杨正宏，翟伟明

(1.山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西 太原 030000；2. 山西辛安泉供水工程有限公司，山西 太原 030000)

水资源是促进工业生产、农业生产所必须的基础物质，在我国的绝大多数地方，由于对地下水资源超负荷的开采以及群众节约用水观念的淡薄，造成了水资源的严重浪费。为持续提升农业灌溉用水效率，精确计量明渠流量，设计一种精度高、自动化和智能化高同时便于携带的水量测流装置就显得尤为重要。农业灌区传统的量水方法有流速仪量水、量水槽、量水堰等几种，这几类量水方式对渠道形状有一定的要求，并且在流量大、口径大的明渠中安装较为复杂，测量时也存在诸多不便。

针对传统测量方式的弊端，本文设计了应变电阻和单片机MSP430相结合的自动流量测试系统。利用压强随水流深度变化从而引起应变电阻变化的特点，以及MSP430F149单片机强大的计算、处理、存储能力和时钟频率、时序的控制能力。它不仅能耗低、携带方便，同时测量精准度高，实现了水位、流速、流量的实时监测以及自动化测量。

1 测流原理

1.1 明渠测量原理

在实际应用中明渠横断面常设计为倒梯形较多，也有矩形、U型等形式的断面。当输水明渠达到一定长度、糙率不变、无建筑物干扰、水流为恒定流、流量沿程不变，就形成了均匀流或者近似均匀流，水流流量就能使用均匀流公式进行计算。

(1)

再将曼宁公式与公式(1)相结合，即可得到。

(2)

式中，Q—水流流量，m3/s；R—水利半径；n—渠道粗糙系数，与渠道材料本身相关；A—渠道过水横断面面积，m2；X—渠道湿周长度，m；i—渠道纵坡系数。

从式(2)可以知道，渠道形状大小、坡降比和糙率在工程设计时都是已知参数，那么渠道中流量值只和水深呈对应关系。通过测得渠道中的水流深度，进行相应计算即可得出渠道水流流量。根据水流压强公式可知，压强与水流深度存在正比关系，其变化可以导致应变电阻的阻值变化，阻值变化导致通过电流发生变化，可测得电流与水位高度的关系曲线。将水位高度代入上述公式(2)通过系统自动计算出渠道流量[1]。

式(2)中规则断面物理参数，对于人工渠道粗糙系数n和水力半径R以及纵坡系数i，在长期的工程实践中有大量的数据可供参考，实际应用中n可根据渠道材料的不同参考选取；R则根据断面形状的不同代入公式即可，i则通过工程设计资料或实测得到；对于不规则断面的均匀流，粗糙系数n和纵坡系数i的选取与规则断面相同，水利半径R为过水断面面积A与湿周X的比，在设计上则采用类似于积分形式的分割法，将不规则断面分割成若干个部分，每个部分根据不规则断面的形状近似的相似于矩形、梯形断面，相应的求出各部分湿周对所划分面积的影响，得出该部分的水力半径，总面积的水力半径用各面积的水力半径加权平均得到[2]，从而测得整个不规则断面的实时流量。具体计算过程则通过软件编程在上位机上自动实现。

1.2 应变电阻的应用原理

应变电阻采用特定的导电材料在受到外部应力时改变自身形态的特点进行研制的，将受力材料上产生的应变力转为电阻的变化。

明渠中一定深度的水压强可以用以下公式表示。

p=p0+ρgh

(3)

式中，p—水的压强，Pa；h—水深，m；P0—大气压强，Pa；ρ—水的密度，kg/m3。

应变电阻测量采集部分如图1所示，两根引出线分别与电阻应变片两端相连，导气孔则采用细塑料管与外界大气相通，这样应变电阻向上的一面就是大气压；电阻应变片的向下的一面与硅胶环采用胶水连在一起，硅胶环的下部与玻璃基板粘合在一起[3]。水流通过导流孔作用于硅胶环的下表面，水压强使得硅胶环产生一定的变形，硅胶环的变形实时传导到电阻片向水的一侧。硅胶环的选取则要同时具备弹性好和厚度薄的特点。

图1 应变电阻测量部分结构图

此时电阻应变片的上下表面存在的压强差则为：

Δp=ρgh

式中，Δp—电阻应变片上下表面产生的压强差，使得电阻片因受力而发生变形，从而导致电阻值发生改变，如图2所示。

图2 电阻应变片示意图

在一个恒定电压U时，依据欧姆定律，当电阻应变片的电阻改变时，电流也会发生改变，通过实际测得电流的变化与水深的关系，即可通过电流大小信号来表达水深，如图3所示。

图3 电流与水位关系图

2 系统总体结构框架设计

明渠流量自动测量系统结构原理图[4]如图4所示。

图4 结构原理图

2.1 信号采集和处理模块

信号采集和处理电路的主要组成部分是一片电流传感器ACS712ELCTR- 20A芯片和MSP430F149单片机。ACS712ELCTR- 20A是一种监测装置，能感受到被测电流的信息，然后通过相应的规律，将检测到的信息转变成数字信号，从而使得信息具有分析优化、传输以及显示存储的功能。ACS712ELCTR- 20A芯片具有灵敏度高、温度适应性强、抗干扰性强、功耗低等特点。MSP430F149单片机最突出的优点就是其超低的功耗[5]，为了提供“单片机”的解决方案，在芯片上集成各种不能功能的数字电路、微处理器、模拟电路等，其电压需求仅为1.8～3.6V，很适合长时间的电池供电；低功耗的选择模式有5种，芯片待机电流通常小于1μA，可以支持各种唤醒、中断的机制，唤醒只需6μS。其包含FLASH存储器是具有大容量、可点擦写等特点的数据存储单元。MSP430F149芯片与上位机的通信有异步串行通讯模块UART接口和同步串行通讯模块SPI接口。使用JTAG接口作为调试和下载程序的接口。MSP430F149开发语言采用汇编语言和C语言，信号处理模块主控制器电路图如图5所示。

2.2 信号传输模块

该系统为了能将测得数据远程传输给上位机，供其进行数据监控和处理，采用了RS232通信接口[6]，CH430具有的USB转串口实现了供电和数据传输的双项功能。接口芯片MAX3232CPE是为RS232设计的标准串口。设计上克服了信号在正负电平间摆动导致通信不正常。该芯片接口简单、功耗极低，耗电0.3mA，电压要求3.3V，内置两路接收器和驱动器，同时外接4个0.1μF电容。经过一定的扩展后，为远程的无线传输预留了迭代可能性。通讯接口电路如图6所示。

3 软件开发

软件的开发主要用于各部分硬件之间的协调工作以及实现对曼宁公式中固定参数的录入。系统传感器的编程语言使用C语言，Keil uVision4兼容各种微软操作系统，其作为本系统语言开发的平台，把各个功能部分有序组合起来，达到系统整体合一的功能效果。最后把处理完毕的数据传输到显示屏上，同时数据上传到上位机。上位机软件的开发使用Visual Basic，它具有面向对象、模块化、可视化的开发的特性，可在Windows操作系统上进行高级程序的设计。在本系统中主要实现以下功能：①可对矩形、U行、梯形以及不规则断面形状的渠道进行选择；②自动进行不规则明渠截面水力半径的加权平均；③实现粗糙系数、纵坡系数、渠道宽度等参数的录入；④计算生成水位、流量的信息、并加以分析，产生记录日志。

图5 主控制器电路

图6 通信电路

4 应用

装置完成后，为测试系统的可行性，采用当地正常使用的明渠进行测试。明渠断面为矩形，渠宽4m，边坡系数1.5，渠道底坡查阅工程资料为1/2000的坡降。同时利用明渠流速仪在相同时间内对渠道进行了5次测量作为对比，流速仪测流则采用了传统两点法，换算成流量后与该测流系统的实测值进行比较，相对误差绝对值均小于3%，试验数据及其分析见表1。

表1 试验数据及其分析

5 结语

系统已在各种不同形状明渠均匀流进行了相关性试验，证明了该系统的可靠性，该装置具有低能耗、便于携带等特点，测量的精度也有所保证。水位信息采集处理单元、流量的自动计算、LED和上位机的显示、以及流量数据的传输、存储等功能均达到了预设目标，进一步论证了该测流系统对明渠均匀流的有效测量，可以满足工农业生产的需要。