專利名稱：量水儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量儀器儀表領域，是一種智能量水儀。
背景技術：
灌區渠系測水量水，作為節水灌溉和灌區科學管理的基本手段，正日益受到人們的重視。隨著工農業的發展，對有限水資源的需求與日俱增，而水的開發成本又日漸加大，在此情況下，對用水進行有效的控制與量測已越來越迫切，要求也越來越高。
目前國內外針對灌區渠系測水量水的儀器設備種類繁多，如旋槳式流速儀、超聲波流量計、激光流速儀、孔板、文丘里管、容積式測流計和利用灌區水工建筑物(如閘、涵)或特設量水設施(如堰、槽)并通過傳感器測量出測點的參數(如水位、閘位、壓力)后再計算出流量來的儀器儀表等，這些設備都具有各自的測量特色和優勢，它們在渠系測水量水中發揮著重要的作用。
不過上述儀器設備還存在著一定的缺陷，使用受環境和現場條件的限制，比如超聲波流量計、激光流速儀、孔板、文丘里管，雖然系統測量精度高，性能穩定，但其價格昂貴，安裝、調試、維護以及對測試現場的條件要求很高，不宜在面廣量大的灌區渠系測水量水中推廣使用；旋槳式流速儀單臺的價格便宜(多臺同步測試使用時成本仍然相當高)，使用靈活，但可靠性差，需要定期標定流量系數，測試用時較長，不宜作為長期監測的設備來用；利用灌區水工建筑物或特設量水設施進行測流的儀器在近幾年來開發了不少新產品，但資料表明這些設備要求修建標準測試段面和建造水位測井，點對點的固定安裝使用，測試功能相對單一，比如有的只能測水位但卻不能現地測出流量、有的可以存儲測試數據但卻不同時具備能有線或無線的與上位計算機通訊并組成自動測控網絡。
實用新型內容本實用新型針對現有技術的不足，提供一種無需依賴水位測井，可以便攜移動巡測或固定安裝使用的，能結合量水結構自動計量流量、水位和可以通過有線或無線與上位機實現通訊的量水儀。
為了達到上述目的，本發明提供的技術方案是，一種量水儀，包括傳感器，設有采樣轉換電路、單片機、存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路，傳感器的水位輸出信號通過采樣轉換電路輸入單片機，單片機與存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路之間以總線方式連接。
所述采樣轉換電路包括信號通道電路、信號放大器、采樣保持芯片、轉換器，傳感器的水位輸出信號經信號通道電路輸入信號放大器，放大后進入采樣保持芯片，然后經轉換器轉換后輸入單片機。
而且，單片機外圍設有輸出接口，輸出接口包括串口、打印機接口、I/O接口、模擬量信號輸出接口；串口采用RS-232通訊接口芯片，與單片機相應引腳連接；打印機接口和I/O接口由可編程并行接口芯片實現，可編程并行接口芯片與單片機以總線方式連接；模擬量信號輸出接口采用D/A轉換器芯片，D/A轉換器芯片和單片機以總線方式連接。
本實用新型采用單片機做為核心芯片，根據所測量值的量和邏輯的關系，單片機能判別出實時水流形態并自動調用所對應的計算公式及運算系數，最后輸出所需的結果。系統的接口可以連接打印機、可以用來與其他水利設備的執行驅動電路相接駁以實現自動控制(如固定安裝使用的量水儀可以實現對電動閘門啟閉的控制)；通過通信接口，還可以用無線擴頻數傳電臺或有線的方式將相關的測試數據傳輸到上位計算機進行進一步的處理，多個固定安裝使用的儀器即可組成功能更為強大的自動測控網絡。對用于移動巡測的便攜機，可以根據各渠道及量水結構的具體情況，通過儀器鍵盤按編號一一設置并儲存相關系數，當測試時只要根據被測流的渠道調出其對應的編號后再把水位傳感器放入流道規定的測點位置即可實施測流。本實用新型結構簡單，成本低廉，功能齊全，使用靈活方便，可以在各量水點人工流動巡測，也可以固定安裝無人值守自動測控運行。
圖1本實用新型系統結構示意圖；圖2本實用新型具體實施例主電路圖；圖3本實用新型具體實施例的電源及電路圖。
具體實施方式
參見圖1～3，本實用新型提供一種量水儀，包括傳感器，設有采樣轉換電路、單片機、存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路，傳感器的水位輸出信號通過采樣轉換電路輸入單片機，單片機與存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路之間以總線(數據DB、地址AB和控制CB)方式連接。考慮到灌區一般遠離中大城市，較為偏避，所以本實用新型選用最常用的元件，其結構盡可能簡單和通用，以保證系統的可靠和維護的方便。
本實用新型實施例采用89C52PI單片機U1，U1內含8k字節的程序存貯器，工作溫度從-40℃～80℃，實驗證明可以滿足包括戶外的使用要求；U5為28腳的IC插座，可根據需要插上SRAM0064~SRAM0256(8k~32k字節)的可掉電保護存貯器芯片，該存貯器芯片用來記憶各個被測流道30次以上的測試數據組，以供事后進行調用和處理；選用DS12B887芯片U6做為系統日歷時鐘，其片內128字節掉電自保存貯器可以用來記憶量水儀的工作設置系數；本實用新型的鍵盤/顯示電路由鍵盤顯示接口芯片8279屬于現有技術，具體實施時根據需要制作鍵盤和顯示電路板，設置相應的數碼顯示和鍵盤按鍵即可，與主電路板的連接則通過總線接口(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)實現。由于本實用新型實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，對單片機U1的P0口進行鎖存，并擴展輸出總線地址；采用可編程邏輯陣列器件GAL16V8(U3)作為地址分配芯片，U3和U2配合以實現對外圍各擴展功能芯片(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。考慮到功能擴展，主電路板上留有一個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字節程序存貯器的容量。
為了采集傳感器的模擬量信號輸入，本實用新型的采樣轉換電路所述采樣轉換電路包括信號通道電路、信號放大器、采樣保持芯片、轉換器。
傳感器的水位輸出信號經信號通道輸入信號放大器，放大后進入采樣保持芯片，然后經AD轉換器轉換成數字信號輸入單片機作進一步的處理。傳感器輸出信號如為0～50mV時，8路信號輸入(IN0~7)可由模擬信號通道No.1~8并通過接口(CZ4-3、CZ4-4、CZ4-5、CZ4-6、CZ4-7、CZ4-8、CZ4-9、CZ4-10)直接進入主電路板(參見圖2、3中CZ4)，在放大到0～5V后由采樣保持芯片保持，經A/D轉換器采集轉換成數字信號輸入單片機。此時，圖3中則無需焊接電阻R1~R16和電容C1~C8，只將R9~R16的各2個焊盤分別短接即可。本實用新型具體實施例采用8選1多路開關芯片CD4051(U9)組成8路模擬量信號輸入通道，這樣對于固定安裝使用的量水儀，便于用數個傳感器對所需的多個測點信號實現自動采集，具體實施時可以根據需要擴充設計更多的通道。本實用新型具體實施例信號放大器選用INA114芯片(U13)。如果選用輸出為4～20mA電流信號的傳感器，則需拆除圖2中的U13并短接CZ7，輸入信號通過圖3中的250Ω精密電阻R1~R8轉換成1～5V的電壓信號即可。本實用新型具體實施例采用LF398(U10)做為采樣保持芯片。本實用新型具體實施例采用12bit逐次逼近型AD574(也可選用TLV2544或ICL7135)芯片U8做為模/數(A/D)信號轉換器，將傳感器的模擬量信號轉換為數字信號供單片機使用。
為了豐富本實用新型的功能，單片機外圍設有輸出接口，輸出接口包括串口、打印機接口、I/O(輸入/輸出)接口、模擬量信號輸出接口；串口采用RS-232通訊接口芯片，與單片機相應引腳連接；打印機接口和I/O接口由可編程并行接口芯片實現，可編程并行接口芯片與單片機以總線方式連接；模擬量信號輸出接口采用D/A轉換器芯片，D/A轉換器芯片和單片機以總線方式連接。
本實用新型具體實施例采用的串行通信接口芯片MAX232AX(U11)與單片機相應引腳(RXD、TXD)連接。U11可與PC機等其他具有RS-232接口的裝置實現通信(輸出數據接口為CZ6-3、CZ6-4)，若儀器固定安裝使用，可通過無線擴頻數傳電臺與上端微機組成自動測控網絡；若移動使用，則可在巡測結束后用RS-232接口連接線將所需的測試數據(包括存儲的全部歷史數據組)傳輸到PC機進行進一步的處理。
本實用新型具體實施例采用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)做為打印機接口，可以接微型打印機打印測試數據；如果自動控制需要，可以通過光隔離輸出通道(I/O端口CZ3-2、CZ3-19、CZ3-1、CZ3-20經光隔離芯片處理)輸出開關量信號去驅動被控電路；如果傳感器輸出為開關量信號時，U7的I/O端口可作為本量水儀的信號輸入通道來用(圖1虛線所示)，通過光隔離輸入通道(I/O端口CZ3-7、CZ3-8、CZ3-9、CZ3-10經光隔離芯片處理)輸入量水儀的水位輸出信號；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，為了滿足用戶針對各自實際情況的需求，本實用新型在硬件上支持與多種不同類型、不同量程的水位傳感器配套使用，如擴散硅壓力應變式的(4～20mA或0～50mV)、浮子碼盤式的(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。對于不同類型、不同量程的傳感器，軟件上也有稍許區別。
本實用新型具體實施例采用ADC0832芯片U12進行8bit的D/A轉換，如果自動控制需要，可以輸出一路模擬信號(CZ4-1)去驅動執行器件。
除了留有上述接口外，儀器主電路板上還可預留總線端口接插件，以便在現有硬件基礎上能很方便地根據需要擴展其他功能，比如增添刷卡器，實現刷卡記費供水的功能。
本實用新型的工作就有賴于上述各部分的相互協調。自動(固定安裝使用時)或人工鍵盤操作(移動巡測使用時)，將傳感器輸出被測量的信號經變換、保持和采樣后轉換為數字信號供單片機U1進行處理(傳感器輸出若是開關量信號則通過U7的I/O口被單片機U1讀取)，測量結果由顯示屏顯示，并可以根據用戶的選擇實施打印、存儲和上傳。該過程是通過對單片機U1編程實現的。
為了方便實施，本實用新型實施例提供了采用交流電源(AC)或者直流電源(DC)向系統供電的具體方案。如用交流電供電，220V電源經降壓整流后，由穩壓模塊LM323K、78H12K、7824K輸出+5V、+12V和+24V三組電壓供量水儀主電路板(參見圖2、3中CZ5)、無線擴頻電臺(由接口4PIN供給)和各傳感變送器(參見圖2、3中CZ4)使用；如無交流電源或在野外作業時，則可以由2組+12V的外接蓄電池或者太陽能電池通過接插件向系統供電(設置交直流切換開關S1-1、S1-2)。為了減輕重量、減少體積和簡化結構，選用了AO512D型高性能DC-DC電源轉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(參見圖2、3中CZ5)。上述電源組，具體實施時視所選用的傳感器和實際需要，只須簡單地更換合適輸出的穩壓模塊便可得以解決。
權利要求1.一種量水儀，包括傳感器，其特征在于設有采樣轉換電路、單片機、存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路，傳感器的水位輸出信號通過采樣轉換電路輸入單片機，單片機與存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路之間以總線方式連接。
2.如權利要求1所述的量水儀，其特征在于所述采樣轉換電路包括信號通道電路、信號放大器、采樣保持芯片、轉換器，傳感器的水位輸出信號經信號通道電路輸入信號放大器，放大后進入采樣保持芯片，然后經轉換器轉換后輸入單片機。
3.如權利要求1或2所述的量水儀，其特征在于單片機外圍設有輸出接口，輸出接口包括串口、打印機接口、I/O接口、模擬量信號輸出接口；串口采用RS-232通訊接口芯片，與單片機相應引腳連接；打印機接口和I/O接口由可編程并行接口芯片實現，可編程并行接口芯片與單片機以總線方式連接；模擬量信號輸出接口采用D/A轉換器芯片，D/A轉換器芯片和單片機以總線方式連接。
專利摘要本實用新型公開了一種量水儀，包括傳感器，其特征在于設有采樣轉換電路、單片機、存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路，傳感器的水位信號通過采樣轉換電路輸入單片機，單片機與存貯器、日歷時鐘芯片、鍵盤/顯示電路之間以總線方式連接。本實用新型采用單片機做為核心芯片，根據所測量值的量和邏輯的關系，判別出實時水流形態并自動調用所對應的計算公式及運算系數，最后輸出所需的結果。本實用新型結構簡單，成本低廉，功能齊全，使用靈活方便，可以在各量水點人工流動巡測，也可以固定安裝無人值守自動測控運行。
文檔編號G08C19/00GK2812156SQ20052009570
公開日2006年8月30日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者童剛, 王長德 申請人:武漢大學