基于嵌入式的智能流速仪研制

　　0　引　　言

　　在江、河流中进行桥梁,船闸,港口,码头等水工建筑物的设计前,都应该考虑到水流速度的重要影响,随着工程建设的发展越来越受重视,对其要求也越来越高,因此,水流速度的测量技术的提高意义重大。多数情况下江河湖泊水流速度或流量的测量都是在室外或野外进行,因此,测量仪器必须适于室外或野外使用,一般应具有便于移动和携带、使用方便、测量时间短、精度高、高智能化、数据存储容量大和测量方式灵活等特点。目前,国内对江、河等水流速度的测速仪器中,多以8位单片机为核心,配以FLASH、EEPROM等作为存贮媒介,实现了对江河的流速信息进行采集、存贮、传输。但随着工程建设的发展,采集的信息内容更多,信息量更大,目前的设备都难以胜任,不能完全满足现代水文测量的需要[1][3]。

　　针对上述存在的问题,在对现有流速仪进行充分调研基础上,研制出了一种基于嵌入式系统的智能流速仪。嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心,面向用户、面向产品、面向应用,软硬件可裁的,适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。该系统采用双向光电旋浆传感器作为流速敏感元件,以AT91SAM9261为主处理器,采用ATLERA公司的CPLD芯片构建采集数据接口和外围器件控制单元,配以元太公司的6.4英寸的PD064VT5型640x480的TFT-LCD显示屏,扩展多达1G的外部数据存储空间,移植实时操作系统uClinux,实现友好易操作的人机交流界面,能够自动完成16个通道流速数据的同步自动采集、计算、显示和存储,同时具有测频、测单周脉宽、测流量、测脉宽和测往复流等多种测量方式。测量结果和测量基本参数设置可通过USB接口传输到PC机,在PC机上可以根据需要生成各类流速图和测量数据报表。

　　1　旋桨式传感器原理和计数原理

　　本流速仪采用双向光电旋浆传感器作为流速敏感元件,双向光电旋浆传感器由光源、光电管、测量电路和旋浆等组成,图1为双向光电旋浆传感器光电发讯部分原理图

　　将传感器的旋浆置于水流中,当水流流过旋浆时,水流的直线运动能量对旋浆产生转矩,此转矩克服旋浆的惯量、轴承等内摩阻,以及水流与旋浆之间相对运动引起的流体阻力,从而使旋浆转动。当旋浆上的抛光面掠过光源发出的光束前方时,光电管接收到一次光信号,在电路中感应出一个电脉冲信号。对于双向光电旋浆传感器,当旋浆转动一周时,会输出两个电脉冲信号。旋浆式光电传感器是一种线速度-角度变换的传感器,在一定的速度范围内,旋浆在动水压力作用下产生的转动角速度与动水的线速度有如下关系: