（检测技术与自动化装置专业论文）污水流量测量系统的设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 污水流量测量系统的设计 摘要 本文提出了一种以超声波技术、单片机技术和g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os y s t e m _ ) 传输技术为核心的污水流量测量系统，在稳定性、扩展性、 实用性以及功能、价格、精度等方面与传统的污水流量系统相比有着突出 的优势。传统的污水流量测量系统很多是利用液位传感器和巴歇尔槽构建 测量系统的方案，但其稳定性差，具有可靠性低、操作烦琐等缺点，已不 能满足越来越苛刻的现场应用的要求。因此，进行污水流量测量方面的研 究和开发有着十分重要的意义。 本文在查阅大量相关文献，总结前人研究工作的基础上，根据实际情 况，在能够满足现场应用需要的条件下，提出了一套以a t 8 9 c 51 单片机为 核心的污水流量测量系统，通过超声波传感器采集液位和流速，将采集到 的水位数据和流速数据经a t 8 9 c 5 1 处理器处理后传送到处理器的串口，通 过其串口控制g p r s 无线通讯模块接入i n t e m e t 网络，并将数据传送到指定 了地址( 固定口地址或域名) 的监控中心主机，从而实现了对污水流量的 远程无线监测和数据存储。 论文完成了污水流量测量系统的软件、硬件设计。主要工作有： 硬件方面：提出了一种超声波液位传感器和流速传感器的电路设计方 ， 案；设计了基于处理器a t 8 9 c 5 1 的硬件平台以及它与模数转换器 t l c 2 5 4 3 c 、存储器e e p r o m 2 8 6 4 及s r a m 6 2 6 4 、液晶显示模块、r s 2 3 2 和g p r s 模块等的接口电路； t 太原理二 大学硕士研究生学位论文 软件方面：完成了液晶显示、串圈通信等程序设计，进行数据处理程 序的调试，并依照g p r s 的基本原理，实现了t c p h p 通信，完成了在客户 端的应用程序的开发，并给出了程序设计流程图。 最后，对本文所做的工作进行了回顾和总结，指出了系统的有待完善 的地方和进一步改进的方向。 本文设计的污水流量测量系统实用方便、成本低廉，具有多样的应用 场合与广阔的发展前景。 关键词：污水，单片机，超声波，g p r s 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g no fas e a g ef l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m a bs t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i ct e c h n o l o g y , m o n o l i t h i cc o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dg p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os y s t e m ) t e c h n o l o g y , ad e s i g no f s e w a g ef l o wm e a s u r e m e ms y s t e mi si n t r o d u c e d t h es e w a g ef l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m i sak i n do fn e wf l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nu l t r a s o n i c t e c h n o l o g y , m o n o l i t h i cc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dg p r st r a n s m i s s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y a tm a n ya s p e c t ss u c ha ss t a b i l i t y , p r a c t i c a b i l i t y , a n ds c a l a b i l i t y , p r e c i s i o n , p r i c e , f u n c t i o n sa n de t c ，i th a so u t s t a n d i n gp r i o r i t yt ot r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n ts y s t e m t h u s ，h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es e w a g ef l o w m e a s u r e m e n ts y s t e mh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so fal o to fr e f e r e n c e si nt h ei n t e r r e l a t e dr e s e a r c hd o m a i na n d g e n e r a l i z i n gp r e d e c e s s o r s r e s e a r c hw o r k , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o nw e a d o p tt h ep r o je c to f t h es e w a g ef l o wm e a s u r e m e n t s y s t e mw h i c ht a k e sa t 8 9 c 5 1 m o n o l i t h i cc o m p u t e ra si t sc o r ea n dc a nm e e tt h en e e d so fi n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n t h es y s t e mc o l l e c t sw a t e r - l e v e la n dv e l o c i t yo ff l o w , t h e nc a l c u l a t e t h ef l u x ，a t 8 9 c 51 m i c r o p r o c e s s o rt r a n s f e r sw a t e r - l e v e ld a t aa n dv e l o c i t yo f f l o w , c o m i n gf r o me x t e r i o rs e n s o r , t ot h es e r i a lp o r to ft h em i c r o p r o c e s s o r a t 8 9 c 51m i c r o p r o c e s s o rc o n n e c t sg p r sm o d u l ew i t hs e r i a lp o r t a t 8 9 c 51 s e n d sd a t at og p r ss e r v e rb yg p r sm o d u l e ，a n dt h e nt h es e r v e rs e n d st h ed a t a t ot h ec o m p u t e ro ft h ec o n t r o lc e n t e r , w h o s ei pa d d r e s si sg i v e ni nt h es e w a g e f l o wd a t ab yi n t e r n e t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et e c h n o l o g yn e e d e dt ob eb r o k e nt h r o u g hi nt h r e e a s p e c t s f o r d e s i g n i n g t h e s e w a g e f l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m ：u l t r a s o n i c t t t t e c h n o l o g y , m o n o l i t h i cc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dg p r st e c h n o l o g y ；a n dc l a i m s t h eo v e r a l ld e s i g no fs e w a g ef l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m ；d e s i g n st h ep e r i p h e r a l c i r c u i to fu l t r a s o n i cw a t e r - l e v e ls e n s o ra n dv e l o c i t yo ff l o ws e n s o r ；c o m p l e t e s t h eh a r d w a r ed e s i g nw h i c hi n c l u d e st h em a i nc h i p ，t l c 2 5 4 3 ，e e p r o m 2 8 6 4 a n ds r a m 6 2 6 4 ，l c d ，r s 2 3 2i n t e r f a c e ，g p r sm o d u l e e t c ；i n t r o d u c e st h ec h i p t y p es e l e c t i o na n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec h i p ，a n d d r a w st h es c h e m a t i cd i a g r a m ；i ns o f t w a r ed e s i g n ，c o m p l e t e st h ep r o g r a m m eo f l c ds h o wa n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o n s ；a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fg p r s ， e s t a b l i s h e st c p i pc o m m u n i c a t i o n s ，c o m p l e t e sp r o g r a md e s i g ni nc l i e n ta n d a p p l i c a t i o n ，d r a w st h et h ef l o wc h a r to fp r o g r a md e s i g n 。 a tl a s t , t h ep a p e rp r o v i d e sar e v i e wa n dg e n e r a l i z e st h ew o r kd o n e ，t h e i n a d e q u a c i e so f 也ep r e s e n ts y s t e ma n dt h ew a yf o r w a r dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c e t h es y s t e mr e a l i z e sap r a c t i c a l i t yc o n v e n i e n ta n dl o w - c o s ts e w a g ef l o w m e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n ，w h i c hh a sg r e a tp r o s p e c tf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s e w a g e ，m o n o l i t h i cc o m p u t e r , u l t r a s o n i c ，g p r s i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作亨签名：l 譬l 日期：二丝生 生牡 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 + 名：。j 一一翠硷，一。一日期：羔釜龌年竺娶塑幺 导师签名：互1 一一。一日期：逍套_ 善 盟 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 当前我国环境保护的形势非常严峻，近年来随着工农业生产的迅速发展及人民生活 水平的大幅度提高，用水量急剧增加，排放的污水也相应增加，特别是工业废水的排放 尤为严重。由于乡镇企业大多产业结构不合理，科技含量低，环境保护意识薄弱，造成 工业废水排放量快速增长。污水在城市发展中的初期是通过城市污水收集系统收集排放 到附近水体的，经过清洁水体的稀释和自然净化功能变污水为清水，成为人类可以循环 利用的水资源。但是随着城市社会经济发展的规模越来越大，污水越来越多，水质越来 越复杂，水体有限的自然净化功能已经不能适应城市水污染控制和水环境保护的需求。 因此，应加大城市污水治理应用科学的科研与开发力度，借鉴国内外先进的成熟经验， 探索经济、节能、高效的新技术、新设备、新仪器叫2 】【3 】。 根据国家环境保护法规的要求，为了促进排污单位加强生产经营管理和污染治理， 加大环境监理执法的力度，要逐步实现污染物排放规范化、科学化和定量化的管理。目 前，各地环保部门正在加强进行排污口规范化的整治。本文所介绍的污水流量测量系统 正是为了适应这个需要而进行设计的。 现在污水排放的工厂越来越多，而且位置又很分散，测量出每个工厂的污水排放量 后，怎样才能把它们集中到污水管理部门统一监测处理，怎样才能省去环境部门到各个 工厂查看，而是把一个地区的污水排放情况在监控中心主机上直观的展现出来，这就涉 及到数据的传输，以及上位机系统的建立，这是本文的另一主要目的。 1 2 课题简介 水路按其不同的形态可以分为三大类，各形态如图1 1 所示。i s o 通常称满水管为 封闭管道，流动是在水泵压力或高位槽位能作用下的强迫流动。非满管状态流动的水路 称作明渠( o p e nc h a n n d ) 。明渠流通剖面除圆形外，还有u 形、梯形、矩形等多种形状。 而且明渠流是靠水路本身坡度形成的自由表面流动。 太原理：j - ：大学硕士研究生学位论文 水路 满水管路 满水管路 自由表面流的明渠自由表蕊流的暗渠 零l 。l 水路形态 我g 。l l 羁。ec o n f o r m a t i o no f w a t e r w a y 部分满水管路 明嘲黼璨道嬲篓魏篙纂量尹 大部分韵污水流动都是在非满管的渠道中。本文介绍的污水流量系统适用于各种不 同形状的管道，是以圆形的明渠为例介绍的。 污水是指在生产与生活活动中排放的水的总称。按照来源的不同，污水可分为生活 污水、工业废水和降水三类。我们经常接触封的污永为生活污水耪工业废水。 流量计量的含义是流量( f l o w - r a t e ) 流经管道横截面的流体数量与该量通过该截面所 花费的时间之商。 不同的水的流量特点是不同的，所以其水流量测量的特点也各异。水在人们生活和 生产等各项活动串扮演者重要角色，每个人都离不开水，于是水的计量就成为数量重大、 使用范围最广的测量任务之一。 水流量的测量难度并不高。不同原理的流量计大多数都可用来测量水的流量，但也 不是随便装一台就肯定能用 | 譬好的。这是因为固样是水流量测量命题，由于水的洁净程 度不同，流体工况条件各异，流量测璧范萄悬殊，可靠性要求差异，测量精确度要求有 高有底以及费用承受能力不一样，仪表的选型也不样。严格地说，在可供选择的种类 众多的仪表中选定一种既好又省的仪表不是一件容易的事。这不仅要求工程师们对各种 流量计的特性有充分的认识，对其价格有充分的调查研究，更重要的是对测量对象的具 体要求，工况参数和使用环境有足够的了解。 污水的特点是脏污，有些还有一定的腐蚀性。工业污水又有排水量大，而且是连续 性的，有些温度高低还有很大差异。根据工业污水的特点，怎样设计套性价比离，使 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 用寿命长，测量的准确度高的流量测量系统，这是本文研究的重点。 1 3 国内外流量测量方法的研究动态 工业和公用事业常用的明渠流量仪表按测量原理大体可分为堰法、测流槽法、流速 一水位计算法和电磁流量计法【4 】【5 1 。 1 堰( w e i r ) 法在明渠适当位置装一挡板，水流被阻断，水位升到档板上端堰( 缺) 口，便从堰口流出。水流刚流出的流量小于渠道中原来的流量，水位继续上升，流出流 量随之增加，直到流出量等于渠道原流量，水位便稳定在某一高度，测出水位高度便可 求取流量。 堰式流量计的特点； 1 ) 结构简单，一般情况下价格便宜，测量精度和可靠性好； 2 ) 因水头损失大，不能用于接近平坦地面的渠道； 3 ) 。堰上游易堆积固形物，要定期清理。 2 测流槽( f l u m e ，简称槽) 法缩小渠道一段通道断面成喉道部，喉道因面积缩小而 流速增加，其上游水位被抬高，以增加流速所需动能( 即增加的动能由所抬高水位位能 转变过来) ，测量抬高水位求取流量。 美国开展污水计量历史可追溯到上世纪初，在流量测试中使用比较广泛的巴歇尔槽 ( p a r s h a l lf l u m e ) 就是美国科学家发明的。巴歇尔槽的原形是在文丘里槽的基础上革新而 成。巴歇尔槽虽然适用范围较广，但对于埋在地下圆形的水路则无能为力。原因是： 1 ) 巴歇尔槽是矩形水路，至少槽的上游必须有一段较长的顺直水路； 2 ) 巴歇尔槽的缩流部的底床呈下坡形，槽的最低部分要比水路底部要低。 p 槽流量计的特点是： 1 ) 水中固态物质几乎不沉积，随水流排出； 2 ) 水位抬高比堰小，仅为1 4 ，适用于不允许有大落差的渠道； 3 电磁流量计法又分为潜水式电磁流量计和非满管电磁流量计两类，后者目前 国内尚未开发。 潜水式电磁流量计是在渠道中置一挡板截流，挡板近底部开孔并装潜水电磁流量传 感器，水流从流量传感器流过从而测出其流量。 潜水式电磁流量计的特点： 3 太原理j 。 ：大学硕士研究生学位论文 1 ) 无活动件，可测量含有固体颗粒或悬浮体的液体； 2 ) 可使用于受潮水等形成下游侧水位变化的渠道；。 3 ) 因设置挡板截流，测量与渠道形状和上游直渠道状况无关； 4 ) 水头损失比较大，流量传感器内必须保持溃管流； 5 ) 挡板前会有一定程度固形物堆积，要定期清理。 非满管电磁流量计的问世，使非满管圆形管的测量误差从传统槽式流量仪表的 3 5 f s 降低到1 2 f s 。自1 9 9 2 年f i s c h e r + p o r t e r 公司酋家向人们展示非满管电 磁流量计以来，迄今共有4 家制造厂的4 种型号仪表推向市场。口径范鼹为1 5 0 1 0 0 0 m m 。 非满管电磁流量计仍以法拉第电磁感应定律测量流速，再利用某种方法测量流通截 面液位高度从两求得流通面积，两者相乘获得流量。由于邈志j 尚无毒 满管电磁流量计生 产，国矫厂商及其代理要价甚高，为传统仪表的二三倍以上。 4 流速水位计算法( 简称流速水位法)测出流通通道某局部( 点、线或小面 积) 流速，代表平均流速，再测量水位求得流通面积，乘局部流速与平均流速间的系数， 经演算求取流量。 流速一水位流量计的特点： 1 ) 渠道截面形状不限于矩形，圆形、倒梯形或u 形均适用，流量范围度宽。 2 ) 水位离渠床距离从接近零到满位均能测量。暗渠即使达到满管，压力显著增加 时还能测量。 3 ) 由于从流速和水位二个信号求取流量，即使在受背压状态下流动，也能测量； 同样也可测逆向流( 多普勒法流速计则应注意，因型号而异) 。 4 ) 几乎不会发生固形物堆积现象。超声流速计和超声液位计不会阻碍流路，其他 型式流速传感器和液位传感器尺寸亦相对较，j 、，对流路阻碍也很小。 5 ) 对于已有渠道安装容易，不需改造渠道工程。 根据以上对几种方法优缺点的分析，本文选择的是基于超声波的流速水位的流量 测量方法。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 课题内容及本文组织结构 1 4 ：1 课题内容 根据对各国的市场，学术期刊，以及专利文献的调查，并结合本人在本领域工作的 经历。水流测量目前常用的方法主要还局限在对渠道的截流或是渠道一段要装入槽的方 法测量水流流量。结合科学研究前沿的计算技术来测量液体流量的商用产品，目前还很 少。由于仪器设备的可靠性受到限制，仪器的定期养护，维修耗费了大量的人力物力， 用户无法对采集到的数据进行有效的分析和质量控制，由于数据的质量不能得到保障， 系统自动化和优化操作难以施行。本文用简单可靠的流速水位计算法测量，数据质量 的稳定性容易得到保证。在降低养护，维修和成本的前提下，可为系统的自动化和优化 操作提供进一步发展的基础。 近年来，随着国民经济的发展，我国水资源也越来越珍贵，相应的，对水量测量仪 器的精度的要求也就越来越高。无论是在工业生产中还是城市生活用水中，对于水流量 的测量，都需要高精度、操作简便、成本低的测量仪器。特别是工业中对一些具有腐蚀 性的液体的流量测量，普通的流量计根本无法测量。本课题依据我国的污水排放的一些 自身的特点，以及环境的各项指标，设计了多普勒法超声流速计和超声液位计组成的流 速水位流量计，先测得流速和水位，然后计算得出流量，通过g p r s 网络传输的污水 流量监测系统。 对于国家的中小城市来讲，污水系统中为系统改造，规划，设计以及系统操作提供 ， 依据而施行水流测量的很多，一般需要5 2 0 个测量点的系统司空见惯。如果系统需要 统一中心控制以及优化，需要的测量点则更多。所以本文将多组数据通过g p r s 网络传 输到上位机后，用v c + + 软件编程对多组数据进行存储，直观显示，报表等，从而完成 污水流量计量系统的设计。 1 4 2 本文组织结构 第二章提出了本文系统的总体设计方案，包括硬件设计和软件设计。 第三章介绍了本文所选用传感器的原理，并提出了传感器外围电路的设计，其中包 括超声波液位传感器和超声波流速传感器。 第四章介绍了本文选用的单片机的相关内容，并对单片机从硬件方面提出了设计方 5 太原理l 二人学硕士研究生学位论文 案。 第五章介绍了本设计中的数据远程通信方式，首先介绍了g p r s 传输的相关技术， 然后应用m c 3 9 i 模块，设计了硬件电路，并进行软件的设置。 第六章介绍了仪表的软件设计，以及上位机软件的开发环境，并且完成上位机接收、 显示、存储报表等功能的程序设计。介绍了本系统设计过程中部分实验的实验过程和实 验结果。 第七章在总结本文研究成果的基础上，提出了一些需要进一步做的工作和继续研究 的闷题，并对今蜃的发展方向进行了展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 系统的总体设计 第二章系统的总体设计方案 本文依据我国的污水排放的一些自身的特点，以及环境的各项指标，选择了流速传 感器和超声液位传感器和温度传感器，传感器对污水管道中的污水的流速和水位信号进 行采集，送入5 1 单片机中进行处理计算得出流量，然后通过g p r s 通讯网接入互联网 进行传输，传输到上位机后，用v c + + 软件编程对多组数据进行存储，直观显示，报表 等，从而完成污水流量计量系统的设计。 如图2 1 所示，整个系统的设计可分为四大部分：传感器部分，二次仪表部分，数 据传输部分，上位机数据处理显示部分。每一部分的具体介绍分别见第三、四、五、六 章。 ： 传感器i 二次仪表部分 g p r s 的数据传输 接入i n t e m e t 网 图2 1 系统总体结构图 f i g 2 1t h ef r a m eo fs y s t e mg e n e r a ls t r u c t u r e 预期指标： 1 ) 流速： 量程：2 0 3 0 0 0 m m s ( 0 0 2 3 m s ) 测量精度：测量d 氢- 2 分辨率：0 0 0 1 m s 2 ) 水位： 量程：0 5 m 7 终端 终端 ： ；终端 ；上位机数据 ：处理显示部分 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 精度：圭d 5 分辨率：2 c m 3 ) 温度： 分辨率：0 。5 4 c 量程：1 0 - 8 5 4 ) 电源电压：a c 2 2 0 v 5 ) 系统精度：士2 6 ) 键盘：4 x 4 键盘 7 ) 显示：4 x 8 中文 8 ) 显示数据：瞬时流量、瞬时流速、正累积流量、负累积流量、净累积流量、累 计运行时间 9 ) 数据存储：前7 2 0 小时、3 6 5 天、3 6 个胃、l o 年的测量数据，包括瞬时流量、 累计流量、断电时间等。 2 2 系统的硬件设计 如图2 2 所示，整个系统的硬件结构设计分为三大部分：超声波发射、接收探头及 调理电路的设计，二次仪表的设计，以及基于g p r s 的数据传输的设计。探头用来完成 超声波的发射和接收功能。液位和流速传感器的接收探头接收到的超声波，经过放大处 理，输出含有液位和流速信息的低频模拟信号；二次仪表部分是以a t 8 9 c 5 1 为核心器 件，辅以其他外函电路。二次仪表部分是整个仪表的核心，负责整个仪表的控制和数字 信号的处理。数据传输部分是用来通过g p r s 通讯网把数据传输到上位机，然后再对数 据进行处理【6 j 。 该系统硬件结构包含三大模块，第一大模块是模拟系统部分，主要包括两套超声波 发射器和接收器、信号处理电路c x 2 0 1 0 6 a 、带通滤波及解调放大电路、低通滤波器 t l c l 4 和仪表放大器a d 6 2 3 ，温度传感器d s l 8 8 2 0 ；第二大模块是数字系统模块，该 模块以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心器件，外加模数转换转换集成电路电路t l c 2 5 4 3 、l c d 液晶显示器、4 x 4 键盘、s r a m 6 2 6 4 、并行e e p r o m 2 8 6 4 等外围电路；第三大模块是 g p r s 传输模块，该模块以m c 3 9 i 为核心，外加s i m 卡座、电源等。 整个系统的处理过程是：超声波发射器l 以一定角度向流体中发射1 m h z 的超声波 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 信号，接收器将接收到的信号转换成电信号，经窄带陶瓷滤波器滤波后进行信号放大， 之后解调电路从中解调出频偏信号，该信号再经过低通滤波器滤除高频噪声，经放大电 路进行信号放大后，由模数转换器t l c 2 5 4 3 c 进行模数转换。单片机a t 8 9 c 5 1 对所得 到的数字序列进行处理，得到频偏值，再根据仪表参数进行流速、流量、累计流量等所 需要的数据量的计算，然后数据经串口传到g p r s 模块，通过网络传到上位机。 图2 2 硬件结构图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r e 超声波发射器2 是由5 5 5 振荡器产生中心频率4 0 k h z 的脉冲信号( 如图2 2 所示) 作 为发射激励信号，驱动超声波发射器发射一组脉冲( 含l o 个脉冲) 。当超声波遇被测污 水液面反射后被接收器2 接收，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器开始计数，连 续测量一组回波的时间间隔t ，通过软件滤波、求算术平均值的方法计算回波的时间 9 太原理：j 。人学硕士研究生学位论文 间隔a t ；温度传感器d s l 8 8 2 0 也将现场环境溢度数据采集送到单片枧中，提供计算距 离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式准确计算出污水的管道的截面积。 2 3 系统的软件设计 系统的软件设计主要分为两部分：仪表的软件设计，上位机的软件设计。 仪表软件完成系统初始化和仪表参数初始化包括配置g p r s 模块的参数，控制两个 传感器的工作，数据处理，控制l c d 显示模块，g p r s 数据传输的通信。仪表软件均 由单片机的c 语言来编写。仪表软件系统的结构框图如图2 3 所示。 图2 - 3 系统款传框图 f i g 。2 3s o f t w a r ef r a m w o r ko f s y s t e m 上位枫软件用的是v c + + ，编程工翼是v i s u a lc ，它是一种极为灵活和完备的编程 工具，它与w i n d o w s 操作系统更加紧密的结合及其良好的集成开发环境，使得它已成 为当今世募最流行的软件之一。其界面如图2 _ 4 所示。此软件具有以下特点： 1 ) 具有强大的类库功能和完善的类库框架； 2 ) 编译功能强大，优化编译效果好； 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 简便的消息处理机制和强大的在线帮助能力；给程序的开发带来了极大的方便， 使w i n d o w s 编程不再深奥和晦涩，而是一件有意义并且有趣的事情； 4 ) 完善的向导功能； 5 ) 最彻底的数据库访问技术的支持。 上位机软件主要实现接收g p r s 的数据的服务器程序，将接收到的数据存入数据库 中，并对这些数据进行显示，报表，通过图像显示规律等等。 曼一竺竺! n ：! 竖里曼竺翌冀譬芝鉴一一：一：一：二二一：- - l i 一一一一，捌篓 酱! b 臼毋? 黾键。77 二：二：；吧周冒。吼j 啪， i 麓；孟言；：= 蒜：产i 蕃矗嘉嘉二；商蔓i 蒜：| ：；i 意嵩蠢三蓄i i ；j 舌i 面i ：薹岛酉薹! 萤也薯? ，动能；停止雏务嚣黪数据雏务 ，说明：鲁j 强e 务蓄蛘魏撮噩巷。所霄的呦d e _ 郡糟下缝。一 ， 女e 晕失效了，= - 。t f t r 疆。* r - a d s g e t t a s i ：l g t i - ( 1 1 ( ) 函数壹看毯谩原西。 ，动靛：渡取下一奢l m 6 e _ 进土泰黪信息 参嫠i 。慧黧裴纛襄簇赫麦酽簇鬻羹嚣选爹蠹辇銎骥鬻i t ：；p 泛e o 黧箩器藤鬻甏2 w a i t s e c o n g ；二点星擞i 囊刭熬褥后烹鄂透囤；挑墨投育热提到选焉萼簪最长即 n d si 时曩苹位：秒， 速目：批另返匣为j 零匿表明睃多j 了一d e 叫言蛊。，呆逗蚕为8 ，瓤表i 目发商牧到数垂。 毫j 甚c v cd e m o d o c ：i ：ii ) 年毒c v cd c m o 、，i c 、盔ii b o o l 呐d e _ i d ， )：_stocall o s s e n d d a t a ( u o z t u 1 6 t l e nu s r b u r 箕i 暑量廿r c a a 引绻羹；璺袭黧三譬嚣：铲蕉鬻争铀撕。 囊凄i 墼 | ；尹煞羹蕤奏篓奏嚣孳苇黟j 疑絮勘悸藏等孙s a ! ；五：= 莲薹墓丁j i i 盏了i i 1 7 ；h 轧咎蒡罗幻襞器 ，。j， ； = = = ：= = i = i = = = j 一 i 卜旦_ u d ：h 荨九j ：_ g a lj 、：一4 ：一- ： r e a d vl ng z ，c o l4 1 隧塑蠹懑霎霆燮薹：鲨耋鋈鍪霆墼霪錾鋈鍪豳豳夔隧重塑谶疆萋霪麓蓬：冀凳囊鏊鍪 图2 _ 4 v i s u a l c 界面图 f i g 2 - 4v i s u a lc i n t e r f a c e 在六七章中将具体介绍整个仪表各部分模块的设计和上位机的程序设计。 2 4 小结 本章阐述了本系统核心设计思路，给出了系统设计总体结构框图，并结合框图详细 说明了系统工作原理，然后给出了所设计的系统的预期指标，最后分别从硬件和软件两 个方面介绍了具体的设计方案。 | | 飘二霾一吼。一城伽滩卜二 遁 删意。序曦| 营甄黩一理螂川粕硝廖愤慨 吣一一一一一一一一一一一 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章传感器的原理及其电路设计 3 1 超声波流量测量方法的简介 早在2 0 世纪初，运用声学原理来测量流量的设想就出现了。1 9 3 1 年吕特根( r u t t g e n ) 就提出了超声流量测量原理。2 0 世纪5 0 年代末期，苏联学者比尔盖尔( h i b i r g e r ) 发展 了管道流速分布理论，提出了断面流速修正系数概念。1 9 5 5 年世界上第一台超声流量 计问世。1 9 5 7 年美国人提出了“回鸣法”( s i n g - a r o u n d ) ，使超声液体流量计逐步进入实 用化。我国从2 0 世纪6 0 年代起，在上海、北京、南京等地先后展开研制工作，也取得 不少成果，如大口径水流量测量、煤气流量测量等。8 0 年代以后，国内外产品的品种、 数量不断增加，尤其最近五年，国际上欧、日、美各国基础理论研究和产品发展以及应 用日新月异，十分旺盛。特别是3 5 声道频差法和时差法超声流量计的改进；多普勒 流量计的出现，使液体流量的测量精确度和可靠性有了明显的提高【7 】【8 1 。 在实际应用中，污水的渠道一般是明渠，所以污水流量的测量大多数是指明渠中污 水流量的测量。本文使用的是基于超声波的流速液位法测非满管( 渠) 的污水流量。 测液位和平均流速的方法如下表3 1 。 表3 - 1 测液位和平均流速的方法 t a b l e 3 一it h ew a yo f m e a s u r i n gw a t e rl e v e la n dv e l o c i t yo f f l o w 测量的量方法量程精确度 平均流速超声多普勒法 0 1 6 - 6m s 2 液位 超声法o 2 1 0 mo 2 5 0 5 流量流速一液位法与半满管和渠大小有关2 3 3 2 超声波液位传感器 3 2 1 超声波液位传感器的简介 超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产 生，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好能够成为射线而定向传播等特 点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几 1 3 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生湿著反射形成反射回波，碰到活动物体能 产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是 超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组 成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。 3 2 。2 超声波液位传感器测量原理 各种介质对声波的传播都呈现一定的阻抗，声阻抗与介质的密度及弹性有关，一般 液体的声阻抗比气体的大两千多倍，金属的声阻抗比永的又大十几倍到凡十倍。声波作 用到两种介质的分界面上时，如果这两种介质的声阻抗相差很大，就会从分界面上反射 回来，只剩一小部分能透过分界箍继续传播；只有在声阻抗相等的介质间相互传播时， 才能完全透过。利用这一规律可构成两类液位传感器，即透射式和反射式。 无论透射式或反射式，产生和接收超声波的传感器都壶薤电元件构成，且其构造一 样，只是工作任务不同。发射超声波时利用逆压电效应，接收超声波时利用正压电效应。 而反射式又分为气介式和液介式。如传感器装在液顽以上的气体介质中垂直向下发射和 接收，则称为“气介式”。其最大好处是换能器不必和液体接触，便于防瘸蚀和渗漏， 嚣且对于有粘性的液体及含有颗粒杂质或气泡的液体，也不妨碍工作。 超声波液位测量原理是由c p u 控制超声发射电路，通过超声传感器发射超声脉冲 波，该脉冲波遇到被测液面后，反射到超声传感器，c p u 通过测量发射、接收之间超 声波往返的传播时间踅秒) 来计算测量距离h l ：h i = 1 2 v t ( 米) ，y 势空气中的声速 9 1 0 l 。 图3 一l 中设传感器安装高度为s ( 安装时可测) ，则液位h ： h = 吃一啊篇忽一v t 2 ( , n )( 3 1 ) 管道( 图3 - 1 超声波液位测量原理 f i g 。3 - 1t h e o r yo f t h eu l t r a s o n i cm e a s u r i n go f w a t e rl e v e l 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 但作为一种声波，超声波的传播速度受空气密度的影响，密度越小，传播速度越快， 而空气密度和温度有密切关系，所以温度变化时，声速也变化，导致测量不准确。超声 波传播速度和温度近似公式为：v = 3 3 1 1 4 5 + 0 1 6 1 t ( m s ) ，t 为测量时的气温( ) ，当温 度为2 0 c 时，v = 3 4 4 m s ，当温度为3 0 c 时，v = 3 5 0 m s ，声速变化为6 m s 。设超声波 传播距离s = l m ，若在3 0 。c 或2 0 c 的声速进行测量时，误差达到3 5 c r n 。可见要实现高 精度的液位测量，必须对声速进行温度补偿。具体的温度补偿方法见第3 4 3 节。 因此，要测量液位h ，只要准确测量出发射和接收超声波往返的时间t 和测量时的 气温t 即可，它们的测量精度将影响液位的测量精度。 用超声波液位传感器测得液位h 之后，设管道的半径己测得，那就可以求得液体的 截面积s 。 厂一h a r c c o s 。 i 助叫s = 万2 一( r - h ) x 2 h r - h 2 ( 3 2 ) z 万 h r a r c c o s i f ( h r ) s = _ 万2 + ( r j | 1 ) 三云7 二i 7 3 3 超声波流速传感器 3 3 1 超声波流速传感器的简介 ( 3 3 ) 用来测流速的传感器有电磁传感器，涡街传感器，超声波传感器等多种类型，其中 超声波流速传感器使用最为广泛，它又分多种类型，表3 2 为超声原理测量流速和流量 的各种方法【11 f 1 2 1 。 表3 - 2 超声原理测量流速和流量的各种方法 t a b l e3 - 2s e v e r a lw a y so f m e a s u r i n gv e l o c i t ya n df l u xo f f l o w 测量原理检测量简称 顺逆流声速度的变化 时间差 时间差法( 时差法) 顺逆流声速度的变化相位差 相位差法( 相差法) 顺逆流声速度的变化频率差回明法( 频差法) 多普勒效应声束偏移 多普勒频移量多普勒法 流体噪声 声信号幅度变化量声束偏移法 1 5 太原理j ：入学硕士研究生学饪论文 3 ，3 2 多普勒超声流速传感器的基本工作原理 本设计中用到的多普勒超声流速传感器，是利用多普勒效应两产生的种测速装 置。现今，它已是一种测量工鲎爝水、污水流量的重要仪器。实际应用中有便携式、固 定式。超声换能器多为非侵入式的，测量管径1 2 - - 5 0 0 0 m m ：精确度在1 - - - 5 。 超声波多普勒流速传感器的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声 学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同予 声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比 f 1 3 1 4 】 o 在超声波多普勒流速测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的 固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作孀，当然它仅仅是把入射到固体颗粒 上的超声波反射阐接收器。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗 粒运动而产生的声波多普勒频移，而这个频率羞正比于流体流速。 多普勒法是向流动着的液体发射声波，并测量从被溅流体的散射体上返圆信号的频 移。这种方法仅检测超声波束范围内的流速，并要求流体内有足够大的散射体存在。某 些连续流动的复杂流体，如泥浆、气一液混合物适合用这种方法测量。， 3 3 3 流速方程 假设，超声波波束与流体运动速度的夹焦为移，超声波传播速度为c ，流体孛悬浮 粒子运动速度与流体流速楣露，均为y 。现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为铡， 导出声波多普勒频差与流速的关系式。 发送器 r t 凰3 2 超声波多普勒方法i ) f i g 3 2t h ew a y o f u l t r a s o n i cd o p p l e r ( 1 ) 如图3 2 所示，当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度y 沿管轴 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 线运动。对超声波发射器而言，该粒子以v c o s o 的速度离去，所以粒子收到的超声波频 率应低于发射的超声波频率夕，降低的数值为 f i t ：一v c o