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压力传感器在引黄涵闸水流流量检测系统中的应用马宜东(河南黄河河务局 河南瑞达信息技术有限公司,河南 郑州,450003)摘要:以MPXA4115A6U压力传感器及STC90S52单片机为基础,研发出了涵闸水流流量监测系统。MPXA4115A6U压力传感器是一种精度高、速度快、接口简单的电阻式压力传感器。充分利用该压力传感器与单片机的优势,使研制出来的引黄涵闸水流流量监测系统更精准、实用。改变以往的涵闸水流流量检测系统的点状检测流量的限制,该系统将采用线状的检测方式,更能适应涵闸内部水流的复杂水文特性,并且不受泥沙含量、浑浊度、温度的影响。关键字:压力传感器、引黄涵闸水流流量检测系统、应用The pressure sensor in the Yellow River the Sluices water flow detection systemAbstract: The MPXA4115A6U pressure sensors and STC90S52 microcontroller based, to develop the Sluices water flow monitoring system. MPXA4115A6U pressure sensor is a high precision, fast, and simple interface, resistive pressure sensor. Make full use of the advantages of the pressure sensor and the microcontroller, so that developed out of The Sluices water flow monitoring system is more precise and practical. Change the traffic limit of point-like detection of the culvert and sluice water flow detection system, the system will use the linear detection, To adapt to the complex hydrological characteristics of internal flow of culvert gate hydrological properties, and free from sediment concentration, turbidity, temperature, impact.Keywords: Pressure sensors, The Yellow River the Sluices water flow detection system, Applications1.引言 引黄涵闸水流流量检测系统是用水单位和供水单位双方进行交易的衡量标准,它是数字黄河发展的重要标志,是水量交易中最重要的计量工具。具有良好性能的水量计价仪器无论是对广大用水单位还是供水单位来说都是很有必要的。现在已经使用的涵闸水流流量检测系统是用超水波、电磁等形式实现的。大多进行的是点状的测试,由于水文的不稳定性,会造成同一截面的流速流向的差异,从而造成误差;黄河水的高含沙量及浑浊度也会对测量精度造成影响。所以提出了用压力传感器为核心的涵闸水流流量检测系统的研制。2.引黄涵闸水流流量检测系统的原理、组成引黄涵闸水流流量检测系统通过水流对压力传感器进行冲击,压力传感器根据冲击力的大小,传感器的电阻阻值会发生变化,根据电阻阻值的大小可以计算出水流速度,而水流流量是水流速度与测量处截面积的乘积。 图1 涵闸水流流量检测系统基本组成框图 引黄涵闸水流流量检测系统主要有STC90S52单片机、MPXA4115A6U压力传感器、ADC0809模数转换器、LM386放大器、数据显示模块、掉电存储模块、按键模块、RS-485模块组成。2.1 STC90S52单片机这里所用的单片机是STC90S52,具有丰富的IO端口,与一片AT24C64组成单片机系统,基本实现涵闸水流流量检测系统功能、横截面数据调节、水流速度及水流流量功能。2.2 MPXA4115A6U压力传感器将MPXA4115A6U压力传感器封装在金属容器内,测力感应面使用弹性较好的金属膜将压力传感器覆盖。当水流的冲击力对金属膜施压,造成金属膜弯曲,由于金属膜的弯曲从而对压力传感器造成压力感应,这时传感器的电阻阻值发生改变,压力越大压力传感器的电阻阻值变化就越大。压力传感器电阻阻值的大小与压力传感器输出的电压成反比,强度不同的电压经ADC0809进行模数转换后变成数值不同的数字信号传送至STC90S52单片机,单片机依据数值的不同,经处理计算后得出水流流速,经显示单元显示出来。 图3 压力传感器原理图2.3 LM386放大器LM386放大器的作用是:将压力传感器采集到的较微弱的信号进行放大与整形,将当前信号放大至适合A/D电路转换的强度。LM386是美国国家半导体公司生产的一种音频集成放大电路,具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、价格低廉、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。2.4 AD0809模数转换电路ADC0809的作用是:将放大器输出的连续变化的模拟信号转换成离散的能够被单片机所接受的数字信号。ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。2.5 数据显示模块由于液晶屏可以显示文字、数字、字母等信息,并且具有背光灯便于夜间阅读,价格低廉,所以采用了1602液晶屏来显示。1602液晶屏的D0-D7引脚直接和STC90S52的P0.0-P0.7口连接,1602液晶屏的RS引脚直接和STC90S52的P1.7口连接,1602液晶屏的R/W引脚直接和STC90S52的P1.7口连接,1602液晶屏的VCOM引脚串联一个10K的可变电阻器与地线连接。1602液晶屏的BLA+串联一个可保持开关与+5V电源线连接,1602液晶屏的BLA-直接和地线连接。1602液晶屏的接受来自单片机并口输出的信号,从而达到显示的目的。2.6 掉电存储模块掉电存储模块的作用是在电源突然中断的时候,存储当前设定的数据信息。AT24C64是ATMEL公司的64KB字节的电可擦除存储芯片,采用两线串行总线和单片机通信。2.7 按键模块按键模块的作用是:根据实际情况的不同向系统输入具体的数据信息,丰富了人机对话接口。电路共采用13个按键:S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9分别是数字0-9,S10是小数点,S11是取消按键,用于清除输入错误的数据,S12是确认按键,用于向单片机输入正确的信息。按键与ADC0809共用STC90s52的P1.0-P1.7端口。按键的优先级高于ADC0809,当STC90S52检测到有按键信号输入时,暂时中止ADC0809的数据采集,按键输入数据完成后,恢复ADC0809的数据采集。2.8 RS-485模块RS-485模块的作用是:将由单片机处理后的数据发送到远程的计算机上,方便计算机联网后,进行跨网络的数据提取;同时也方便远程对涵闸水流流量检测系统进行控制。3.引黄涵闸水流流量检测系统软件设计 引黄涵闸水流流量检测系统采用模块化设计,系统程序固化在单片机内部ROM中。主程序的程序框图,其中包含若干子程序。子程序的功能包括系统初始化、按键处理、显示、RS-485通信、A/D转换、水流速度的计数与处理、水流流量的计数与处理、掉电存储处理等。该涵闸水流流量检测系统软件设计分为以下几个模块:时钟子程序、显示子程序、按键子程序、A/D转换子程序、流量记录子程序、RS-485通信子程序等。3.1显示子程序由于要显示水流流量数据,所以要用到3个显示服务程序,分别是:时间显示子程序、水流流速显示子程序、水流流量显示子程序。3.2按键服务程序按键采用查询的方式,事先将每个按键的键码放在主程序当中,当没有按键按下时单片机循环主程序,只显示时间及流速;一旦相应的按键按下,如果是数值或标点符号按键,则将其放到水流流量子程序中做相应的处理。如果是功能按键,则转向相应的子程序处理,处理结束后返回。3.3 A/D转换子程序该部分程序的功能为通过ADC0809测量速数据,再把ADC0809输出的数字转换为流速,可以通过1602液晶屏显示出来,该程序包括:流速转换程序和A、D转换程序。流速转换程序:该程序的功能为把A/D转换的数据转换为流速数据,ADC0809的输出数据为:0-255,对应的输入的电压为:0-5V。A/D转换程序:在A/D转换程序中,首先启动A/D转换,然后通过INTR引脚的输出电平查询来判断A/D转换是否完成。当A/D转换完成时,设单片机每秒读取一次转换值并返回。3.4 流量记录子程序水流流量的计算,由于水流是处于不断的变化之中的,故采用的计算方法为累加的方法;先计算每秒钟的流量(每秒钟的流量=流速*过水的横截面), 然后把每秒中的流量累加起来就可以测得单位时间内水流的流量,如一个小时的流量(总流量=V1+v2+v3+V3600)。所得流量结果存入流量寄存器,需要时送显示模块显示或通过RS-485总线发送至远程计算机上。3.5 RS-485通信子程序系统数据采用定时发送方式,进入程序后,依次将起始字节、地址字节、水流流速、时钟时间、水流流量、数据校验字节、停止字节,每隔10S向RS-485总线上发送一段测试数据。进入程序后,首先将待发送字节送入SBUF寄存器,然后通过发送中断标志位T1的状态来判断数据是否送出,如果没有则继续等待,一直到T1位变为1。为保证下一次数据的正常发送,将T1清零。将发送数据加1,检查7个字节的数据是否全部发送完毕。如果没有发送完毕则继续发送,反之退出程序。4.结束语由于使用的是单片机作为核心的控制元件,以及高灵敏度的压力传感器作为感应器件,全部由高可靠性元件构成,使本涵闸水流流量检测系统具有水流数据的精确性和稳定性都有大幅度提高。该涵闸水流流量检测系统性能稳定,检测方式独特,能够很好地满足用水的供需双方对涵闸水流流量检测系统精度的要求。5.参考文献1.STC90S52数据手册(英文版)(Z) 宏晶科技著. 20112.ADC0809数据手册(英文版)(Z) 美国国家半导体公司. 20043.LM386数据手册(Z) 美国国家半导体公司. 20014.AT24C64数据手册(Z) ATMEL公司. 20065.MPXA4115A6U压力传感器数据手册(Z)6.刘坤等著
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