非接觸式明渠污水流量計的研制

      1 引言

      本系統主要用于對城市及工業排污水流量的監測，為國家的宏觀管理提供信息。其主要技術參數和功能有：

      ① 水位測量范圍：0.030m~1000m，水位分辨率為0.001m；水位測量誤差：±0.003m；流量測量范圍：10 m³/h~1500 m³/h；流量測量誤差：±3%。
      ② 實時按小時存儲流量數據，存儲時間為5個月；查詢和打印歷史數據；實時顯示實測數據；
      ③ 自動顯示運行狀態和操作信息；
      ④ 通過鍵盤操作，設置系統時鐘和巴歇爾槽的類型。
      ⑤ 提供RS~232接口功能；輸出4~20mA標準電流信號。

      2 系統硬件結構的組成

      系統硬件結構圖略，可向作者索取。單片機使用AT89C55WD，該芯片的主要特點是內部集成ROM為20K字節，其它性能與52系列相同。這樣既免去外部ROM的擴展，又提高了系統的可靠性和抗干擾能力。74LS373作為地址鎖存器，將單片機轉換為標準的三總線結構。74LS244驅動器用于提高單片機控制信號的帶載能力，以提高系統工作的可靠性。74LS138譯碼器的高電平使能端E3用P2.7控制，兩個低電平使能端E₁、E₂直接接地，C、B、A分別連接P2.6、P2.5、P2.4，這樣每個譯碼輸出信號控制的地址范圍為4K字節，共計32K字節且為高地址段、低32K字節的地址段被內部帶有鋰電池的DS1320Y非易失性SRAM芯片占用，地址為0000H ~ 7FFFH。主要用于存放歷史數據，作為數據緩沖區和C51高級語言的運行環境。它的片選信號直接接地，即默認為P2.7為低電平時選通，這樣可減少連線和發生故障的概率。

      3 主要模塊功能及其設計

      3.1 信號調理電路、數據采集電路

      調理電路是將壓差傳感器輸出的微弱電壓信號經放大后，再經具有調零、調滿的后級放大電路，通過低通濾波器輸出0~5V 的電壓信號送至A/D轉換電路MAX197進行采集，由單片機檢測并進行相應的數據處理。該電路應用12位A/D轉換芯片MAX197，共有8個模擬輸入通道，工作方式和通道號在同一字節寫入芯片便可啟動轉換，轉換結束信號為有效電平時，分別讀出低8位和高4位，數字化的值為0~4905，對應著壓力即水的深度h為0~1000mm，將此值代入公式Q＝K×Hⁿ，可計算出瞬時流量Q，式中K和指數n由用戶使用的巴歇爾槽的類型來確定。MAX197可編程芯片的工作方式在啟動前可根據需要設置。

      3 鍵盤電路和微型打印機電路

      鍵盤接口電路使用8255可編程并行芯片，片選信號的地址為E000H，PA口連接的是操作鍵。PB口連接著功能鍵并用中斷的方式向系統反映用戶的擊鍵信息，它們通過中斷源擴展電路合用單片機的同一中斷源，單片機響應中斷后，利用查詢的方法再進一步的識別具體的中斷源信號，進行相應的操作。操作鍵是配合功能鍵使用的，在不同的功能鍵下完成不同的操作，以減少系統的空間占用和配線。中斷源擴展電路是通過74LS08與門邏輯電路實現的。鍵盤防抖動和防重復鍵是通過軟件實現的。

      8255的PC口是連接微型打印機數據線與單片機的接口電路，打印機的BUSY信號使用P14進行查詢訪問，選通信號用P1.5控制。打印機的型號為WH4008A/T，每行點數為240，內部配有全部字符集及所有國標一、二級漢字。用戶可自選使用并行接口或串行接口，本系統選擇使用前者。它提供了眾多的打印機控制命令，有漢字的旋轉，放大，字間距調整，打印條形碼和圖形等，編程靈活方便。

      3.3 液晶（LCD）顯示電路

      系統使用SED1335彩色液晶顯示器，有效顯示點陣為320X240，顯示顏色為4色；內藏字符發生器CGROM；可工作在文本顯示模式或圖形顯示模式；其特點是MPU訪問SED1335不需判其“BUSY”，SED1335隨時準備接收MPU的訪問并在內部時序下及時地把MPU發來的指令、數據傳輸就位。與單片機以總線的形式連接，主要信號有：片選信號地址為0xB000，8Bit數據線接P0口、寫入控制線WR、數據/命令選擇信號線接A8。

      3.4 實時時鐘電路

      為節省系統的軟件開銷，使其具有良好的實時性，系統采用硬件DS12887實時時鐘電路。DS12887是內部帶有非遺失性RAM的實時時鐘集成電路。24腳雙列直插封裝組件，在一個組件內有石英晶體、鋰電池和一個集成電路。集成電路內包括振蕩器、日歷時鐘、總線接口、寫保護電路、計數器等部件，寄存器A、B、C、D以及114字節的用戶RAM。占用系統地址：0C000H0C00DH依次是秒、秒報警、分、分報警、時、時報警、周、日、月、年寄存器，A、B、C和D控制寄存器；0C00EH~0C07FH為用戶RAM區。

      3.5 RS232接D電路

      使用兩片MAX232集成電路芯片完成E1A 信號電平標準與TTL信號電平標準之間的轉換，該芯片使用單+5V電源供電，內部具有電壓提升電路。避免了使用其它需用±（12~15）V供電的集成電路芯片所帶來的不便。提供與通信設備硬件握手信號R1、CD、DTR和RTS。

      3.6 輸出4~20mA電路

      電路結構如圖1。兩片8位雙緩沖DAC0832數摸轉換芯片組成一個16位的DAC。輸出時先將數字信號的高8位輸出到DAC0832（1）輸人緩沖器，片選信號為CSH（地址9000H），這時輸出電流不發生變化。當輸出數字信號低8位輸出時，片選信號CSL（地址A000H）使其進入DAC0832（2）的輸入緩沖器，接著Xfer、WRZ信號有效使得輸出的16位數字信號進入DAC0832（2）（1）的輸出緩沖器，輸出電流作相應的變化。放大器A1是將DAC0832輸出的電流信號轉換為電壓信號。調節電位器RW1使得DAC0832（1）的1LSB對輸出的貢獻是DAC832（2）的1LSB的256倍；放大器A2電路部分用于調節其輸出電壓的滿量程值，AD694的功能是將電壓信號0~2V（或0~10V）轉換為4~20mA（或0~20mA）電流信號。

      4 系統的抗干擾措施

      采用合理的接地技術先將數字地和模擬地分別連接并各集中于一點，最后兩者在同一點匯聚；對于PCB板的傳感器輸入信號處理電路部分使用鋪地技術；在軟件上使用數字濾波技術――平均值濾波法，以提高系統的測量精度。

      5 結束語

      本系統經過一段時間的調試、運行，符合系統的技術要求，不久將投放市場。