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涡轮流量计信号模拟器设计分析

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摘要:灌溉和施肥是农业生产中的至关重要的两个环节,分开实施费时费力,水肥一体化智能灌溉施肥是提高生产效率的重要方法,其核心是研发以控制算法和传感器技术为基础的智能控制系统及操作装置。针对水肥一体化智能控制系统实验室试验台缺乏的问题,设计了一种涡轮流量计信号模拟系统,包括下位机系统硬件电路和上位机应用软件两部分。基于51单片机采用定时器中断和串口通信技术,设计了可模拟不同流量信号的下位机硬件电路,包含单片机模块、用户交互模块、串口通信模块、EEPROM存储模块。使用VisualStudio开发平台采用C#语言进行上位机应用软件设计开发,包括用户界面设计、上位机与下位机串口通信设计。该系统可在实验室条件下为控制算法试验提供模拟流量信号,具有重要应用价值。

关键词:涡轮流量计;单片机;上位机软件;串口通信;C#语言

灌溉和施肥是农业生产中的至关重要的两个环节,分开实施费时费力,水肥一体化智能灌溉施肥是提高生产效率的重要方法[1,2],其核心是研发以控制算法和传感器技术为基础的智能控制系统及操作装置[3-5]。水肥一体化和智能灌溉系统研究核心是智能控制算法研究和控制系统研发优化[6-8],在整个过程中,大量的实验室和田间试验必不可少,目前的研究大都采用在真实的系统上或使用流量计搭建小型系统开展试验,不仅费时费力,还无法开展过载疲劳试验[9,10]。设计一涡轮流量计信号模拟器,在实验室条件下为控制算法试验系统提供模拟流量信号,具有重要应用价值。

1模拟器总体设计

系统主要由硬件部分与软件部分组成,系统主要包括下位机上位机两部分。下位机包括单片机模块、按键模块、显示模块、存储模块和涡轮流量计模拟接口,用户可通过按键进行用户菜单的选择,设置工作模式和工作参数,如果选择下位机设置模式,可以只使用下位机进行简单流量模拟,通过模拟接口输出模拟流速信号。上位机软件系统包括上位机模块和通信模块,上位机通过串口模块把用户设置好的参数传输到下位机,同时进行数据的存储,当参数确认完以后进入模拟状态,通过模拟输出端把信号以方波的形式输出。

2上位机软件设计

基于VisualStudio开发平台设计了上位机应用软件,首先对上位机应用软件界面进行初始化,等待用户的模拟方式的选择,如果选择恒流速模拟,界面选择框上显示恒流速模拟字样,并等待用户输入初始流速设置;如果选择流量加速模拟方式,界面选择框上显示流速加速模拟字样,并等待用户输入初始流速、最大流速和流速变化率等设置;如果选择流速阶跃模拟,界面选择框上显示流速阶跃模拟字样,并等待用户输入阶跃流速设置。之后等待用户设置Com口、波特率、数据位和停止位等串口参数,当用户点击确定后,软件首先读取用户参数输入并进行合法化检查,如果参数不合法,软件会弹出修改提示对话框提示用户修改;如果参数合法,软件会根据参数设置生产命令字符串通过串口下发到下位机中。如果用户选择退出,软件释放内存空间并退出。

3下位机系统设计

硬件系统主要包括单片机模块、供电模块、串口通信模块、用户输入模块、显示模块、外观设计,设计重点是单片机处理与控制模块以及下位机与上位机串口通信两部分。单片机模块采用为常见的单片机最小系统,复位电路采用按键复位。晶振采用11.0592,采用11.0592M的目的是为了获得精准的串口通信频率,即波特率,它能够精准生成9600的波特率,相比于12M晶振来说可以准确与上位机进行通信而不会发生失真与乱码。单片机使用较为实用的AT89C52,它是CMOS8位单片机,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C52有40个引脚,32个I/O端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口。52系列单片机虽然已经是十年前使用的芯片,但它全备的功能与低廉的价格也是我们选择的理由,其运算速度与程序存储量足以满足本系统的开发,直插式的封装也方便装卸。单片机模块主要功能在于串行通信口进行与上位机的通信,2K字节EEPROM进行的数据存储,用来模拟流量时实时计时功能的定时器0,用来产生所需频率脉冲方波的定时器1及单片机基本的用户菜单显示与输入功能。本系统采用RS-232串口通信技术进行下位机与上位机的通信,但RS232电平和单片机电平不一致,单片机TTL信号电平为[0,+5],而RS-232信号电平为[-10,+10v]。MAX232芯片使用+5v单电源供电,可实现单片机和串口信号之间电平转换。基于MAX232芯片设计了涡轮流量计模拟系统下位机硬件电路串口通信模块,串口通信模块电路分三部分,第1部分是电荷泵电路,由4只1uf极性电容(也可用非极性电容或0.1uf电容)构成。第2部分是数据转换通道,本次只使用第二数据通道,把第一数据通道的输入端接地,接收端空引脚。第3部分是供电线路,15脚接地、16脚5V电源。

4结语

第一,设计了涡轮流量计信号模拟系统组成。包括下位机系统硬件电路和上位机应用软件两部分,上位机软件接收用户的流量信号模拟设置,通过串口发送给下位机,下位机根据上位机的命令信息产生模拟信号输出。第二,设计研发了模拟系统下位机硬件电路。基于51单片机采用定时器中断和串口通信技术,设计了可模拟出不同流量信号的下位机硬件电路,包含了单片机模块、用户交互模块、串口通信模块、EEP-ROM存储模块。第三,设计开发了模拟系统上位机应用软件。使用VisualStudio开发平台采用C#语言进行上位机应用软件设计开发,包括用户界面设计、上位机与下位机串口通信设计。用户界面可以设置模拟方式、初始流量、流量变化率、最大流量等各个参数,通过上位机进行设置更简单便捷。

参考文献:

[1]杨林林,张海文,韩敏琦,等.水肥一体化技术要点及应用前景分析[J].安徽农业科学,2015,(16):23-25.

[2]官雅辉,牛文全,刘璐,等.肥料类型及浓度对水肥一体化浑水滴灌滴头输沙能力的影响[J].农业工程学报,2018,34(1):78-84.

[4]王振华,扁青永,李文昊,等.南疆沙区成龄红枣水肥一体化滴灌的水肥适宜用量[J].农业工程学报,2018,34(11):96-104.

[5]李刚,白瑞峰,房朝晖,等.涡轮流量计输出信号的研究与应用[J].高校实验室工作研究,2016,(02):123-125.

[6]刘水平.涡轮流量计的故障诊断与排除[J].机械工程与自动化,2016,(05):209,211.

[7]王天伟.一种全自动控温智能水阀的设计[J].物联网技术,2016,6(08):77-78,81.

[8]姚毅成,傅宸瑞.降低涡轮流量计机械故障发现周期的研究[J].煤气与热力,2018,38(03):35-39.

[9]薛珑.基于DSP的智能涡轮流量计设计[J].科技创新与生产力,2018,(07):81-82,85.

[10]孙立军,党士忠,张涛,等.流量计性能受流量稳定性影响实验[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2018,51(04):422-432.

作者:张华 张海辉 单位:西北农林科技大学机械与电子工程学院

涡轮流量计信号模拟器设计分析责任编辑:张雨    阅读:人次
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