王利潤　蘇家興　李勉

摘 要：國家對污水排放標準的要求越來越嚴格，于是開發(fā)采用低功耗智能芯片控制的新型數(shù)字式明渠污水流量計的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)巴歇爾槽流量計量原理與超聲波流量計相結(jié)合，解決了模擬式污水流量計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中存在的信號采集容易受到水質(zhì)及水中泡沫影響，準確度低等問題。

關(guān)鍵詞：研究背景；流量傳感器；明渠流量計

1 明渠污水流量計量控制系統(tǒng)研究背景

21世紀，工業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，但隨之而來的環(huán)境污染問題也逐漸加劇，國家乃至全世界對環(huán)境保護問題都非常重視，“工業(yè)三廢” 之一的污水排放的規(guī)范化，科學化合定量化得管理已成為國家環(huán)境保護法規(guī)的一個重要方面，各地環(huán)保部門正在根據(jù)國家法規(guī)的要求，加強對排污口的規(guī)范化整治。

2 課題主要內(nèi)容

根據(jù)污水排放政策，國家對排污實行了排污總量控制的政策，在全國范圍內(nèi)推行水污染物排放許可證制度，污水的排放管理成為環(huán)保工作的當務(wù)之急，而準確計量核定污水流量就成為一項非常必要的基礎(chǔ)工作。針對國家污水流量計量技術(shù)發(fā)展的狀況，于是研發(fā)了檢索式數(shù)字水位傳感器的數(shù)字原理，并且使用低耗能智能芯片控制的數(shù)字式明渠污水流量計的數(shù)字處理系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)巴歇爾槽流量計量原理，與超聲波流量計結(jié)合使用，解決了模擬式明渠污水流量計采集系統(tǒng)中存在的問題，例如信號采集容易受水質(zhì)及泡沫影響，抗信號干擾性能力差，準確度低，等問題。

3 系統(tǒng)控制原理

該系統(tǒng)由流量槽、超聲波傳感器和控制器組成。該系統(tǒng)與污水不接觸，能保持設(shè)備不受腐蝕。控制器用tma320lf2407a當主控芯片，進行數(shù)據(jù)運算處理，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，其串口通訊可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

當被測量的污水流過流量槽時，超聲探頭向液面發(fā)射一束超聲波信號，信號到達液面形成反射波，該波又被探頭攝??；計算機算出發(fā)射波與反射波的時差T，得到探頭與液面間的距離。若被測介質(zhì)全部通過流量槽形成自然流動時其流量Q與流量槽上流水位H的關(guān)系為：

公式中：C為超聲波在空氣中的傳播速度，例如傳感器到流量槽零液位時距離為hmax，則液位高度H=hmax- h。

3.1 系統(tǒng)控制器的組成

數(shù)據(jù)處理能量是選擇主控芯片的首要條件，由于污水流量計一般情況下都安裝在室外，考慮檢測及維修的需要，控制器應(yīng)具有遠程數(shù)據(jù)傳輸能力，具有較高的采樣速度、和采樣精度、綜合各種因素，選擇DSP數(shù)據(jù)信號處理器作為主控芯片。

3.2 主控芯片tma320lf2407a

在明渠污水流量計量系統(tǒng)中，經(jīng)常利用tma320lf2407a主控芯片高速接口功能，可以簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計，其運算速度和高速傳輸能力等功能均可滿足各種測量儀器的要求。

3.3 數(shù)字濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC

A/D模塊帶內(nèi)置保持/采樣，包含2個單獨的最多可以選擇8個模擬量轉(zhuǎn)換通道的排序器，這兩個排序器可以連成一個16個轉(zhuǎn)換通道的排序器，如圖2。

4個排序控制器決定了模擬通道的轉(zhuǎn)換順序，該系統(tǒng)A/D采樣由定時器1（EVA）由軟件觸發(fā)，定時器設(shè)定周期為0.128ms，因此每0.128ms采樣一次，把存儲有16個結(jié)果的寄存器的采樣結(jié)果保存到系統(tǒng)內(nèi)存中。

3.4 測量轉(zhuǎn)化電路

該系統(tǒng)采用UTG22-DD型超聲波明渠流量計，明渠污水流量計可以用來連續(xù)監(jiān)測明渠中污水的流量并累計流量，還可以測量污水的瞬時流量。它輸出4～20mA信號連接到DSP中，圖3為把4至20mA電流信號轉(zhuǎn)化成0至3.0V電壓信號提供給DSP采樣的轉(zhuǎn)化電路。

在定點DSP芯片中，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)來表示。水位的采樣頻率為8kHz，每個水位樣值按16位整型數(shù)存放在一個文件中，低通濾波的截止頻率為800Hz，濾波器采用19點的有限沖擊響應(yīng)FIR濾波。

有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。圖象處理以及數(shù)據(jù)傳輸，都要求信號通道具有線性相位特性，有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器具有很好的線性相位特性。

DSP的指令周期為25ns，使得流量的快速計算成為可能。程序每秒鐘控制超聲波傳感器檢測1次水位，計算出1s的流量，并進一步累積為瞬時流量、日流量和總累積流量，由串口傳給上位機并且顯示出數(shù)據(jù)，用于記錄。

為了實現(xiàn)對污水流量計量系統(tǒng)的實時監(jiān)控，將運行參數(shù)實時地傳輸?shù)揭壕辽线M行顯示，同時通過RS-485接口可以連接打印機把污水流量等參數(shù)及時的打印出來。為了使系統(tǒng)更加智能化，發(fā)揮計算機的控制優(yōu)勢，采用RS-485總線將多個子系統(tǒng)與上位機之間進行串行通信，tma320lf2407a串口SCI模塊接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每個都有自己單獨的使能和中斷標志位，串口經(jīng)過一片MAX3082[2]和一個RS-485。485與RS-232的電平轉(zhuǎn)換器與上位機進行通信。

4 結(jié)語

超聲波流量計是一種先進的明渠測量儀器，由于采用非接觸測量方式，避免被測介質(zhì)對傳感器的腐蝕，特別適合污水流量的測量?？刂破鞑捎肈SP數(shù)字信息處理技術(shù)，集信號檢測、數(shù)據(jù)傳輸、顯示輸出、信號轉(zhuǎn)換、遠程監(jiān)測等功能于一體，適用于不同槽和傳感器，具有通用性。

參考文獻：

[1] 李晶，王斌，樸順姬.數(shù)據(jù)庫安全技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J]. 佳木斯大學學報（自然科學版）. 2008（06）.

[2] 馬珺，馬福昌.新型板式流量傳感器的設(shè)計[J]. 太原理工大學學報. 2008（03）.

[3] 鄧文艷. SQL Server數(shù)據(jù)庫備份和還原[J]. 山西財經(jīng)大學學報. 2007（S2）.

[4] 肖漢敏，馮毅.串行通信在實時數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J]. 微計算機信息. 2007（13）.

[5] 賈軼然，邱玲，王寒梅. 撫順市污水流量監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 遼寧化工. 2006（07） .

[6] 趙寧燕.巧用SQL Server觸發(fā)器保持數(shù)據(jù)完整性[J]. 起重運輸機械. 2006（04）

[7] 朱武，鐘瑜，陳濤.基于VB的石油餾程儀智能監(jiān)控系統(tǒng)的通信與數(shù)據(jù)處理[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用. 2006（02）.

[8] 王萬里，鄭扣根，姚翔，吳朝暉.無線網(wǎng)絡(luò)傳感器及其微型操作系統(tǒng)的研究[J].計算機應(yīng)用研究. 2005（09）.

[9] 柯煒. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及其研究難點[J]. 電信科學. 2005（06） .

[10] 徐曉光.基于VB的通信系統(tǒng)研究與開發(fā)[J]. 安徽工程科技學院學報（自然科學版）. 2004（03）.

[11] 李榮國，王見. MySQL數(shù)據(jù)庫在自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計算機應(yīng)用. 2011（S2） .

[12] 陶德志，王莉. 超聲波明渠流量計的設(shè)計[J]. 聲學與電子工程. 2011（01）.

[13] 孫其博，劉杰，黎羴，范春曉，孫娟娟.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J]. 北京郵電大學學報. 2010（03）.

[14] 蘇國良.無線通信技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 移動通信. 2010（10）.

[15] 陳福彬，伍毅，王鐵流.基于STM32的人行通道智能控制與管理系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化與儀表. 2010（01） .

[16] 馬福昌，姜樂，馬珺. 數(shù)字式明渠污水流量計數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)研究[J]. 太原理工大學學報. 2009（02）

[17] 謝東坡，余成波.基于LabVIEW的信號與系統(tǒng)實驗平臺的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 重慶工學院學報（自然科學版）. 2008（05）.

[18] 馬珺，馬福昌. 新型板式流量傳感器的設(shè)計[J]. 太原理工大學學報. 2008（03）.

[19] 馬珺，王輝. 檢索式數(shù)字水位傳感器智能變送器的設(shè)計[J]. 儀器儀表學報. 2008（04）.