基于超聲多層時差的灌區水量測控控制系統設計

雷橋江 王登鑫 張育斌 喬麗萍

摘 要 農業生產在我國占有十分重要的地位，而農業用水中以灌溉用水為主，但灌溉效率低和灌溉水浪費問題普遍存在。針對我國對建設灌溉用水系統存在基礎信息缺乏、使用的技術不先進;使用的數據傳輸技術有限、穩定性低;沒有形成系統的思維，硬件投入大，輕視軟件系統的建設的問題，本文設計基于多層超聲波和時差法的渠道測量方案，實現水體的流速測量，提高實驗數據的精確性，通過數據的監控和管理，實現對數據的采集。

關鍵詞 磁致伸縮 多層時差法 超聲波技術 STM32單片機

中圖分類號：TN964 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）03-0005-02

1 前言

農業生產在我國占有十分重要的地位，而農業用水中以灌溉用水為主，但灌溉效率低和灌溉水浪費問題普遍存在。因此，無論是林業還是農業，從水資源缺乏和節省能源的角度出發，節水灌溉都是目前研究、開發的熱點。發展和推廣節水灌溉設備對緩解我國水資源危機具有重要的作用。

針對我國對建設灌溉用水系統存在基礎信息缺乏、使用的技術不先進;使用的數據傳輸技術有限、穩定性低;沒有形成系統的思維，硬件投入大，輕視軟件系統的建設;整個系統的綜合集成能力差等問題。因此，在我國灌區水情監測中引入先進技術，運用遠程信息傳播手段，開發通用灌溉用水計量管理軟件，開發適宜灌區環境的水量監測設備，建立信息化的灌區水情監測管理系統很有必要。本文充分實現水體的流速測量，提高實驗數據的精確性，通過數據的監控和管理，實現對數據的采集。

2 設計特點

1.對渠道進行多層聲道測速，測量精度高，可測量正、反兩個方向的流量和流速[1];同時時差法測流，不受水體流態、渦流、回流等影響，適應各種渠道，適應各種流速條件。

2.一體化全防水設計，嵌入式安裝，無阻流，無水頭損失，安裝維護簡單方便，可用于槽堰式或其他方式明渠流量計的標定設備，利于推廣應用。

3 控制及數據處理單元

1.采用STM32F103C8T6處理芯片，是一款基于ARMC ortex-M3內核（ARM公司在ARM11以后改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，M系列有M0、M0+、M3、M4、M7）的32位的微控制器，其程序存儲器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB，2個12bit，ADC總合計12路通道，37個通用I/O口，4個16bit定時器，其工作電壓的范圍為2V～3.6V，環境的工作溫度為-40°C～85°C，系統時鐘最高可到72MHz[2]。其內部集成里很多的功能模塊，電路結構也簡單了很多，同時大大的縮小的外形的尺寸降低了成本。

2.與51單片機相比，STM32F103C8T6處理芯片的地址空間可通過外擴之后可以高達4GB，在一般的情況下不需要外擴這么多儲存地址單元，只要外擴1GB即可夠用了。此外51單片機的ROM儲存只有在2K—64K之間，RAM也僅僅128B—1K;而STM32F103C8T6的ROM的儲存有高達20K—1MB，RAM有8K-256K，外設：傳統的51單片機只有三個定時器與一個串口通訊，但是在STM32F103C8T6的身上卻是擁有著DA、AD、TINER、WWDG、IWDG、CRC、MDA、IIC、SPI、USART等外設功能[3]。在開發的操作軟件上，在早期的51單片機上是采用了UV2軟件，而STM32使用的則是UV4或UV5，甚至是更高的版本UV軟件來編寫代碼程序。由此綜合了以上的優點，選擇STM32F103C8T6是最佳的選擇。

4 驅動控制電路圖設計

采用3輸出3輸入的電路原理圖開頭的IR2104是半橋驅動器，也就是開關芯片，開關的間隔150-580納秒，也是非常的迅速的[4]。其中的MOS采用了IR7843，這是N通道的增強型MOS管，其中的對應角分別是DGS，主要的工作原理也應當是首先當VGS的電壓大于VDS時，D-S之間的載流子會不斷減少，當其載流子界面產生負的界面會導致IDS導通，從而VGS的電壓大小可以控制通過MOS管的IDS的大小。兩個電容起到濾波的作用，采用半橋驅動的方法可達到電路穩定且抗干擾強，輸出的效率高等優點。

5 通訊模塊的選取

選用的是基于合宙Air724系列高性價比的Cat14GDTU通訊模塊。該模塊支持移動、電信、聯通全網通4G;同時支持USB、3.3VTTL電平串口（UART）、RS485的通訊方式，該模塊可支持二次開發，可以在基于騰訊云、阿里云、華為云等諸多的服務器通過MQTT通訊協議上做二次開發，且二次開發的成本低，開發的起來容易。在體積上尺寸合適，方便使用標準的AT命令固件、DTU透傳固件和Lua二次開發，支持TCP/UDP/HTTP、NTP/HTTPS/PING/MQTT等協議，更方便的集成到自己的設備控制系統中（控制結構圖1如所示）。

獲取時差代碼：

floatHcsr04GetLength（void）//獲取時間差值

{

u32t=0;

inti=0;

floatlengthTemp=0;

floatsum=0;

while（i！=5）

{

TRIG_Send=1;//發送口高電平輸出

Delay_Us（20）;

TRIG_Send=0;

while（ECHO_Reci==0）;//等待接收口高電平輸出

OpenTimerForHc（）;//打開定時器

i=i+1;

while（ECHO_Reci==1）;

CloseTimerForHc（）;//關閉定時器

t=GetEchoTimer（）;//獲取時間，分辨率為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為高電平時，則等待至低電平，才啟動超聲波

UltrasonicWave_StartMeasure（）;//啟動超聲波while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_10）==0）;//等待echo的高

電平到來TIM_SetCounter（TIM2，0）;//清零計數器TIM_Cmd（TI

M2，ENABLE）;//使能定時器2，開始計數while（GPIO_ReadInp

utDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_10）==1）;//等待echo的高電平結

束TIM_Cmd（TIM52，DISABLE）;//失能定時器2，截止計數retu rn（TIM_GetCounter（TIM2））/1000000*340/2*100;//此處單位轉換為cm

}

6 總結

本設計以實時在線檢測渠道水位流量信息為目標，設計基于多層超聲波和時差法的渠道測量方案，設計基于太陽能的無線傳輸設備和數據采集器，實現遠程傳輸，借助太陽能供電可節約能源，設備和系統可提高了斷面平均流速的準確度和水量的準確性，提高灌區有效系數監測精度，解決了目前灌區水流量監測精度低和安裝易破壞的問題，為科學、精確的確定灌溉用水決策提供了基礎。

參考文獻：

[1] 趙靖宇，梅杰，謝代梁，曹松曉，徐志鵬，徐雅，劉鐵軍.基于PIC的磁致伸縮位置傳感器研究[J].中國測試，2020， 46（12）：33-38.

[2] 李曉云.古浪縣黃花灘灌區水量計量系統技術方案選比[J].湖北農機化，2020（09）：58-59.

[3] 劉鴻濤，于明舟，龍昱帆，趙瑞娟，屈忠義.灌區水量計量的方法與應用[J].東北水利水電，2019，37（09）：21-24，59，72.

[4] 林俊.灌區渠系水量計量及監測控制一體化研究[D].華南理工大學，2017.