本流速儀設(shè)備初始上電時(shí)，GPS模塊開始通過(guò)天線接收衛(wèi)星信號(hào)。為了更快地搜索衛(wèi)星信號(hào)和獲取更多的衛(wèi)星信號(hào)，本流速儀的GPS模塊使用的是帶有放大功能的陶瓷天線，把無(wú)線電信號(hào)放大再送到GPS模塊中進(jìn)行信號(hào)的處理。當(dāng)GPS模塊獲得足夠的衛(wèi)星信號(hào)后，即獲得測(cè)量工作點(diǎn)的經(jīng)度緯度信息、時(shí)間日期、海拔數(shù)值。日期和時(shí)間通過(guò)GPS獲取，設(shè)備不用再手動(dòng)設(shè)置時(shí)間，且GPS模塊獲取到的是衛(wèi)星時(shí)間準(zhǔn)確性相當(dāng)可靠。GPS模塊通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)串口把獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)在每次測(cè)量結(jié)束后把測(cè)流得到的結(jié)果與GPS模塊獲得的定位信息和時(shí)間日期整合在一起通過(guò)無(wú)線傳輸功能發(fā)送給與之配對(duì)的帶有藍(lán)牙功能的智能終端。

圖1 流速儀設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖2 GPS模塊電路原理圖

2.2 流速儀無(wú)線傳輸功能

本文敘述的流速儀有無(wú)線通訊的能力，是設(shè)備智能化的一個(gè)重要的功能，不會(huì)把數(shù)據(jù)局限于測(cè)量手簿中，還可以通過(guò)與單片機(jī)連接的藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[5]。在本流速儀初始上電時(shí)，藍(lán)牙模塊會(huì)處于可以被搜索的狀態(tài)，指示燈閃爍，這時(shí)可以打開將要與本流速儀連接的上位機(jī)的藍(lán)牙搜索功能，會(huì)搜索到一個(gè)BT-04設(shè)備，選擇連接并且輸入預(yù)設(shè)的密碼即可完成連接。上位機(jī)可以是方便攜帶的手機(jī)，也可以是便攜式筆記本，上位機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自報(bào)，接收和發(fā)送三種功能。

在工作過(guò)程中本流速儀的手簿中每結(jié)束一次測(cè)量，單片機(jī)會(huì)發(fā)出發(fā)送信息的指令給藍(lán)牙模塊，并包含一個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包中包括流速V(m/s)、流量Q(m3/s)、經(jīng)緯度和通過(guò)GPS模塊獲得的衛(wèi)星時(shí)間。發(fā)送信息指令指示藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)包信息發(fā)送到事先與流速儀配對(duì)的上位機(jī)上。智能設(shè)備的接收畫面如圖3所示(圖中J表示經(jīng)度，W表示緯度)。

圖3 上位機(jī)設(shè)備接收信息界面

2.3 鍵盤及LCD顯示屏

鍵盤模塊采用的是薄膜鍵盤，薄膜鍵盤由兩層0.25mm厚的PET、PC等材料構(gòu)成，每層材料的表面都有用導(dǎo)電銀漿繪制出的電路圖。鍵盤由數(shù)字鍵和功能鍵組成，排列成4×4矩陣形式，僅需要8個(gè)引腳即可完成連接。在每個(gè)按鍵處都有一個(gè)點(diǎn)，兩層電路相對(duì)安放，當(dāng)按鍵時(shí)兩點(diǎn)接觸，線路閉合。再在表面印刷出按鍵的功能，以便于識(shí)別；背面貼膠粘貼在儀器面板上。

手簿顯示屏采用LCD12864液晶屏，通過(guò)串口與STM32單片機(jī)連接，占用8個(gè)引腳，此種方法雖然占用STM32單片機(jī)引腳較多，但可以保證LCD12864液晶屏的刷新頻率，不至于出現(xiàn)顯示不清或者出現(xiàn)數(shù)字變化滯后的現(xiàn)象。

3 流速傳感器功能設(shè)計(jì)

3.1 流速傳感器工作原理

本流速儀采用的流速傳感器主要由圓柱形永久磁石和干簧管組成，干簧管內(nèi)部由兩個(gè)磁化的彈性鋼片組成，兩個(gè)鋼片相距僅幾個(gè)微米，并且閉合時(shí)的觸電鍍金處理，封裝的玻璃管內(nèi)填充惰性氣體保護(hù)觸點(diǎn)防止氧化。流速傳感器信號(hào)部分工作原理如圖4所示。

圖4 流速傳感器信號(hào)部分工作原理

流速傳感器主要工作是把水流對(duì)旋漿的沖擊力大小即水流流速大小轉(zhuǎn)化成通斷的高電平模擬信號(hào)，以便于單片機(jī)對(duì)傳感器信號(hào)的采集。

3.2 傳感器信號(hào)濾波與去抖

由于干簧管是兩個(gè)機(jī)械的觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用產(chǎn)生抖動(dòng)。即使兩個(gè)觸點(diǎn)已經(jīng)鍍金，但也不能徹底解決干簧管信號(hào)抖動(dòng)的問題。在將要閉合未閉合和將要斷開未斷開的臨界狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生前沿抖動(dòng)和后沿抖動(dòng)，造成模糊的信號(hào)，影響單片機(jī)對(duì)信號(hào)的捕捉。為確保CPU對(duì)干簧管的一次閉合僅作一次處理，必須去除抖動(dòng)。干簧管抖動(dòng)波形如圖5所示。

圖5 干簧管抖動(dòng)波形示意圖

對(duì)于流速傳感器的信號(hào)捕捉，本流速儀采用了軟件和硬件相結(jié)合的去抖方式。軟件去抖使用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)去抖：

ucharkeyscan(void)

{

staticcharkey_state=0;

staticcharkey_value=0;

ucharkey_press，key_return=0;

key_press=turn_left&turn_right; //讀干簧管I/O電平

switch(key_state)

{

case0: //干簧管初始態(tài)

if(key_press==0)key_state=1;//干簧管斷開，但需要確認(rèn)是否是干擾

break;

case1://干簧管確認(rèn)態(tài)

if(key_press==0)//如有干簧管閉合則不是干擾

{

if(turn_left==0)

key_value=1;

elseif(turn_right==0)

key_value=2;

elsekey_value=0;

key_state=2;//狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài)

}

elsekey_state=0;//干簧管已斷開，屬于干擾，轉(zhuǎn)換到按鍵初始態(tài)

break;

case2:

if(key_press==1)

{

key_return=key_value;//干簧管斷開后再輸出鍵值

key_value=0;

key_state=0;//如果干簧管斷開，轉(zhuǎn)換到初始態(tài)

}break;

}returnkey_return;//返回鍵值

當(dāng)檢測(cè)到干簧管斷開后，再給5～10ms的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后才能轉(zhuǎn)入該信號(hào)的處理程序。本文的流速儀利用switch()結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了以上程序，以上程序是無(wú)延時(shí)的軟件去抖，避免了延時(shí)去抖產(chǎn)生對(duì)儀器精度的影響。

硬件去抖的方式主要通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理來(lái)完成。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)利用電容的充放電特性來(lái)對(duì)抖動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電壓毛刺進(jìn)行平滑處理，從而實(shí)現(xiàn)去抖，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中效果并不理想；由于本文的流速儀只捕捉一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，可以使用RS觸發(fā)器進(jìn)行硬件去抖，如圖6所示。

圖6 RS觸發(fā)器硬件去抖

圖6中的兩個(gè)與非門構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器。當(dāng)干簧管未閉合時(shí)，輸出為1；當(dāng)干簧管閉合時(shí)，輸出為0。此時(shí)即使使用干簧管的機(jī)械性能，使干簧管因彈性抖動(dòng)而產(chǎn)生瞬時(shí)斷開(抖動(dòng)跳開B)，中要干簧管不返回原始狀態(tài)A，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變，輸出保持為0，不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的波形。即使B點(diǎn)的電壓波形是抖動(dòng)的，但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后，其輸出仍然為正規(guī)的矩形波[6]。

4 實(shí)踐應(yīng)用

河流的流速、水深等量測(cè)的準(zhǔn)確性直接影響流量的精度。所以，流速、水深的量測(cè)工作是十分關(guān)鍵的[7]。為了檢驗(yàn)本儀器的使用效果，在河北省石家莊市石津灌區(qū)進(jìn)行了測(cè)流應(yīng)用。分別使用傳統(tǒng)的旋漿式流速儀與本流速儀對(duì)石津渠流速、流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，對(duì)比兩種儀器測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在起點(diǎn)距和水深相同的條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)，本流速儀測(cè)算的流量和流速數(shù)據(jù)更加趨于平均值，更加穩(wěn)定。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在沈陽(yáng)市渾北灌區(qū)、渾浦灌區(qū)的水文流速測(cè)量工作中。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的旋漿式流速儀，該儀器使用信息化技術(shù)，具備實(shí)時(shí)定位功能、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與存儲(chǔ)功能，將流速、流量信息與地理信息捆綁存儲(chǔ)。只需要一個(gè)操作就可以進(jìn)行測(cè)量工作，不必?cái)y帶過(guò)多的設(shè)備以保存和分析測(cè)量結(jié)果，使得水文測(cè)量工作更加便捷。同時(shí)，儀器在滿足進(jìn)度要求的基礎(chǔ)上提高了測(cè)算速度，節(jié)省了制造和操作成本[8]。儀器需經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的檢定，以便進(jìn)行量化生產(chǎn)及使用。