dn65涡街流量计在农业灌溉水量测量中的系统分析

dn65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dn65涡街流量计将具有重要的意义。
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 **IA5110，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*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。
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。*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，*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*1个上升沿还是*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。
3、结论
本研究设计了灌溉用的dn65涡街流量计测试系统，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。