CN115268322A - 一种基于单片机的渠道流量测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的渠道流量测量系统及测量方法，测量系统包括：参数显示单元；水深采集单元；流速采集单元；电源供电单元；水温采集单元；电压采集单元；人机交互单元；通信单元和GPS模块。本发明用于灌溉明渠的水深、流速及流量测量，操作便捷，测量准确度高，数据存储查看便捷，可实现远程控制与传输。

Description

一种基于单片机的渠道流量测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及水体渠道流量测量技术领域，尤其涉及一种基于单片机的渠道流量测量系统及测量方法。

背景技术

现如今工业用水、农业用水以及居民生活用水量日益剧增，国家水资源越来越紧张，另外水污染也使可利用的水资源越来越少。如何打赢打好碧水保卫战，严格控制水资源利用已是亟需解决的问题，而解决这些问题的根本是如何准确地测量水的流量流速，从而实时掌握来水、取水、用水和排水动态，保证信息的准确性和实时性。因此，明渠流速流量的精确测量显得非常重要。

采用雷达或超声等非接触式水位计进行水深的测量工作时，由于发射角的限制，会存在一定的盲区，具有一定的局限性；使用ADCP进行流速和水深测量时，针对直线明槽式明渠的检定精度较差。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于单片机的渠道流量测量系统及测量方法，用于灌溉明渠的水深、流速及流量测量，操作便捷，测量准确度高，数据存储查看便捷，可实现远程控制与传输。

本发明提供的一种基于单片机的渠道流量测量系统，包括：

参数显示单元，包括微处理器及分别与所述微处理器相连接的硬件复位模块、实时时钟模块、数据下载模块、液晶显示模块、按键控制模块、数据存储模块和串口通信模块；

水深采集单元，与所述微处理器相连接，用于采集测量点位的水深信息；

流速采集单元，与所述微处理器相连接，用于采集测量点位水的流速信息；

电源供电单元，分别与所述参数显示单元、水深采集单元和流速采集单元相连接；

水温采集单元，与所述微处理器相连接，用于采集测量点位的水温信息；

电压采集单元，分别与所述水深采集单元和流速采集单元相连接，用于采集所述水深采集单元和流速采集单元的工作电压，所述电压采集单元与微处理器相连接；

人机交互单元，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；

通信单元，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；

GPS模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接。

进一步的，所述水深采集单元包括高频压力传感器；所述流速采集单元包括锁存霍尔磁敏传感器和三叶旋桨。

进一步的，所述电源供电单元包括：

锂电池，依次通过整流滤波电路、电压转换电路和低功耗处理电路分别与参数显示单元、水深采集单元和流速采集单元相连接；

充电模块，与所述锂电池相连接。

进一步的，所述人机交互单元包括：

语音交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；

蓝牙交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述参数显示单元与移动终端之间的通信连接。

进一步的，所述通信单元包括：

RS485通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述参数显示单元与计算机之间的通信连接；

NB-IoT通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述参数显示单元与远程服务器之间的通信连接。

另，本发明还提供了一种基于单片机的渠道流量测量方法，包括如下步骤：

S1：初始设置，单片机程序初始化，设置通信串口参数，设置测量采样时间间隔Ts，配置测量参数，所述测量参数包括渠底宽度、渠道一侧坡比A₁、渠道另一侧坡比B₁、一侧边坡流速系数A₂、另一侧边坡流速系数B₂；

S2：配置测量垂线，按渠道底部宽度等间距布置M条垂线，M为不小于2的正整数，两端的垂线均布置于渠道底部与边坡的拐点处；

S3：选择一条垂线，按测量采样时间间隔Ts，采集该垂线处的水温值和水深信息的模拟量信号，按采样顺序，取后N组数据求均值，获得水深模拟量信号值h₁，根据曲线拟合方程H_a＝x₁*h₁+x₂计算得出水深值H_a，其中，x₁为水深斜率，x₂为水深截距；对水深值H_a进行修正，获得修正水深值H_b，H_b＝H_a*(x₃*t+x₄)，其中，t为水温值，x₃为温度斜率，x₄为温度截距；

S4：根据垂线处的修正水深值H_b，设置该垂线上的测量点数；H_b≤0.8m，设置一个测量点；0.8m<H_b≤1.0m，设置两个测量点；1.0m<H_b≤3.0m，设置三个测量点；H_b>3.0m，设置五个测量点；

S5：测量点的流速测量，按采样顺序，取后N组数据求均值，获得流速模拟量信号v，根据曲线拟合方程V＝x₅*v+x₆计算得出瞬时流速值V，其中，x₅为瞬时流速斜率、x₆为瞬时流速截距；获取n组瞬时流速值V，求均值后获得该测量点的平均流速

按照由浅到深的顺序获取该垂线上的各测量点的平均流速

S6：根据垂线上各测量点的平均流速

计算出垂线流速V_m；

一个测量点：

为0.6H_b水深处的平均流速

两个测量点：

为0.8H_b水深处的平均流速

三个测量点：

或

为0.2H_b水深处的平均流速

五个测量点：

为水面处的平均流速

为H_b水深处的平均流速

S7：返回S12步骤，获取其他垂线处的修正水深值H_b和垂线流速V_m，直至完成全部垂线的测量；

S8：根据各垂线分割的渠道断面，计算出各部分的面积；

S_n-1,n＝0.5(H_n-1+H_n)*l_n-1,n，S_0,1＝0.5H₁*l_0,1，S_n,n+1＝0.5H_n*l_n,n+1，其中n为不小于2的正整数，H_n为第n条垂线处的修正水深值，l_n-1,n为第n-1条和第n条两条垂线之间的水平间距，S_0,1为第1条垂线与同侧的边坡围成的三角形面积，S_n,n+1为第n条垂线与同侧的边坡围成的三角形面积；

S9：根据各垂线分割的渠道断面，计算出各断面的分流量值；

q_n-1,n＝V_n-1,n*S_n-1,n，q_0,1＝V_0,1*S_0,1，q_n,n+1＝V_n,n+1*S_n,n+1，其中n为不小于2的正整数，V_n-1,n为第n-1条垂线上的垂线流速V_m和第n条垂线上的垂线流速V_m的均值，V_0,1为第1条垂线上的垂线流速V_m乘以同侧的边坡流速系数A₂或B₂，V_n,n+1为第n条垂线上的垂线流速V_m乘以同侧的边坡流速系数B₂或A₂；

S10：计算总流量值，Q＝q_0,1+q_1,2+......+q_n,n+1；

S11：数据存储，按照数据采集顺序，按照修正水深值H_b-垂线流速V_m-总流量值Q-经纬度-测试时间为一组数据，进行存储；

S12：数据传输，将存储数据分别通过RS485通信模块发送至本地计算机，通过NB-IoT通信模块发送给管理中心服务器，通过蓝牙发至移动终端。

进一步的，所述通信串口参数包括语音交互串口参数、蓝牙交互串口参数、RS485通信串口参数和NB-IoT通信串口参数。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：

本发明通过水深采集单元和流速采集单元获取水深和水流速信息，经滑动平均滤波处理后传输至参数显示单元进行数据处理，得到水深值、流速值和流量值。以单片机为核心，实现了自动化测量。用于灌溉明渠的水深、流速及流量测量，操作便捷，检测准确。数据存储查看便捷，可实现远程控制与传输，确保对明渠流量的实时监测和精确测量。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为渠道流量测量系统的结构框图；

图2为渠道流量测量方法的流程图。

图中标号：1、参数显示单元；2、水深采集单元；3、流速采集单元；4、电源供电单元；5、水温采集单元；6、电压采集单元；7、人机交互单元；8、通信单元；9、GPS模块；

11、微处理器；12、硬件复位模块；13、实时时钟模块；14、数据下载模块；15、液晶显示模块；16、按键控制模块；17、数据存储模块；18、串口通信模块；

41、锂电池；42、整流滤波电路；43、电压转换电路；44、低功耗处理电路；45、充电模块；

71、语音交互模块；72、蓝牙交互模块；

81、RS485通信模块；82、NB-IoT通信模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于单片机的渠道流量测量系统，包括：

参数显示单元1，包括微处理器11及分别与微处理器11相连接的硬件复位模块12、实时时钟模块13、数据下载模块14、液晶显示模块15、按键控制模块16、数据存储模块17和串口通信模块18；

水深采集单元2，与微处理器11相连接，用于采集测量点位的水深信息；

流速采集单元3，与微处理器11相连接，用于采集测量点位水的流速信息；

电源供电单元4，分别与参数显示单元1、水深采集单元2和流速采集单元3相连接；

水温采集单元5，与微处理器11相连接，用于采集测量点位的水温信息；

电压采集单元6，分别与水深采集单元2和流速采集单元3相连接，用于采集水深采集单元2和流速采集单元3的工作电压，电压采集单元6与微处理器11相连接；

人机交互单元7，通过串口通信模块18与微处理器11相连接；

通信单元8，通过串口通信模块18与微处理器11相连接；

GPS模块9，通过串口通信模块18与微处理器11相连接。

在本实施例中，通过水深采集单元2和流速采集单元3获取水深及水流速信息，经滑动平均滤波处理后，传输至参数显示单元1进行数据处理，得到水深值、流速值和流量值。然后进行数据存储与数据传输，按照水深值-流速值-总流量值-经纬度-测试时间为一组数据进行存储；通过通信单元8完成数据的传输。

本发明以单片机为核心，实现了自动化测量。用于灌溉明渠的水深、流速及流量测量，操作便捷，检测准确。数据存储查看便捷，可实现远程控制与传输，确保对明渠流量的实时监测和精确测量。

在一优选实施例中，水深采集单元2包括高频压力传感器，用于采集水深信息；流速采集单元3包括锁存霍尔磁敏传感器和三叶旋桨，用于采集水流速信息。

在一优选实施例中，如图1所示，电源供电单元4包括：

锂电池41，依次通过整流滤波电路42、电压转换电路43和低功耗处理电路44分别与参数显示单元1、水深采集单元2和流速采集单元3相连接；

充电模块45，与锂电池41相连接。

在本实施例中，系统采用锂电池41进行供电，通过多种保护电路确保了系统的供电安全，锂电池41采用充电模块45进行充电。

在一优选实施例中，如图1所示，人机交互单元7包括：

语音交互模块71，通过串口通信模块18与微处理器11相连接；

蓝牙交互模块72，通过串口通信模块18与微处理器11相连接，用于参数显示单元1与移动终端之间的通信连接。

在本实施例中，通过语音交互模块71实现了测量系统的语音控制。通过蓝牙交互模块72实现了通过移动终端的操作控制与信息查看。提高了系统操作的便捷性。

在一优选实施例中，如图1所示，通信单元8包括：

RS485通信模块81，通过串口通信模块18与微处理器11相连接，用于参数显示单元1与计算机之间的通信连接；

NB-IoT通信模块82，通过串口通信模块18与微处理器11相连接，用于参数显示单元1与远程服务器之间的通信连接。

另，参考图2，本发明的实施例还提供了一种基于单片机的渠道流量测量方法，包括如下步骤：

S1：初始设置，单片机程序初始化，设置通信串口参数，设置测量采样时间间隔Ts，配置测量参数；所述通信串口参数包括语音交互串口参数、蓝牙交互串口参数、RS485通信串口参数和NB-IoT通信串口参数；所述测量参数包括渠底宽度、渠道一侧坡比A₁、渠道另一侧坡比B₁、一侧边坡流速系数A₂、另一侧边坡流速系数B₂，并生成参数二维码；将参数二维码张贴在渠道边上，方便下次测量，直接扫码便可获取对应位置的测量参数，无需重新设置；

S2：配置测量垂线，按渠道底部宽度等间距布置M条垂线，M为不小于2的正整数，两端的垂线均布置于渠道底部与边坡的拐点处；

S3：选择一条垂线，按测量采样时间间隔Ts，采集该垂线处的水温值和水深信息的模拟量信号，按采样顺序，取后N组数据求均值，获得水深模拟量信号值h₁，根据曲线拟合方程H_a＝x₁*h₁+x₂计算得出水深值H_a，其中，x₁为水深斜率，x₂为水深截距；对水深值H_a进行修正，获得修正水深值H_b，H_b＝H_a*(x₃*t+x₄)，其中，t为水温值，x₃为温度斜率，x₄为温度截距；

S4：根据垂线处的修正水深值H_b，设置该垂线上的测量点数；H_b≤0.8m，设置一个测量点；0.8m<H_b≤1.0m，设置两个测量点；1.0m<H_b≤3.0m，设置三个测量点；H_b>3.0m，设置五个测量点；

S5：测量点的流速测量，按采样顺序，取后N组数据求均值，获得流速模拟量信号v，根据曲线拟合方程V＝x₅*v+x₆计算得出瞬时流速值V，其中，x₅为瞬时流速斜率、x₆为瞬时流速截距；获取n组瞬时流速值V，求均值后获得该测量点的平均流速

按照由浅到深的顺序获取该垂线上的各测量点的平均流速

S6：根据垂线上各测量点的平均流速

计算出垂线流速V_m；

一个测量点：

为0.6H_b水深处的平均流速

两个测量点：

为0.8H_b水深处的平均流速

三个测量点：

或

为0.2H_b水深处的平均流速

五个测量点：

为水面处的平均流速

为H_b水深处的平均流速

S7：返回S12步骤，获取其他垂线处的修正水深值H_b和垂线流速V_m，直至完成全部垂线的测量；

S8：根据各垂线分割的渠道断面，计算出各部分的面积；

S_n-1,n＝0.5(H_n-1+H_n)*l_n-1,n，S_0,1＝0.5H₁*l_0,1，S_n,n+1＝0.5H_n*l_n,n+1，其中n为不小于2的正整数，H_n为第n条垂线处的修正水深值，l_n-1,n为第n-1条和第n条两条垂线之间的水平间距，S_0,1为第1条垂线与同侧的边坡围成的三角形面积，S_n,n+1为第n条垂线与同侧的边坡围成的三角形面积；

S9：根据各垂线分割的渠道断面，计算出各断面的分流量值；

q_n-1,n＝V_n-1,n*S_n-1,n，q_0,1＝V_0,1*S_0,1，q_n,n+1＝V_n,n+1*S_n,n+1，其中n为不小于2的正整数，V_n-1,n为第n-1条垂线上的垂线流速V_m和第n条垂线上的垂线流速V_m的均值，V_0,1为第1条垂线上的垂线流速V_m乘以同侧的边坡流速系数A₂或B₂，V_n,n+1为第n条垂线上的垂线流速V_m乘以同侧的边坡流速系数B₂或A₂；

S10：计算总流量值，Q＝q_0,1+q_1,2+......+q_n,n+1；

S11：数据存储，按照数据采集顺序，按照修正水深值H_b-垂线流速V_m-总流量值Q-经纬度-测试时间为一组数据，进行存储；

S12：数据传输，将存储数据分别通过RS485通信模块发送至本地计算机，通过NB-IoT通信模块发送给管理中心服务器，通过蓝牙发至移动终端。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于单片机的渠道流量测量系统，其特征在于，包括：

参数显示单元，包括微处理器及分别与所述微处理器相连接的硬件复位模块、实时时钟模块、数据下载模块、液晶显示模块、按键控制模块、数据存储模块和串口通信模块；

水深采集单元，与所述微处理器相连接，用于采集测量点位的水深信息；

流速采集单元，与所述微处理器相连接，用于采集测量点位水的流速信息；

电源供电单元，分别与所述参数显示单元、水深采集单元和流速采集单元相连接；

水温采集单元，与所述微处理器相连接，用于采集测量点位的水温信息；

电压采集单元，分别与所述水深采集单元和流速采集单元相连接，用于采集所述水深采集单元和流速采集单元的工作电压，所述电压采集单元与微处理器相连接；

人机交互单元，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；

通信单元，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；

GPS模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的渠道流量测量系统，其特征在于，所述水深采集单元包括高频压力传感器；所述流速采集单元包括锁存霍尔磁敏传感器和三叶旋桨。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的渠道流量测量系统，其特征在于，所述电源供电单元包括：

锂电池，依次通过整流滤波电路、电压转换电路和低功耗处理电路分别与参数显示单元、水深采集单元和流速采集单元相连接；

充电模块，与所述锂电池相连接。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的渠道流量测量系统，其特征在于，所述人机交互单元包括：

语音交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接；

蓝牙交互模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述参数显示单元与移动终端之间的通信连接。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的渠道流量测量系统，其特征在于，所述通信单元包括：

RS485通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述参数显示单元与计算机之间的通信连接；

NB-IoT通信模块，通过所述串口通信模块与微处理器相连接，用于所述参数显示单元与远程服务器之间的通信连接。

6.一种基于单片机的渠道流量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：初始设置，单片机程序初始化，设置通信串口参数，设置测量采样时间间隔Ts，配置测量参数，所述测量参数包括渠底宽度、渠道一侧坡比A₁、渠道另一侧坡比B₁、一侧边坡流速系数A₂、另一侧边坡流速系数B₂；

S2：配置测量垂线，按渠道底部宽度等间距布置M条垂线，M为不小于2的正整数，两端的垂线均布置于渠道底部与边坡的拐点处；

S3：选择一条垂线，按测量采样时间间隔Ts，采集该垂线处的水温值和水深信息的模拟量信号，按采样顺序，取后N组数据求均值，获得水深模拟量信号值h₁，根据曲线拟合方程H_a＝x₁*h₁+x₂计算得出水深值H_a，其中，x₁为水深斜率，x₂为水深截距；对水深值H_a进行修正，获得修正水深值H_b，H_b＝H_a*(x₃*t+x₄)，其中，t为水温值，x₃为温度斜率，x₄为温度截距；

S4：根据垂线处的修正水深值H_b，设置该垂线上的测量点数；H_b≤0.8m，设置一个测量点；0.8m<H_b≤1.0m，设置两个测量点；1.0m<H_b≤3.0m，设置三个测量点；H_b>3.0m，设置五个测量点；

S5：测量点的流速测量，按采样顺序，取后N组数据求均值，获得流速模拟量信号v，根据曲线拟合方程V＝x₅*v+x₆计算得出瞬时流速值V，其中，x₅为瞬时流速斜率、x₆为瞬时流速截距；获取n组瞬时流速值V，求均值后获得该测量点的平均流速

按照由浅到深的顺序获取该垂线上的各测量点的平均流速

S6：根据垂线上各测量点的平均流速

计算出垂线流速V_m；

一个测量点：

为0.6H_b水深处的平均流速

两个测量点：

为0.8H_b水深处的平均流速

三个测量点：

或

为0.2H_b水深处的平均流速

五个测量点：

为水面处的平均流速

为H_b水深处的平均流速

S7：返回S2步骤，获取其他垂线处的修正水深值H_b和垂线流速V_m，直至完成全部垂线的测量；

S8：根据各垂线分割的渠道断面，计算出各部分的面积；

S_n-1,n＝0.5(H_n-1+H_n)*l_n-1,n，S_0,1＝0.5H₁*l_0,1，S_n,n+1＝0.5H_n*l_n,n+1，其中

n为不小于2的正整数，H_n为第n条垂线处的修正水深值，l_n-1,n为第n-1条和第n条两条垂线之间的水平间距，S_0,1为第1条垂线与同侧的边坡围成的三角形面积，S_n,n+1为第n条垂线与同侧的边坡围成的三角形面积；

S9：根据各垂线分割的渠道断面，计算出各断面的分流量值；

q_n-1,n＝V_n-1,n*S_n-1,n，q_0,1＝V_0,1*S_0,1，q_n,n+1＝V_n,n+1*S_n,n+1，其中n为不小于2的正整数，V_n-1,n为第n-1条垂线上的垂线流速V_m和第n条垂线上的垂线流速V_m的均值，V_0,1为第1条垂线上的垂线流速V_m乘以同侧的边坡流速系数A₂或B₂，V_n,n+1为第n条垂线上的垂线流速V_m乘以同侧的边坡流速系数B₂或A₂；

S10：计算总流量值，Q＝q_0,1+q_1,2+......+q_n,n+1；

S11：数据存储，按照数据采集顺序，按照修正水深值H_b-垂线流速V_m-总流量值Q-经纬度-测试时间为一组数据，进行存储；

S12：数据传输，将存储数据分别通过RS485通信模块发送至本地计算机，通过NB-IoT通信模块发送给管理中心服务器，通过蓝牙发至移动终端。

7.根据权利要求6所述的基于单片机的渠道流量测量方法，其特征在于，所述通信串口参数包括语音交互串口参数、蓝牙交互串口参数、RS485通信串口参数和NB-IoT通信串口参数。

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