智能旋浆式水流流速仪研发与设计

赵明雨

(沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122)

2015年中央一号文件提出推进农业水价综合改革，水价改革的前提条件是实现定额供水和按方收费，此项工作中迫切需要配置高精度量水设备。2016年12月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面推行河长制的意见》，“河长制”工作要求加强水污染防治，其首要任务就是污水排放量测量，为此，急需增设流量测算装置，及时知晓排污流量，防止过渡排放。河流水库情况调查是我国水利普查的重点任务，由于水资源过度开发，河流萎缩甚至沙化[1]。为适应国家信息化建设，保障水利与国民经济发展相适应，大力推进水利信息化的进程是必然的选择，传统水流流速仪已经不能满足水利信息化的要求。

为解决这些问题，本文在传统流速仪和现有自动测算流速仪的基础上，不断进行调查、设计、研发和测试。最终，设计研制出一种使用STM32F103高性能单片机的智能化旋浆水流流速仪。该设备在核心频率上已经遥遥领先于国内的旋浆式流速仪，并且采用了32位的Cortex-M3处理器，提高了计算速度与精度，具备定位功能，且可以通过蓝牙技术，将所测得的数据发送至上位机进行显示和储存。

1 基于STM32F103的流速仪系统

1.1 流速仪测流原理

流速仪是流量测验的基本仪器，而其中的转子流速仪是水文测验中的常规测速仪[2]。本流速仪属于转子式流速仪，水流传感器为旋浆元件，水流冲击旋浆转动。根据水流对旋浆冲击力的大小，旋浆在单位时间内转动的次数不同。流速仪旋浆元件的旋浆转动速率与水流速度在有效范围内满足线性关系式：

(1)

式中，K—水力螺距值；N—旋浆元件在某次测流过程中发出的信号个数；T—某次测流过程中所经历的时间；C—流速仪的水流修正系数。

关于K、C值的确定根据SL/T150—1995《直线明槽中转子式流速仪的检定方法》和GB/T21699—2008《直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法》的标准来确定[3]。具体步骤为：首先将旋浆流速仪流速传感器元件的浆叶与主体分开，然后单独用游标卡尺等手段测量浆叶机械螺距H，同时浆叶模型用直线明槽设备和方法在静水条件下检定K值，即在轨道车上安装浆叶，在静水中牵引测量，建立K=f(H)关系式。

在实际的河流流量测量中，测点流速一般不等于截面平均流速，河道的截面积也不是规则的矩形或梯形，用一个测点的流速取代整个河道截面的平均流速直接计算时误差很大。通过部分平均流速与部分面积相乘，可得部分流量。总流量可用式(2)计算得出：

Q=v1f1+v2f2++vnfn=q1+q2++qn=∑qi

(2)

式中，vi—部分平均流速；fi—部分面积；qi—部分流量；Q—截面总流量。

1.2 总体结构组成

现有的便携式流速仪手簿中使用的大多数是STC公司生产的51系列单片机，51系列单片机核心频率低、内部RAM和ROM容量小，结构的设计陈旧，计算速度偏低。本文叙述的流速仪手簿首次采用了STM32F103系列的高性能单片机(以下简称STM32单片机)，其使用的Cortex-M332位处理器核心频率为72MHz，程序储存容量为256kB，内置RTC模块时钟走时精确，且在外接电池后可以在掉电时维持始终继续走时，待机功耗和运行功耗低，适合电池供电的环境使用，足以满足当前流速仪对信号捕捉精度和计算精度的要求。STM32单片机串

口较多，以便增设GPS模块、蓝牙模块和键盘。

本文叙述的智能流速仪由流速传感器及便携式手簿构成。其中手簿以STM32单片机为核心，键盘为输入设备，流速传感器为信息采集元件，GPS模块获取定位信息，蓝牙模块与外部通讯，这些模块和元件集成在一块电路板上，构成了一套基于单片机技术的物联网智能设备，足以满足当前行业需求。流速仪系统组成如图1所示。

2 便携式手簿功能设计

2.1 流速仪GPS定位功能

本文叙述的流速仪的定位功能是通过安装与STM32单片机连接的GPS模块实现的[4],如图2所示。在本流速仪设备初始上电时，GPS模块开始通过天线接收卫星信号。为了更快地搜索卫星信号和获取更多的卫星信号，本流速仪的GPS模块使用的是带有放大功能的陶瓷天线，把无线电信号放大再送到GPS模块中进行信号的处理。当GPS模块获得足够的卫星信号后，即获得测量工作点的经度纬度信息、时间日期、海拔数值。日期和时间通过GPS获取，设备不用再手动设置时间，且GPS模块获取到的是卫星时间准确性相当可靠。GPS模块通过串口与单片机进行通讯，通过串口把获得的数据发送到单片机，单片机在每次测量结束后把测流得到的结果与GPS模块获得的定位信息和时间日期整合在一起通过无线传输功能发送给与之配对的带有蓝牙功能的智能终端。

图1 流速仪设备结构图

图2 GPS模块电路原理图

2.2 流速仪无线传输功能

本文叙述的流速仪有无线通讯的能力，是设备智能化的一个重要的功能，不会把数据局限于测量手簿中，还可以通过与单片机连接的蓝牙模块进行数据的无线传输[5]。在本流速仪初始上电时，蓝牙模块会处于可以被搜索的状态，指示灯闪烁，这时可以打开将要与本流速仪连接的上位机的蓝牙搜索功能，会搜索到一个BT-04设备，选择连接并且输入预设的密码即可完成连接。上位机可以是方便携带的手机，也可以是便携式笔记本，上位机系统能够实现自报，接收和发送三种功能。

在工作过程中本流速仪的手簿中每结束一次测量，单片机会发出发送信息的指令给蓝牙模块，并包含一个要发送的数据包，数据包中包括流速V(m/s)、流量Q(m3/s)、经纬度和通过GPS模块获得的卫星时间。发送信息指令指示蓝牙模块将数据包信息发送到事先与流速仪配对的上位机上。智能设备的接收画面如图3所示(图中J表示经度，W表示纬度)。

图3 上位机设备接收信息界面

2.3 键盘及LCD显示屏

键盘模块采用的是薄膜键盘，薄膜键盘由两层0.25mm厚的PET、PC等材料构成，每层材料的表面都有用导电银浆绘制出的电路图。键盘由数字键和功能键组成，排列成4×4矩阵形式，仅需要8个引脚即可完成连接。在每个按键处都有一个点，两层电路相对安放，当按键时两点接触，线路闭合。再在表面印刷出按键的功能，以便于识别；背面贴胶粘贴在仪器面板上。

手簿显示屏采用LCD12864液晶屏，通过串口与STM32单片机连接，占用8个引脚，此种方法虽然占用STM32单片机引脚较多，但可以保证LCD12864液晶屏的刷新频率，不至于出现显示不清或者出现数字变化滞后的现象。

3 流速传感器功能设计

3.1 流速传感器工作原理

本流速仪采用的流速传感器主要由圆柱形永久磁石和干簧管组成，干簧管内部由两个磁化的弹性钢片组成，两个钢片相距仅几个微米，并且闭合时的触电镀金处理，封装的玻璃管内填充惰性气体保护触点防止氧化。流速传感器信号部分工作原理如图4所示。

图4 流速传感器信号部分工作原理

流速传感器主要工作是把水流对旋浆的冲击力大小即水流流速大小转化成通断的高电平模拟信号，以便于单片机对传感器信号的采集。

3.2 传感器信号滤波与去抖

由于干簧管是两个机械的触点，当机械触点断开、闭合时，由于机械触点的弹性作用产生抖动。即使两个触点已经镀金，但也不能彻底解决干簧管信号抖动的问题。在将要闭合未闭合和将要断开未断开的临界状态下会产生前沿抖动和后沿抖动，造成模糊的信号，影响单片机对信号的捕捉。为确保CPU对干簧管的一次闭合仅作一次处理，必须去除抖动。干簧管抖动波形如图5所示。

图5 干簧管抖动波形示意图

对于流速传感器的信号捕捉，本流速仪采用了软件和硬件相结合的去抖方式。软件去抖使用C语言编程实现去抖：

ucharkeyscan(void)

{

staticcharkey_state=0;

staticcharkey_value=0;

ucharkey_press，key_return=0;

key_press=turn_left&turn_right; //读干簧管I/O电平

switch(key_state)

{

case0: //干簧管初始态

if(key_press==0)key_state=1;//干簧管断开，但需要确认是否是干扰

break;

case1://干簧管确认态

if(key_press==0)//如有干簧管闭合则不是干扰

{

if(turn_left==0)

key_value=1;

elseif(turn_right==0)

key_value=2;

elsekey_value=0;

key_state=2;//状态转换到断开状态

}

elsekey_state=0;//干簧管已断开，属于干扰，转换到按键初始态

break;

case2:

if(key_press==1)

{

key_return=key_value;//干簧管断开后再输出键值

key_value=0;

key_state=0;//如果干簧管断开，转换到初始态

}break;

}returnkey_return;//返回键值

当检测到干簧管断开后，再给5～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该信号的处理程序。本文的流速仪利用switch()结构，设计了以上程序，以上程序是无延时的软件去抖，避免了延时去抖产生对仪器精度的影响。

硬件去抖的方式主要通过对信号进行滤波处理来完成。在研究过程中发现利用电容的充放电特性来对抖动过程中产生的电压毛刺进行平滑处理，从而实现去抖，但在实际应用过程中效果并不理想；由于本文的流速仪只捕捉一个独立的信号，可以使用RS触发器进行硬件去抖，如图6所示。

图6 RS触发器硬件去抖

图6中的两个与非门构成一个RS触发器。当干簧管未闭合时，输出为1；当干簧管闭合时，输出为0。此时即使使用干簧管的机械性能，使干簧管因弹性抖动而产生瞬时断开(抖动跳开B)，中要干簧管不返回原始状态A，双稳态电路的状态不改变，输出保持为0，不会产生抖动的波形。即使B点的电压波形是抖动的，但经双稳态电路之后，其输出仍然为正规的矩形波[6]。

4 实践应用

河流的流速、水深等量测的准确性直接影响流量的精度。所以，流速、水深的量测工作是十分关键的[7]。为了检验本仪器的使用效果，在河北省石家庄市石津灌区进行了测流应用。分别使用传统的旋浆式流速仪与本流速仪对石津渠流速、流量进行测验，对比两种仪器测量结果。通过对数据的分析发现，在起点距和水深相同的条件下测得的数据，本流速仪测算的流量和流速数据更加趋于平均值，更加稳定。

同时，本设计已经广泛应用在沈阳市浑北灌区、浑浦灌区的水文流速测量工作中。

5 结语

本文提出了一种新型的旋浆式流速仪，该仪器使用信息化技术，具备实时定位功能、数据无线传输与存储功能，将流速、流量信息与地理信息捆绑存储。只需要一个操作就可以进行测量工作，不必携带过多的设备以保存和分析测量结果，使得水文测量工作更加便捷。同时，仪器在满足进度要求的基础上提高了测算速度，节省了制造和操作成本[8]。仪器需经过进一步的检定，以便进行量化生产及使用。