CN2812156Y - 量水仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种量水仪，包括传感器，其特征在于：设有采样转换电路、单片机、存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路，传感器的水位信号通过采样转换电路输入单片机，单片机与存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路之间以总线方式连接。本实用新型采用单片机做为核心芯片，根据所测量值的量和逻辑的关系，判别出实时水流形态并自动调用所对应的计算公式及运算系数，最后输出所需的结果。本实用新型结构简单，成本低廉，功能齐全，使用灵活方便，可以在各量水点人工流动巡测，也可以固定安装无人值守自动测控运行。

Description

量水仪

技术领域

本实用新型涉及测量仪器仪表领域，是一种智能量水仪。

背景技术

灌区渠系测水量水，作为节水灌溉和灌区科学管理的基本手段，正日益受到人们的重视。随着工农业的发展，对有限水资源的需求与日俱增，而水的开发成本又日渐加大，在此情况下，对用水进行有效的控制与量测已越来越迫切，要求也越来越高。

目前国内外针对灌区渠系测水量水的仪器设备种类繁多，如旋桨式流速仪、超声波流量计、激光流速仪、孔板、文丘里管、容积式测流计和利用灌区水工建筑物(如闸、涵)或特设量水设施(如堰、槽)并通过传感器测量出测点的参数(如水位、闸位、压力)后再计算出流量来的仪器仪表等，这些设备都具有各自的测量特色和优势，它们在渠系测水量水中发挥着重要的作用。

不过上述仪器设备还存在着一定的缺陷，使用受环境和现场条件的限制，比如超声波流量计、激光流速仪、孔板、文丘里管，虽然系统测量精度高，性能稳定，但其价格昂贵，安装、调试、维护以及对测试现场的条件要求很高，不宜在面广量大的灌区渠系测水量水中推广使用；旋桨式流速仪单台的价格便宜(多台同步测试使用时成本仍然相当高)，使用灵活，但可靠性差，需要定期标定流量系数，测试用时较长，不宜作为长期监测的设备来用；利用灌区水工建筑物或特设量水设施进行测流的仪器在近几年来开发了不少新产品，但资料表明这些设备要求修建标准测试段面和建造水位测井，点对点的固定安装使用，测试功能相对单一，比如：有的只能测水位但却不能现地测出流量、有的可以存储测试数据但却不同时具备能有线或无线的与上位计算机通讯并组成自动测控网络。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种无需依赖水位测井，可以便携移动巡测或固定安装使用的，能结合量水结构自动计量流量、水位和可以通过有线或无线与上位机实现通讯的量水仪。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是，一种量水仪，包括传感器，设有采样转换电路、单片机、存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路，传感器的水位输出信号通过采样转换电路输入单片机，单片机与存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路之间以总线方式连接。

所述采样转换电路包括信号通道电路、信号放大器、采样保持芯片、转换器，传感器的水位输出信号经信号通道电路输入信号放大器，放大后进入采样保持芯片，然后经转换器转换后输入单片机。

而且，单片机外围设有输出接口，输出接口包括串口、打印机接口、I/O接口、模拟量信号输出接口；串口采用RS-232通讯接口芯片，与单片机相应引脚连接；打印机接口和I/O接口由可编程并行接口芯片实现，可编程并行接口芯片与单片机以总线方式连接；模拟量信号输出接口采用D/A转换器芯片，D/A转换器芯片和单片机以总线方式连接。

本实用新型采用单片机做为核心芯片，根据所测量值的量和逻辑的关系，单片机能判别出实时水流形态并自动调用所对应的计算公式及运算系数，最后输出所需的结果。系统的接口可以连接打印机、可以用来与其他水利设备的执行驱动电路相接驳以实现自动控制(如固定安装使用的量水仪可以实现对电动闸门启闭的控制)；通过通信接口，还可以用无线扩频数传电台或有线的方式将相关的测试数据传输到上位计算机进行进一步的处理，多个固定安装使用的仪器即可组成功能更为强大的自动测控网络。对用于移动巡测的便携机，可以根据各渠道及量水结构的具体情况，通过仪器键盘按编号一一设置并储存相关系数，当测试时只要根据被测流的渠道调出其对应的编号后再把水位传感器放入流道规定的测点位置即可实施测流。本实用新型结构简单，成本低廉，功能齐全，使用灵活方便，可以在各量水点人工流动巡测，也可以固定安装无人值守自动测控运行。

附图说明

图1本实用新型系统结构示意图；

图2本实用新型具体实施例主电路图；

图3本实用新型具体实施例的电源及电路图。

具体实施方式

参见图1～3，本实用新型提供一种量水仪，包括传感器，设有采样转换电路、单片机、存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路，传感器的水位输出信号通过采样转换电路输入单片机，单片机与存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路之间以总线(数据DB、地址AB和控制CB)方式连接。考虑到灌区一般远离中大城市，较为偏避，所以本实用新型选用最常用的元件，其结构尽可能简单和通用，以保证系统的可靠和维护的方便。

本实用新型实施例采用89C52PI单片机U1，U1内含8k字节的程序存贮器，工作温度从-40℃～80℃，实验证明可以满足包括户外的使用要求；U5为28脚的IC插座，可根据需要插上SRAM0064~SRAM0256(8k~32k字节)的可掉电保护存贮器芯片，该存贮器芯片用来记忆各个被测流道30次以上的测试数据组，以供事后进行调用和处理；选用DS12B887芯片U6做为系统日历时钟，其片内128字节掉电自保存贮器可以用来记忆量水仪的工作设置系数；本实用新型的键盘/显示电路由键盘显示接口芯片8279属于现有技术，具体实施时根据需要制作键盘和显示电路板，设置相应的数码显示和键盘按键即可，与主电路板的连接则通过总线接口(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)实现。由于本实用新型实施例电路为总线连接模式，故采用8位的74HC573芯片U2作地址锁存器，对单片机U1的P0口进行锁存，并扩展输出总线地址；采用可编程逻辑阵列器件GAL16V8(U3)作为地址分配芯片，U3和U2配合以实现对外围各扩展功能芯片(如SRAM 0064~0256、27C512、DS12887、8279、8155、AD574、0832等)的片选和寻址，各芯片间具体连接可参考芯片资料。考虑到功能扩展，主电路板上留有一个28脚的IC插座U4，插上非容易存贮器(EPROM)27C512芯片，即可再增加64k字节程序存贮器的容量。

为了采集传感器的模拟量信号输入，本实用新型的采样转换电路所述采样转换电路包括信号通道电路、信号放大器、采样保持芯片、转换器。

传感器的水位输出信号经信号通道输入信号放大器，放大后进入采样保持芯片，然后经AD转换器转换成数字信号输入单片机作进一步的处理。传感器输出信号如为0～50mV时，8路信号输入(IN0~7)可由模拟信号通道No.1~8并通过接口(CZ4-3、CZ4-4、CZ4-5、CZ4-6、CZ4-7、CZ4-8、CZ4-9、CZ4-10)直接进入主电路板(参见图2、3中CZ4)，在放大到0～5V后由采样保持芯片保持，经A/D转换器采集转换成数字信号输入单片机。此时，图3中则无需焊接电阻R1~R16和电容C1~C8，只将R9~R16的各2个焊盘分别短接即可。本实用新型具体实施例采用8选1多路开关芯片CD4051(U9)组成8路模拟量信号输入通道，这样对于固定安装使用的量水仪，便于用数个传感器对所需的多个测点信号实现自动采集，具体实施时可以根据需要扩充设计更多的通道。本实用新型具体实施例信号放大器选用INA114芯片(U13)。如果选用输出为4～20mA电流信号的传感器，则需拆除图2中的U13并短接CZ7，输入信号通过图3中的250Ω精密电阻R1~R8转换成1～5V的电压信号即可。本实用新型具体实施例采用LF398(U10)做为采样保持芯片。本实用新型具体实施例采用12bit逐次逼近型AD574(也可选用TLV2544或ICL7135)芯片U8做为模/数(A/D)信号转换器，将传感器的模拟量信号转换为数字信号供单片机使用。

为了丰富本实用新型的功能，单片机外围设有输出接口，输出接口包括串口、打印机接口、I/O(输入/输出)接口、模拟量信号输出接口；串口采用RS-232通讯接口芯片，与单片机相应引脚连接；打印机接口和I/O接口由可编程并行接口芯片实现，可编程并行接口芯片与单片机以总线方式连接；模拟量信号输出接口采用D/A转换器芯片，D/A转换器芯片和单片机以总线方式连接。

本实用新型具体实施例采用的串行通信接口芯片MAX232AX(U11)与单片机相应引脚(RXD、TXD)连接。U11可与PC机等其他具有RS-232接口的装置实现通信(输出数据接口为CZ6-3、CZ6-4)，若仪器固定安装使用，可通过无线扩频数传电台与上端微机组成自动测控网络；若移动使用，则可在巡测结束后用RS-232接口连接线将所需的测试数据(包括存储的全部历史数据组)传输到PC机进行进一步的处理。

本实用新型具体实施例采用8155芯片U7做为可编程并行I/O接口，如上所述U7与U1以总线方式连接，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)做为打印机接口，可以接微型打印机打印测试数据；如果自动控制需要，可以通过光隔离输出通道(I/O端口CZ3-2、CZ3-19、CZ3-1、CZ3-20经光隔离芯片处理)输出开关量信号去驱动被控电路；如果传感器输出为开关量信号时，U7的I/O端口可作为本量水仪的信号输入通道来用(图1虚线所示)，通过光隔离输入通道(I/O端口CZ3-7、CZ3-8、CZ3-9、CZ3-10经光隔离芯片处理)输入量水仪的水位输出信号；不带光隔离的I/O端口(CZ3-17、CZ3-4、CZ3-16、CZ3-15、CZ3-6、CZ3-5)可以单路使用。由此可见，为了满足用户针对各自实际情况的需求，本实用新型在硬件上支持与多种不同类型、不同量程的水位传感器配套使用，如扩散硅压力应变式的(4～20mA或0～50mV)、浮子码盘式的(格雷码、BCD码或4～20mA)或超声波式的(4～20mA)，量程可0～5m、或0～10m、或-5～+15m等。对于不同类型、不同量程的传感器，软件上也有稍许区别。

本实用新型具体实施例采用ADC0832芯片U12进行8bit的D/A转换，如果自动控制需要，可以输出一路模拟信号(CZ4-1)去驱动执行器件。

除了留有上述接口外，仪器主电路板上还可预留总线端口接插件，以便在现有硬件基础上能很方便地根据需要扩展其他功能，比如增添刷卡器，实现刷卡记费供水的功能。

本实用新型的工作就有赖于上述各部分的相互协调。自动(固定安装使用时)或人工键盘操作(移动巡测使用时)，将传感器输出被测量的信号经变换、保持和采样后转换为数字信号供单片机U1进行处理(传感器输出若是开关量信号则通过U7的I/O口被单片机U1读取)，测量结果由显示屏显示，并可以根据用户的选择实施打印、存储和上传。该过程是通过对单片机U1编程实现的。

为了方便实施，本实用新型实施例提供了采用交流电源(AC)或者直流电源(DC)向系统供电的具体方案。如用交流电供电，220V电源经降压整流后，由稳压模块LM323K、78H12K、7824K输出+5V、+12V和+24V三组电压供量水仪主电路板(参见图2、3中CZ5)、无线扩频电台(由接口4PIN供给)和各传感变送器(参见图2、3中CZ4)使用；如无交流电源或在野外作业时，则可以由2组+12V的外接蓄电池或者太阳能电池通过接插件向系统供电(设置交直流切换开关S1-1、S1-2)。为了减轻重量、减少体积和简化结构，选用了AO512D型高性能DC-DC电源转换芯片向主电路板上的A/D、D/A及仪表放大器等低功耗芯片提供所需要的±12V电源(参见图2、3中CZ5)。上述电源组，具体实施时视所选用的传感器和实际需要，只须简单地更换合适输出的稳压模块便可得以解决。

Claims (3)

1.一种量水仪，包括传感器，其特征在于：设有采样转换电路、单片机、存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路，传感器的水位输出信号通过采样转换电路输入单片机，单片机与存贮器、日历时钟芯片、键盘/显示电路之间以总线方式连接。

2.如权利要求1所述的量水仪，其特征在于：所述采样转换电路包括信号通道电路、信号放大器、采样保持芯片、转换器，传感器的水位输出信号经信号通道电路输入信号放大器，放大后进入采样保持芯片，然后经转换器转换后输入单片机。

3.如权利要求1或2所述的量水仪，其特征在于：单片机外围设有输出接口，输出接口包括串口、打印机接口、I/O接口、模拟量信号输出接口；串口采用RS-232通讯接口芯片，与单片机相应引脚连接；打印机接口和I/O接口由可编程并行接口芯片实现，可编程并行接口芯片与单片机以总线方式连接；模拟量信号输出接口采用D/A转换器芯片，D/A转换器芯片和单片机以总线方式连接。

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