基于超声多层时差的灌区水量测控控制系统设计
2021-08-02雷桥江王登鑫张育斌乔丽萍
雷桥江 王登鑫 张育斌 乔丽萍
摘 要 农业生产在我国占有十分重要的地位,而农业用水中以灌溉用水为主,但灌溉效率低和灌溉水浪费问题普遍存在。针对我国对建设灌溉用水系统存在基础信息缺乏、使用的技术不先进;使用的数据传输技术有限、稳定性低;没有形成系统的思维,硬件投入大,轻视软件系统的建设的问题,本文设计基于多层超声波和时差法的渠道测量方案,实现水体的流速测量,提高实验数据的精确性,通过数据的监控和管理,实现对数据的采集。
关键词 磁致伸缩 多层时差法 超声波技术 STM32单片机
中图分类号:TN964 文献标识码:A 文章编号:1007-0745(2021)03-0005-02
1 前言
农业生产在我国占有十分重要的地位,而农业用水中以灌溉用水为主,但灌溉效率低和灌溉水浪费问题普遍存在。因此,无论是林业还是农业,从水资源缺乏和节省能源的角度出发,节水灌溉都是目前研究、开发的热点。发展和推广节水灌溉设备对缓解我国水资源危机具有重要的作用。
针对我国对建设灌溉用水系统存在基础信息缺乏、使用的技术不先进;使用的数据传输技术有限、稳定性低;没有形成系统的思维,硬件投入大,轻视软件系统的建设;整个系统的综合集成能力差等问题。因此,在我国灌区水情监测中引入先进技术,运用远程信息传播手段,开发通用灌溉用水计量管理软件,开发适宜灌区环境的水量监测设备,建立信息化的灌区水情监测管理系统很有必要。本文充分实现水体的流速测量,提高实驗数据的精确性,通过数据的监控和管理,实现对数据的采集。
2 设计特点
1.对渠道进行多层声道测速,测量精度高,可测量正、反两个方向的流量和流速[1];同时时差法测流,不受水体流态、涡流、回流等影响,适应各种渠道,适应各种流速条件。
2.一体化全防水设计,嵌入式安装,无阻流,无水头损失,安装维护简单方便,可用于槽堰式或其他方式明渠流量计的标定设备,利于推广应用。
3 控制及数据处理单元
1.采用STM32F103C8T6处理芯片,是一款基于ARMC ortex-M3内核(ARM公司在ARM11以后改用Cortex命名,并分成A、R和M三类,M系列有M0、M0+、M3、M4、M7)的32位的微控制器,其程序存储器FLASH容量是64KB,RAM容量是20KB,2个12bit,ADC总合计12路通道,37个通用I/O口,4个16bit定时器,其工作电压的范围为2V~3.6V,环境的工作温度为-40°C~85°C,系统时钟最高可到72MHz[2]。其内部集成里很多的功能模块,电路结构也简单了很多,同时大大的缩小的外形的尺寸降低了成本。
2.与51单片机相比,STM32F103C8T6处理芯片的地址空间可通过外扩之后可以高达4GB,在一般的情况下不需要外扩这么多储存地址单元,只要外扩1GB即可够用了。此外51单片机的ROM储存只有在2K—64K之间,RAM也仅仅128B—1K;而STM32F103C8T6的ROM的储存有高达20K—1MB,RAM有8K-256K,外设:传统的51单片机只有三个定时器与一个串口通讯,但是在STM32F103C8T6的身上却是拥有着DA、AD、TINER、WWDG、IWDG、CRC、MDA、IIC、SPI、USART等外设功能[3]。在开发的操作软件上,在早期的51单片机上是采用了UV2软件,而STM32使用的则是UV4或UV5,甚至是更高的版本UV软件来编写代码程序。由此综合了以上的优点,选择STM32F103C8T6是最佳的选择。
4 驱动控制电路图设计
采用3输出3输入的电路原理图开头的IR2104是半桥驱动器,也就是开关芯片,开关的间隔150-580纳秒,也是非常的迅速的[4]。其中的MOS采用了IR7843,这是N通道的增强型MOS管,其中的对应角分别是DGS,主要的工作原理也应当是首先当VGS的电压大于VDS时,D-S之间的载流子会不断减少,当其载流子界面产生负的界面会导致IDS导通,从而VGS的电压大小可以控制通过MOS管的IDS的大小。两个电容起到滤波的作用,采用半桥驱动的方法可达到电路稳定且抗干扰强,输出的效率高等优点。
5 通讯模块的选取
选用的是基于合宙Air724系列高性价比的Cat14GDTU通讯模块。该模块支持移动、电信、联通全网通4G;同时支持USB、3.3VTTL电平串口(UART)、RS485的通讯方式,该模块可支持二次开发,可以在基于腾讯云、阿里云、华为云等诸多的服务器通过MQTT通讯协议上做二次开发,且二次开发的成本低,开发的起来容易。在体积上尺寸合适,方便使用标准的AT命令固件、DTU透传固件和Lua二次开发,支持TCP/UDP/HTTP、NTP/HTTPS/PING/MQTT等协议,更方便的集成到自己的设备控制系统中(控制结构图1如所示)。
获取时差代码:
floatHcsr04GetLength(void)//获取时间差值
{
u32t=0;
inti=0;
floatlengthTemp=0;
floatsum=0;
while(i!=5)
{
TRIG_Send=1;//发送口高电平输出
Delay_Us(20);
TRIG_Send=0;
while(ECHO_Reci==0);//等待接收口高电平输出
OpenTimerForHc();//打开定时器
i=i+1;
while(ECHO_Reci==1);
CloseTimerForHc();//关闭定时器
t=GetEchoTimer();//获取时间,分辨率为1US
lengthTemp=((float)t/58.0);//cm
sum=lengthTemp+sum;
}
lengthTemp=sum/5.0;
returnlengthTemp;
}
floatUltrasonicWave_Measure(void)
{
while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_10)==1);//echo为高电平时,则等待至低电平,才启动超声波
UltrasonicWave_StartMeasure();//启动超声波while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_10)==0);//等待echo的高
电平到来TIM_SetCounter(TIM2,0);//清零计数器TIM_Cmd(TI
M2,ENABLE);//使能定时器2,开始计数while(GPIO_ReadInp
utDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_10)==1);//等待echo的高電平结
束TIM_Cmd(TIM52,DISABLE);//失能定时器2,截止计数retu rn(TIM_GetCounter(TIM2))/1000000*340/2*100;//此处单位转换为cm
}
6 总结
本设计以实时在线检测渠道水位流量信息为目标,设计基于多层超声波和时差法的渠道测量方案,设计基于太阳能的无线传输设备和数据采集器,实现远程传输,借助太阳能供电可节约能源,设备和系统可提高了断面平均流速的准确度和水量的准确性,提高灌区有效系数监测精度,解决了目前灌区水流量监测精度低和安装易破坏的问题,为科学、精确的确定灌溉用水决策提供了基础。
参考文献:
[1] 赵靖宇,梅杰,谢代梁,曹松晓,徐志鹏,徐雅,刘铁军.基于PIC的磁致伸缩位置传感器研究[J].中国测试,2020, 46(12):33-38.
[2] 李晓云.古浪县黄花滩灌区水量计量系统技术方案选比[J].湖北农机化,2020(09):58-59.
[3] 刘鸿涛,于明舟,龙昱帆,赵瑞娟,屈忠义.灌区水量计量的方法与应用[J].东北水利水电,2019,37(09):21-24,59,72.
[4] 林俊.灌区渠系水量计量及监测控制一体化研究[D].华南理工大学,2017.