1 引言

    近年來(lái)，激光雷達(dá)因具有測(cè)量速度快、測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)距精度高、方向性好、造價(jià)適中等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。激光調(diào)制波的強(qiáng)度大，有利于遠(yuǎn)處目標(biāo)的距離測(cè)量，保證了很好的測(cè)距方向。利用激光測(cè)距原理簡(jiǎn)單，即通過(guò)測(cè)量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離[5]，使它成為距離檢測(cè)的主要手段。近年來(lái)，隨著工業(yè)調(diào)節(jié)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，流量計(jì)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)流量計(jì)存在精度不高和重復(fù)性差、應(yīng)用范圍有限等問(wèn)題，為此我們研制出激光明渠流量計(jì)，它和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量?jī)x表、電磁式流量?jī)x表相比，可應(yīng)用在經(jīng)明渠排放的工業(yè)污水流量檢測(cè)。這種非接觸式測(cè)量技術(shù)將具有更大的應(yīng)用潛力。

    2 測(cè)量原理

    明渠流量計(jì)是應(yīng)用激光來(lái)測(cè)量明渠流量的。明渠流是指流體在地心引力的作用下沿明渠形成的重力流動(dòng)。其特點(diǎn)是明渠具有自由表面，自由表面上各點(diǎn)壓強(qiáng)均為大氣壓強(qiáng)，相對(duì)壓強(qiáng)為零。因此明渠流又稱為無(wú)壓流或重力流。測(cè)量明渠的流量必需使用專用渠道量（如槽、堰等）。工業(yè)和公用事業(yè)常用的明渠流量?jī)x表按測(cè)量原理大體可分為堰法、測(cè)流槽法、流速-水位計(jì)算法和電磁流量計(jì)法[2，3，4]。

    堰（weir）法：在明渠適當(dāng)位置裝一擋板，水流被阻斷，水位升到檔板上端堰口，便從堰口流出。水流剛流出的流量小于渠道中原來(lái)的流量，水位繼續(xù)上升，流出流量隨之增加，直到流出量等于渠道原流量，水位便穩(wěn)定在某一高度，測(cè)出水位高度便可求取流量。

    明渠流量計(jì)中使用最多是堰式流量計(jì)和槽式流量計(jì)，通過(guò)測(cè)出堰槽內(nèi)堰頂水頭高度h，采用流量計(jì)算公式（1）、（2）可得到流量。

    湯姆森公式：

    Q=1.4H^2.5            

    適用范圍為h=0.05～0.18m，范圍較窄。

    斯特里克蘭公式：

            (2)

    適用范圍為

    則一段時(shí)間內(nèi)的累積流量為：

    式中Q為流體單位時(shí)間的流量，經(jīng)過(guò)積分后求得的為時(shí)間t1～t2時(shí)間段內(nèi)的累積流量。

    激光傳感器安裝在堰槽上方[6-7-8]，如圖1所示。AT89C52單片機(jī)利用RS232C串行通訊向激光測(cè)距傳感器（DLS2A15）通過(guò)按鍵發(fā)測(cè)距命令（“g、n”）。傳感器接收此命令向被測(cè)液體發(fā)射一束光信號(hào)，經(jīng)液面反射回的光信號(hào)在傳感器內(nèi)部被轉(zhuǎn)換為一序列號(hào)碼，若成功返回代碼為31..06+xxxxxxxx，然后再經(jīng)RS232C串行通訊將返回的數(shù)據(jù)給AT89C52接收。如是3則先讓出6個(gè)標(biāo)志位“31..06”，再接收8位數(shù)據(jù)位，本系統(tǒng)中最大距離是米且精確到1/10mm，所以有效數(shù)是從第2位至第6位，通過(guò)程序?qū)⑵浞蛛x出來(lái)后的4位數(shù)（米、分米、厘米、毫米）即為測(cè)得的距離值，即傳感器到液面的高度H，由公式4即可求得h。

    h=H₂-H-hα（4）

    h堰頂水頭，hα為堰高，H為探頭到液面的距離，H2為探頭到堰底的距離。

    3 系統(tǒng)的構(gòu)成

    激光流量計(jì)的組成如圖2所示。

    3.1 總體設(shè)計(jì)思想

    本系統(tǒng)主程序由各芯片初始化和按鍵循環(huán)兩大部分組成（系統(tǒng)流程圖如圖3所示），按鍵部分是一個(gè)條件為真的循環(huán)語(yǔ)句。當(dāng)程序運(yùn)行按鍵部分時(shí)，系統(tǒng)將在此循環(huán)等待鍵按下，如果有鍵按下，則根據(jù)事先的定義（將五個(gè)按鍵定義成1～5的數(shù)值）判斷是哪個(gè)鍵按下，執(zhí)行相應(yīng)的工作狀態(tài)。

    在系統(tǒng)剛開始工作時(shí)，焦點(diǎn)設(shè)在系統(tǒng)狀態(tài)燈處，此時(shí)按向下鍵可以調(diào)整系統(tǒng)的工作狀態(tài)（包括一次測(cè)距、多次測(cè)距、設(shè)置時(shí)間、設(shè)置傳感器到地面的距離、設(shè)置測(cè)量誤差范圍）。在系統(tǒng)以后的運(yùn)行中，向下鍵可根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)志位的不同，進(jìn)行不同的加1作用。OK鍵負(fù)責(zé)確定所選的工作狀態(tài)。當(dāng)選擇好工作狀態(tài)后，在系統(tǒng)狀態(tài)顯示燈處將顯示當(dāng)前工作狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值（一次測(cè)距數(shù)值為1，多次測(cè)距數(shù)值為2，設(shè)置時(shí)間數(shù)值為3，設(shè)置傳感器到地面之間的距離/誤差范圍數(shù)值為4），如果此后OK鍵被按下，則此時(shí)的工作狀態(tài)開始生效，并將當(dāng)前工作狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值送入程序中設(shè)立的系統(tǒng)標(biāo)志位中，系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)志位中的內(nèi)容開始調(diào)用相應(yīng)的工作狀態(tài)子程序。

    系統(tǒng)鍵則是本系統(tǒng)中的一個(gè)復(fù)位鍵，按下系統(tǒng)鍵，工作狀態(tài)將返回系統(tǒng)初始時(shí)的狀態(tài)。

    在本系統(tǒng)中增加了一項(xiàng)多次測(cè)距的工作狀態(tài)，當(dāng)選定多次測(cè)距工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將一直調(diào)用測(cè)距的子程序，只有當(dāng)系統(tǒng)鍵再次按下時(shí)此工作狀態(tài)才能截止，其它鍵按下無(wú)效。

    向左和向右鍵在系統(tǒng)剛開始工作時(shí)被按下無(wú)效，不影響系統(tǒng)的工作狀態(tài)，程序?qū)⒎祷厣弦患?jí)繼續(xù)等待鍵按下。在設(shè)置時(shí)間和設(shè)置傳感器到地面之間的距離/誤差范圍時(shí)，向左鍵、向右鍵開始生效，向左鍵和向右鍵負(fù)責(zé)向左和向右調(diào)整需要修改的位（即選定焦點(diǎn)位），此時(shí)向下鍵則負(fù)責(zé)在當(dāng)前焦點(diǎn)位上進(jìn)行數(shù)值加1，當(dāng)修改好數(shù)值后按下OK鍵，系統(tǒng)將選定當(dāng)前修改后的數(shù)值加以顯示并等待下一個(gè)按鍵的按下。

    3.2 通訊電路設(shè)計(jì)過(guò)程

    通訊電路主要完成電平的轉(zhuǎn)換與信息的傳遞。本系統(tǒng)的通訊電路為單片機(jī)與激光測(cè)距傳感器之間的通信，主要是依靠單片機(jī)的串行通信功能得以實(shí)現(xiàn)。DLS2A激光傳感器的接口為D型接口，在本系統(tǒng)中選用RS232作為與單片機(jī)相連的接口，連接圖如圖4所示。

    AT89C52單片機(jī)的片內(nèi)串行口是一個(gè)全雙工的異步串行通信接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，串行口的接收和發(fā)送都是通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器SBUF的訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)的。CPU對(duì)SBUF執(zhí)行寫操作即可發(fā)送數(shù)據(jù)，也可接收數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)向傳感器發(fā)送測(cè)距命令“g/n”來(lái)完成發(fā)送數(shù)據(jù)，即單片機(jī)通過(guò)判斷測(cè)距命令字符數(shù)組“g/n”中的字符是否等于‘/n’來(lái)確定發(fā)送是否結(jié)束，如兩個(gè)字符相等則發(fā)送測(cè)距命令完成，并將送到數(shù)據(jù)緩沖器SBUF中通過(guò)串行口的TXD給激光測(cè)距傳感器的RXD接收。而接收方案本設(shè)計(jì)通過(guò)判斷串行通信控制器SCON的接收中斷結(jié)束標(biāo)志RI來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)的接收。即本系統(tǒng)通過(guò)判斷接收是否超時(shí)，如超時(shí)則重新發(fā)測(cè)距命令；不超時(shí)則接收數(shù)據(jù)并判斷第一個(gè)接收的是否是3，如是3則先讓出6個(gè)標(biāo)志位“31..06”，再接收8位數(shù)據(jù)位，但是本系統(tǒng)中最大距離是米且精確到1/10mm，所以有效數(shù)是從第2位至第6位，通過(guò)程序?qū)⑵浞蛛x出來(lái)后的4位數(shù)（米、分米、厘米、毫米、1/毫米）即為測(cè)得的距離值。精度問(wèn)題是我們研制流量計(jì)時(shí)一直關(guān)心的問(wèn)題，所測(cè)液位的最小分辨率為0.1mm。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    利用激光傳感器測(cè)距在當(dāng)前各領(lǐng)域中以被廣泛應(yīng)用。本課題利用激光測(cè)距傳感器DLS2A作為激光的發(fā)射源，該傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)在于其內(nèi)部具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，通過(guò)RS232口可直接將測(cè)得實(shí)際距離的數(shù)值傳送給單片機(jī)。然后，單片機(jī)通過(guò)MAX7129芯片驅(qū)動(dòng)LED顯示器將測(cè)出的流量實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)。此外，在整個(gè)系統(tǒng)中增加了一個(gè)按鍵控制部分，操作人員可通過(guò)按鍵控制系統(tǒng)的多種工作狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)距準(zhǔn)確。

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