專(zhuān)利名稱：量水儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量?jī)x器儀表領(lǐng)域，是一種智能量水儀。
背景技術(shù)：
灌區(qū)渠系測(cè)水量水，作為節(jié)水灌溉和灌區(qū)科學(xué)管理的基本手段，正日益受到人們的重視。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)有限水資源的需求與日俱增，而水的開(kāi)發(fā)成本又日漸加大，在此情況下，對(duì)用水進(jìn)行有效的控制與量測(cè)已越來(lái)越迫切，要求也越來(lái)越高。
目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)灌區(qū)渠系測(cè)水量水的儀器設(shè)備種類(lèi)繁多，如旋槳式流速儀、超聲波流量計(jì)、激光流速儀、孔板、文丘里管、容積式測(cè)流計(jì)和利用灌區(qū)水工建筑物(如閘、涵)或特設(shè)量水設(shè)施(如堰、槽)并通過(guò)傳感器測(cè)量出測(cè)點(diǎn)的參數(shù)(如水位、閘位、壓力)后再計(jì)算出流量來(lái)的儀器儀表等，這些設(shè)備都具有各自的測(cè)量特色和優(yōu)勢(shì)，它們?cè)谇禍y(cè)水量水中發(fā)揮著重要的作用。
不過(guò)上述儀器設(shè)備還存在著一定的缺陷，使用受環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，比如超聲波流量計(jì)、激光流速儀、孔板、文丘里管，雖然系統(tǒng)測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，但其價(jià)格昂貴，安裝、調(diào)試、維護(hù)以及對(duì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的條件要求很高，不宜在面廣量大的灌區(qū)渠系測(cè)水量水中推廣使用；旋槳式流速儀單臺(tái)的價(jià)格便宜(多臺(tái)同步測(cè)試使用時(shí)成本仍然相當(dāng)高)，使用靈活，但可靠性差，需要定期標(biāo)定流量系數(shù)，測(cè)試用時(shí)較長(zhǎng)，不宜作為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的設(shè)備來(lái)用；利用灌區(qū)水工建筑物或特設(shè)量水設(shè)施進(jìn)行測(cè)流的儀器在近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)了不少新產(chǎn)品，但資料表明這些設(shè)備要求修建標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試段面和建造水位測(cè)井，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的固定安裝使用，測(cè)試功能相對(duì)單一，比如有的只能測(cè)水位但卻不能現(xiàn)地測(cè)出流量、有的可以存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)但卻不同時(shí)具備能有線或無(wú)線的與上位計(jì)算機(jī)通訊并組成自動(dòng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種無(wú)需依賴水位測(cè)井，可以便攜移動(dòng)巡測(cè)或固定安裝使用的，能結(jié)合量水結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)量流量、水位和可以通過(guò)有線或無(wú)線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊的量水儀。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，一種量水儀，包括傳感器，設(shè)有采樣轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路，傳感器的水位輸出信號(hào)通過(guò)采樣轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)，單片機(jī)與存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路之間以總線方式連接。
所述采樣轉(zhuǎn)換電路包括信號(hào)通道電路、信號(hào)放大器、采樣保持芯片、轉(zhuǎn)換器，傳感器的水位輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)通道電路輸入信號(hào)放大器，放大后進(jìn)入采樣保持芯片，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。
而且，單片機(jī)外圍設(shè)有輸出接口，輸出接口包括串口、打印機(jī)接口、I/O接口、模擬量信號(hào)輸出接口；串口采用RS-232通訊接口芯片，與單片機(jī)相應(yīng)引腳連接；打印機(jī)接口和I/O接口由可編程并行接口芯片實(shí)現(xiàn)，可編程并行接口芯片與單片機(jī)以總線方式連接；模擬量信號(hào)輸出接口采用D/A轉(zhuǎn)換器芯片，D/A轉(zhuǎn)換器芯片和單片機(jī)以總線方式連接。
本實(shí)用新型采用單片機(jī)做為核心芯片，根據(jù)所測(cè)量值的量和邏輯的關(guān)系，單片機(jī)能判別出實(shí)時(shí)水流形態(tài)并自動(dòng)調(diào)用所對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式及運(yùn)算系數(shù)，最后輸出所需的結(jié)果。系統(tǒng)的接口可以連接打印機(jī)、可以用來(lái)與其他水利設(shè)備的執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電路相接駁以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制(如固定安裝使用的量水儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)閘門(mén)啟閉的控制)；通過(guò)通信接口，還可以用無(wú)線擴(kuò)頻數(shù)傳電臺(tái)或有線的方式將相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，多個(gè)固定安裝使用的儀器即可組成功能更為強(qiáng)大的自動(dòng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。對(duì)用于移動(dòng)巡測(cè)的便攜機(jī)，可以根據(jù)各渠道及量水結(jié)構(gòu)的具體情況，通過(guò)儀器鍵盤(pán)按編號(hào)一一設(shè)置并儲(chǔ)存相關(guān)系數(shù)，當(dāng)測(cè)試時(shí)只要根據(jù)被測(cè)流的渠道調(diào)出其對(duì)應(yīng)的編號(hào)后再把水位傳感器放入流道規(guī)定的測(cè)點(diǎn)位置即可實(shí)施測(cè)流。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，功能齊全，使用靈活方便，可以在各量水點(diǎn)人工流動(dòng)巡測(cè)，也可以固定安裝無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)控運(yùn)行。


圖1本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實(shí)用新型具體實(shí)施例主電路圖；圖3本實(shí)用新型具體實(shí)施例的電源及電路圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1～3，本實(shí)用新型提供一種量水儀，包括傳感器，設(shè)有采樣轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路，傳感器的水位輸出信號(hào)通過(guò)采樣轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)，單片機(jī)與存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路之間以總線(數(shù)據(jù)DB、地址AB和控制CB)方式連接。考慮到灌區(qū)一般遠(yuǎn)離中大城市，較為偏避，所以本實(shí)用新型選用最常用的元件，其結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單和通用，以保證系統(tǒng)的可靠和維護(hù)的方便。
本實(shí)用新型實(shí)施例采用89C52PI單片機(jī)U1，U1內(nèi)含8k字節(jié)的程序存貯器，工作溫度從-40℃～80℃，實(shí)驗(yàn)證明可以滿足包括戶外的使用要求；U5為28腳的IC插座，可根據(jù)需要插上SRAM0064~SRAM0256(8k~32k字節(jié))的可掉電保護(hù)存貯器芯片，該存貯器芯片用來(lái)記憶各個(gè)被測(cè)流道30次以上的測(cè)試數(shù)據(jù)組，以供事后進(jìn)行調(diào)用和處理；選用DS12B887芯片U6做為系統(tǒng)日歷時(shí)鐘，其片內(nèi)128字節(jié)掉電自保存貯器可以用來(lái)記憶量水儀的工作設(shè)置系數(shù)；本實(shí)用新型的鍵盤(pán)/顯示電路由鍵盤(pán)顯示接口芯片8279屬于現(xiàn)有技術(shù)，具體實(shí)施時(shí)根據(jù)需要制作鍵盤(pán)和顯示電路板，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)碼顯示和鍵盤(pán)按鍵即可，與主電路板的連接則通過(guò)總線接口(CZ2-1、CZ2-3、CZ2-18、CZ2-19、CZ2-17、CZ2-16、CZ2-5、CZ2-15、CZ2-14、CZ2-13、CZ2-12、CZ2-11、CZ2-9)實(shí)現(xiàn)。由于本實(shí)用新型實(shí)施例電路為總線連接模式，故采用8位的74HC573芯片U2作地址鎖存器，對(duì)單片機(jī)U1的P0口進(jìn)行鎖存，并擴(kuò)展輸出總線地址；采用可編程邏輯陣列器件GAL16V8(U3)作為地址分配芯片，U3和U2配合以實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍各擴(kuò)展功能芯片(如SRAM 0064~0256、27C512、DS12887、8279、8155、AD574、0832等)的片選和尋址，各芯片間具體連接可參考芯片資料?？紤]到功能擴(kuò)展，主電路板上留有一個(gè)28腳的IC插座U4，插上非容易存貯器(EPROM)27C512芯片，即可再增加64k字節(jié)程序存貯器的容量。
為了采集傳感器的模擬量信號(hào)輸入，本實(shí)用新型的采樣轉(zhuǎn)換電路所述采樣轉(zhuǎn)換電路包括信號(hào)通道電路、信號(hào)放大器、采樣保持芯片、轉(zhuǎn)換器。
傳感器的水位輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)通道輸入信號(hào)放大器，放大后進(jìn)入采樣保持芯片，然后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)作進(jìn)一步的處理。傳感器輸出信號(hào)如為0～50mV時(shí)，8路信號(hào)輸入(IN0~7)可由模擬信號(hào)通道No.1~8并通過(guò)接口(CZ4-3、CZ4-4、CZ4-5、CZ4-6、CZ4-7、CZ4-8、CZ4-9、CZ4-10)直接進(jìn)入主電路板(參見(jiàn)圖2、3中CZ4)，在放大到0～5V后由采樣保持芯片保持，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。此時(shí)，圖3中則無(wú)需焊接電阻R1~R16和電容C1~C8，只將R9~R16的各2個(gè)焊盤(pán)分別短接即可。本實(shí)用新型具體實(shí)施例采用8選1多路開(kāi)關(guān)芯片CD4051(U9)組成8路模擬量信號(hào)輸入通道，這樣對(duì)于固定安裝使用的量水儀，便于用數(shù)個(gè)傳感器對(duì)所需的多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，具體實(shí)施時(shí)可以根據(jù)需要擴(kuò)充設(shè)計(jì)更多的通道。本實(shí)用新型具體實(shí)施例信號(hào)放大器選用INA114芯片(U13)。如果選用輸出為4～20mA電流信號(hào)的傳感器，則需拆除圖2中的U13并短接CZ7，輸入信號(hào)通過(guò)圖3中的250Ω精密電阻R1~R8轉(zhuǎn)換成1～5V的電壓信號(hào)即可。本實(shí)用新型具體實(shí)施例采用LF398(U10)做為采樣保持芯片。本實(shí)用新型具體實(shí)施例采用12bit逐次逼近型AD574(也可選用TLV2544或ICL7135)芯片U8做為模/數(shù)(A/D)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將傳感器的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)使用。
為了豐富本實(shí)用新型的功能，單片機(jī)外圍設(shè)有輸出接口，輸出接口包括串口、打印機(jī)接口、I/O(輸入/輸出)接口、模擬量信號(hào)輸出接口；串口采用RS-232通訊接口芯片，與單片機(jī)相應(yīng)引腳連接；打印機(jī)接口和I/O接口由可編程并行接口芯片實(shí)現(xiàn)，可編程并行接口芯片與單片機(jī)以總線方式連接；模擬量信號(hào)輸出接口采用D/A轉(zhuǎn)換器芯片，D/A轉(zhuǎn)換器芯片和單片機(jī)以總線方式連接。
本實(shí)用新型具體實(shí)施例采用的串行通信接口芯片MAX232AX(U11)與單片機(jī)相應(yīng)引腳(RXD、TXD)連接。U11可與PC機(jī)等其他具有RS-232接口的裝置實(shí)現(xiàn)通信(輸出數(shù)據(jù)接口為CZ6-3、CZ6-4)，若儀器固定安裝使用，可通過(guò)無(wú)線擴(kuò)頻數(shù)傳電臺(tái)與上端微機(jī)組成自動(dòng)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)；若移動(dòng)使用，則可在巡測(cè)結(jié)束后用RS-232接口連接線將所需的測(cè)試數(shù)據(jù)(包括存儲(chǔ)的全部歷史數(shù)據(jù)組)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。
本實(shí)用新型具體實(shí)施例采用8155芯片U7做為可編程并行I/O接口，如上所述U7與U1以總線方式連接，其I/O端口(CZ1-7、CZ1-6、CZ1-5、CZ1-4、CZ1-11、CZ1-10、CZ1-9、CZ1-8、CZ1-13、CZ1-2)做為打印機(jī)接口，可以接微型打印機(jī)打印測(cè)試數(shù)據(jù)；如果自動(dòng)控制需要，可以通過(guò)光隔離輸出通道(I/O端口CZ3-2、CZ3-19、CZ3-1、CZ3-20經(jīng)光隔離芯片處理)輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)去驅(qū)動(dòng)被控電路；如果傳感器輸出為開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí)，U7的I/O端口可作為本量水儀的信號(hào)輸入通道來(lái)用(圖1虛線所示)，通過(guò)光隔離輸入通道(I/O端口CZ3-7、CZ3-8、CZ3-9、CZ3-10經(jīng)光隔離芯片處理)輸入量水儀的水位輸出信號(hào)；不帶光隔離的I/O端口(CZ3-17、CZ3-4、CZ3-16、CZ3-15、CZ3-6、CZ3-5)可以單路使用。由此可見(jiàn)，為了滿足用戶針對(duì)各自實(shí)際情況的需求，本實(shí)用新型在硬件上支持與多種不同類(lèi)型、不同量程的水位傳感器配套使用，如擴(kuò)散硅壓力應(yīng)變式的(4～20mA或0～50mV)、浮子碼盤(pán)式的(格雷碼、BCD碼或4～20mA)或超聲波式的(4～20mA)，量程可0～5m、或0～10m、或-5～+15m等。對(duì)于不同類(lèi)型、不同量程的傳感器，軟件上也有稍許區(qū)別。
本實(shí)用新型具體實(shí)施例采用ADC0832芯片U12進(jìn)行8bit的D/A轉(zhuǎn)換，如果自動(dòng)控制需要，可以輸出一路模擬信號(hào)(CZ4-1)去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件。
除了留有上述接口外，儀器主電路板上還可預(yù)留總線端口接插件，以便在現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上能很方便地根據(jù)需要擴(kuò)展其他功能，比如增添刷卡器，實(shí)現(xiàn)刷卡記費(fèi)供水的功能。
本實(shí)用新型的工作就有賴于上述各部分的相互協(xié)調(diào)。自動(dòng)(固定安裝使用時(shí))或人工鍵盤(pán)操作(移動(dòng)巡測(cè)使用時(shí))，將傳感器輸出被測(cè)量的信號(hào)經(jīng)變換、保持和采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)U1進(jìn)行處理(傳感器輸出若是開(kāi)關(guān)量信號(hào)則通過(guò)U7的I/O口被單片機(jī)U1讀取)，測(cè)量結(jié)果由顯示屏顯示，并可以根據(jù)用戶的選擇實(shí)施打印、存儲(chǔ)和上傳。該過(guò)程是通過(guò)對(duì)單片機(jī)U1編程實(shí)現(xiàn)的。
為了方便實(shí)施，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了采用交流電源(AC)或者直流電源(DC)向系統(tǒng)供電的具體方案。如用交流電供電，220V電源經(jīng)降壓整流后，由穩(wěn)壓模塊LM323K、78H12K、7824K輸出+5V、+12V和+24V三組電壓供量水儀主電路板(參見(jiàn)圖2、3中CZ5)、無(wú)線擴(kuò)頻電臺(tái)(由接口4PIN供給)和各傳感變送器(參見(jiàn)圖2、3中CZ4)使用；如無(wú)交流電源或在野外作業(yè)時(shí)，則可以由2組+12V的外接蓄電池或者太陽(yáng)能電池通過(guò)接插件向系統(tǒng)供電(設(shè)置交直流切換開(kāi)關(guān)S1-1、S1-2)。為了減輕重量、減少體積和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，選用了AO512D型高性能DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片向主電路板上的A/D、D/A及儀表放大器等低功耗芯片提供所需要的±12V電源(參見(jiàn)圖2、3中CZ5)。上述電源組，具體實(shí)施時(shí)視所選用的傳感器和實(shí)際需要，只須簡(jiǎn)單地更換合適輸出的穩(wěn)壓模塊便可得以解決。
權(quán)利要求1.一種量水儀，包括傳感器，其特征在于設(shè)有采樣轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路，傳感器的水位輸出信號(hào)通過(guò)采樣轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)，單片機(jī)與存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路之間以總線方式連接。
2.如權(quán)利要求1所述的量水儀，其特征在于所述采樣轉(zhuǎn)換電路包括信號(hào)通道電路、信號(hào)放大器、采樣保持芯片、轉(zhuǎn)換器，傳感器的水位輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)通道電路輸入信號(hào)放大器，放大后進(jìn)入采樣保持芯片，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的量水儀，其特征在于單片機(jī)外圍設(shè)有輸出接口，輸出接口包括串口、打印機(jī)接口、I/O接口、模擬量信號(hào)輸出接口；串口采用RS-232通訊接口芯片，與單片機(jī)相應(yīng)引腳連接；打印機(jī)接口和I/O接口由可編程并行接口芯片實(shí)現(xiàn)，可編程并行接口芯片與單片機(jī)以總線方式連接；模擬量信號(hào)輸出接口采用D/A轉(zhuǎn)換器芯片，D/A轉(zhuǎn)換器芯片和單片機(jī)以總線方式連接。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種量水儀，包括傳感器，其特征在于設(shè)有采樣轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路，傳感器的水位信號(hào)通過(guò)采樣轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)，單片機(jī)與存貯器、日歷時(shí)鐘芯片、鍵盤(pán)/顯示電路之間以總線方式連接。本實(shí)用新型采用單片機(jī)做為核心芯片，根據(jù)所測(cè)量值的量和邏輯的關(guān)系，判別出實(shí)時(shí)水流形態(tài)并自動(dòng)調(diào)用所對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式及運(yùn)算系數(shù)，最后輸出所需的結(jié)果。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，功能齊全，使用靈活方便，可以在各量水點(diǎn)人工流動(dòng)巡測(cè)，也可以固定安裝無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)控運(yùn)行。
文檔編號(hào)G08C19/00GK2812156SQ20052009570
公開(kāi)日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者童剛, 王長(zhǎng)德 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)