基于超声多层时差的灌区水量测控控制系统设计

雷桥江 王登鑫 张育斌 乔丽萍

摘 要 农业生产在我国占有十分重要的地位，而农业用水中以灌溉用水为主，但灌溉效率低和灌溉水浪费问题普遍存在。针对我国对建设灌溉用水系统存在基础信息缺乏、使用的技术不先进;使用的数据传输技术有限、稳定性低;没有形成系统的思维，硬件投入大，轻视软件系统的建设的问题，本文设计基于多层超声波和时差法的渠道测量方案，实现水体的流速测量，提高实验数据的精确性，通过数据的监控和管理，实现对数据的采集。

关键词 磁致伸缩 多层时差法 超声波技术 STM32单片机

中图分类号：TN964 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2021）03-0005-02

1 前言

农业生产在我国占有十分重要的地位，而农业用水中以灌溉用水为主，但灌溉效率低和灌溉水浪费问题普遍存在。因此，无论是林业还是农业，从水资源缺乏和节省能源的角度出发，节水灌溉都是目前研究、开发的热点。发展和推广节水灌溉设备对缓解我国水资源危机具有重要的作用。

针对我国对建设灌溉用水系统存在基础信息缺乏、使用的技术不先进;使用的数据传输技术有限、稳定性低;没有形成系统的思维，硬件投入大，轻视软件系统的建设;整个系统的综合集成能力差等问题。因此，在我国灌区水情监测中引入先进技术，运用远程信息传播手段，开发通用灌溉用水计量管理软件，开发适宜灌区环境的水量监测设备，建立信息化的灌区水情监测管理系统很有必要。本文充分实现水体的流速测量，提高实驗数据的精确性，通过数据的监控和管理，实现对数据的采集。

2 设计特点

1.对渠道进行多层声道测速，测量精度高，可测量正、反两个方向的流量和流速[1];同时时差法测流，不受水体流态、涡流、回流等影响，适应各种渠道，适应各种流速条件。

2.一体化全防水设计，嵌入式安装，无阻流，无水头损失，安装维护简单方便，可用于槽堰式或其他方式明渠流量计的标定设备，利于推广应用。

3 控制及数据处理单元

1.采用STM32F103C8T6处理芯片，是一款基于ARMC ortex-M3内核（ARM公司在ARM11以后改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，M系列有M0、M0+、M3、M4、M7）的32位的微控制器，其程序存储器FLASH容量是64KB，RAM容量是20KB，2个12bit，ADC总合计12路通道，37个通用I/O口，4个16bit定时器，其工作电压的范围为2V～3.6V，环境的工作温度为-40°C～85°C，系统时钟最高可到72MHz[2]。其内部集成里很多的功能模块，电路结构也简单了很多，同时大大的缩小的外形的尺寸降低了成本。

2.与51单片机相比，STM32F103C8T6处理芯片的地址空间可通过外扩之后可以高达4GB，在一般的情况下不需要外扩这么多储存地址单元，只要外扩1GB即可够用了。此外51单片机的ROM储存只有在2K—64K之间，RAM也仅仅128B—1K;而STM32F103C8T6的ROM的储存有高达20K—1MB，RAM有8K-256K，外设：传统的51单片机只有三个定时器与一个串口通讯，但是在STM32F103C8T6的身上却是拥有着DA、AD、TINER、WWDG、IWDG、CRC、MDA、IIC、SPI、USART等外设功能[3]。在开发的操作软件上，在早期的51单片机上是采用了UV2软件，而STM32使用的则是UV4或UV5，甚至是更高的版本UV软件来编写代码程序。由此综合了以上的优点，选择STM32F103C8T6是最佳的选择。

4 驱动控制电路图设计

采用3输出3输入的电路原理图开头的IR2104是半桥驱动器，也就是开关芯片，开关的间隔150-580纳秒，也是非常的迅速的[4]。其中的MOS采用了IR7843，这是N通道的增强型MOS管，其中的对应角分别是DGS，主要的工作原理也应当是首先当VGS的电压大于VDS时，D-S之间的载流子会不断减少，当其载流子界面产生负的界面会导致IDS导通，从而VGS的电压大小可以控制通过MOS管的IDS的大小。两个电容起到滤波的作用，采用半桥驱动的方法可达到电路稳定且抗干扰强，输出的效率高等优点。

5 通讯模块的选取

选用的是基于合宙Air724系列高性价比的Cat14GDTU通讯模块。该模块支持移动、电信、联通全网通4G;同时支持USB、3.3VTTL电平串口（UART）、RS485的通讯方式，该模块可支持二次开发，可以在基于腾讯云、阿里云、华为云等诸多的服务器通过MQTT通讯协议上做二次开发，且二次开发的成本低，开发的起来容易。在体积上尺寸合适，方便使用标准的AT命令固件、DTU透传固件和Lua二次开发，支持TCP/UDP/HTTP、NTP/HTTPS/PING/MQTT等协议，更方便的集成到自己的设备控制系统中（控制结构图1如所示）。

获取时差代码：

floatHcsr04GetLength（void）//获取时间差值

{

u32t=0;

inti=0;

floatlengthTemp=0;

floatsum=0;

while（i！=5）

{

TRIG_Send=1;//发送口高电平输出

Delay_Us（20）;

TRIG_Send=0;

while（ECHO_Reci==0）;//等待接收口高电平输出

OpenTimerForHc（）;//打开定时器

i=i+1;

while（ECHO_Reci==1）;

CloseTimerForHc（）;//关闭定时器

t=GetEchoTimer（）;//获取时间，分辨率为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为高电平时，则等待至低电平，才启动超声波

UltrasonicWave_StartMeasure（）;//启动超声波while（GPIO_ReadInputDataBit（GPIOB，GPIO_Pin_10）==0）;//等待echo的高

电平到来TIM_SetCounter（TIM2，0）;//清零计数器TIM_Cmd（TI

M2，ENABLE）;//使能定时器2，开始计数while（GPIO_ReadInp

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

束TIM_Cmd（TIM52，DISABLE）;//失能定时器2，截止计数retu rn（TIM_GetCounter（TIM2））/1000000*340/2*100;//此处单位转换为cm

}

6 总结

本设计以实时在线检测渠道水位流量信息为目标，设计基于多层超声波和时差法的渠道测量方案，设计基于太阳能的无线传输设备和数据采集器，实现远程传输，借助太阳能供电可节约能源，设备和系统可提高了断面平均流速的准确度和水量的准确性，提高灌区有效系数监测精度，解决了目前灌区水流量监测精度低和安装易破坏的问题，为科学、精确的确定灌溉用水决策提供了基础。

参考文献：

[1] 赵靖宇，梅杰，谢代梁，曹松晓，徐志鹏，徐雅，刘铁军.基于PIC的磁致伸缩位置传感器研究[J].中国测试，2020， 46（12）：33-38.

[2] 李晓云.古浪县黄花滩灌区水量计量系统技术方案选比[J].湖北农机化，2020（09）：58-59.

[3] 刘鸿涛，于明舟，龙昱帆，赵瑞娟，屈忠义.灌区水量计量的方法与应用[J].东北水利水电，2019，37（09）：21-24，59，72.

[4] 林俊.灌区渠系水量计量及监测控制一体化研究[D].华南理工大学，2017.