灌溉用电容式涡街流量测试系统研究

袁芳　江伟

摘要：灌溉水量的流量测试是现代农业的关键技术之一，为了提高流量测试系统的测试精度，对电容式涡街流量测试系统进行了研究，设计了电容式涡街流量测试系统的二次仪表硬件电路部分，其中包括由前置放大电路、滤波电路、整形电路组成的信号调理电路、以低功耗微处理器MSP430F149单片机为核心的按键接口电路、LCD显示接口电路以及二次仪表供电电路。此外，开发了电容式涡街流量测试系统的软件部分，包括监控系统程序设计、键盘中断服务子程序设计、液晶显示子程序组成的人机界面程序设计、信号采集与处理程序设计。试验结果表明，该电容式涡街流量信号测试系统能够精确地实现流量信号的测试与处理，在农业生产中有广泛的实用价值。

关键词：灌溉；电容式；涡街；流量测试系统；系统设计

中图分类号： TP274；S126文献标志码： A

文章编号：1002-1302（201412-0437-02

电容式涡街流量计具有精度高、量程比较宽、线性度较好、压力损失小、性能可靠、测量元件结构简单、使用寿命长、安装维护方便、适用于各种介质等一系列优点，在农业的计量检测中正在发挥越来越大的作用，有着广泛的应用前景，因此研究电容式涡街流量计将具有重要的意义[1-4]。

本研究设计了灌溉用的电容式涡街流量测试系统，该系统的硬件电路包括信号处理电路、接口电路、供电电路，软件部分由主程序、键盘中断服务子程序、液晶显示子程序、信号采集与处理程序组成。测试结果表明，该系统具有低功耗、高精度的特点，在农业领域具有广阔的市场应用前景。

1硬件部分的设计

流量传感器将检测到的涡街信号经信号调理后传送到单片机，读入捕获的时间，获得信号频率，再根据仪表参数，可以计算出瞬时流量值、累积流量值，送到指定的RAM数据缓冲区供LCD实时显示。

11信号处理电路

环行电路输出的信号低于mV级，若直接采用此信号，则不能满足单片机输入信号要求，因此须要对采集到的信号进行放大处理。具体电路是一个恒流源式双入单出差动放大电路，这种电路对抑制零点漂移更为有利。传感器得到的信号中往往夹杂着许多噪声信号，为了尽可能消除噪声的干扰以获得频率为ω的近似正弦波，设计滤波电路采用的是无限增益多路反馈二阶滤波电路，该电路与其他有源二阶的过渡带相比变窄，衰减斜率的值加大，有助于改善ω附近的频率特性。信号由上述放大滤波电路后，得到的信号并不是理想的方波信号，为了便于单片机计数，需要对信号进行整形处理。在电路设计中采用施密特触发器对信号波形进行整形，整形电路通过施密特触发器电路产生方波信号。电路中通过设置可调电位器的阻值，可以设定门限电压，将输入信号转换成脉冲信号输入MSP430F149单片机的P11端口，利用P11端口可以设置为捕获方式以获取流量信号频率。

12键盘接口电路

采用独立式键盘来修改流量测试现场的相关参数值，利用MSP430单片机的I/O端口来设计键盘电路。它的6组端口的8个I/O管脚都可以单独设置成输入和输出，P2端口可以单独设置为中断或只读口分别与P20～P24连接。键盘由返回键、右移键、增1键、左移键、修改键组成。当修改键有按键动作时，触发键盘中断，其他按键不响应中断。当进入中断后，按下其他任意键使得对应P2口由100 Ω和1 kΩ 2个电阻对33 V分压为高电平3 V，弹起键时对应P2口为低电平0，以此作为键盘扫描判断。

13显示电路

采用低功耗点阵式字符液晶显示器 NOIA5110，此液晶具有低电压供电方式，可选择33Vcc和5Vcc的电压供电。液晶内部采用PCD8544，设计为48行84列的图形显示，所有的显示功能集成在1块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只需很少外部元件且功耗小，正常显示时的工作电流在200 μA以下，且具有掉电模式。芯片的2、3、4脚同单片机P40、P41、P42相连，使用内部振荡器时令6脚接高电平，8引脚所接电容是起延时作用，由于它影响掉电时屏幕上信息消失速度的快慢，通常选01～100 μF。

14电源电路

该单片机的工作电源一般是18～36 V，并且功耗极低，电池电压通过W7805转换成+5 V电源。该芯片输入 5 V，输出电压为33 V，电流为800 mA，能满足大多数低功耗应用场合的要求。

2系统的软件设计

系统的软件包括主程序、各中断服务子程序。系统开机后进入初始化，分别对MSP430的看门狗和晶振、键盘I/O口中断、定时器A和定时器B初始化。当有中断触发时，由中断服务子程序完成响应，否则系统一直处于低功耗模式的休眠状态[5]。

21键盘中断服务子程序

键盘在系统中的作用是根据不同的情况对相关参数进行修改，实现人机对话，本系统键盘中共采用5个按键：key0：返回键，key1：右移键，key2：增1键，key3：左移键，key4：修改键。键盘中断子程序流程见图1，由修改键触发键盘中断，响应中断后，系统关闭其他的所有中断，进入系统设置界面。扫描键盘是否有键按下，如有键按下，查询键码；如果是左移键，光标进行左移操作；如果是右移键，光标进行右移操作；如果是增加键，当前位进行加1操作；如果是返回键，保存修改参数，返回正常显示页面，打开所有中断，中断返回。

[F（W18][TPYF1tif][F]

22液晶显示子程序

液晶显示用来显示相关信息给用户，它也是实现人机对话的重要部分。本系统液晶显示的主要信息是流速、流量、管道直径、雷诺数Re、仪表系数等。首先初始化液晶I/O口和液晶，读取相关要显示的数据，保存至缓冲区，并送入液晶显示，最后中断返回。

23信号采集与处理程序设计

信号经过前置放大后接入P11口，该端口具有定时器A捕获中断作用，主要用来捕获脉冲周期，2个上升沿为1个周期，1个周期有2次捕获，用N来标志测量的周期次数，用F0来标志测量是某个周期的第1个上升沿还是第2个上升沿。为保证测量的精确性，捕获定时器A 10个周期，并对10个周期进行平均。定时器A程序流程如图2所示。开定时器A捕获中断服务程序，查询捕获次数标志F0，如果捕获标志 F0=1，清空定时器A，并开启定时器A；如果捕获标志F0=2，记录定时器A值，判断测量周期标志数N是否为10，不为10，继续开启定时器A，为10，关闭定时器A中断。定时器B中断服务程序工作流程是开定时器B中断服务程序，提取缓冲区数据，并进行数据处理与转换，定时刷新液晶屏显示，清空数据缓冲区，初始化定时器A，开启定时器A中断，让定时器A捕获脉冲。

[F（W17][TPYF2tif][F]

3结论

本研究设计了灌溉用的电容式涡街流量测试系统，其中硬件电路包括信号处理电路、微处理器系统接口电路、电源电路；软件部分由主程序、键盘中断服务子程序、液晶显示子程序、信号采集与处理程序组成。试验验证了该系统设计的正确性和可靠性。该系统还具有结构简单、价格低廉、测试精度高的优点，在农业领域具有广阔的市场应用前景。

[HS2][HT85H]参考文献：[HT8SS][HJ18mm]

[1][（#]赵永科，李跃忠，胡开明 超声波流量计信号驱动与高速切换电路研究[J] 东华理工大学学报：自然科学版，2011，34（2：198-200

[2]管小明，李跃忠，王晓娟 基于MC34063的便携式仪器电源电路设计[J] 东华理工大学学报：自然科学版，2010，33（1：97-100

[3]李跃忠，朱星华，吴伟伟 检测仪表中的数据融合方法[J] 东华理工大学学报：自然科学版，2008，31（1：89-92

[4]葛远香，胡开明 基于MATLAB和Dsp Builder的电网信号FIR滤波器设计[J] 东华理工大学学报：自然科学版，2010，33（2：197-200

[5]汤剑，李昌禧，李跃忠 基于MSP430的超低功耗电容式涡街流量计[J] 自动化与仪表，2007，22（1：21-23[HJ][FL]