目前普遍使用的量水仪（或水位仪），要么功能单一（或功能较少），在实际应用时还需要额外的辅助设备；要么功能较全，但体积较大，不方便携带，功耗也较大，供电设备还要额外配置。基于单片机开发的各种量水仪，以其成本低、方便实用、精确而被广泛应用在水利工程中。为此，笔者结合实际的需要，开发研制了一种基于AT89C51单片机的便携式多功能量水仪。该仪器功能集中，不仅能实现信号的自动调理，而且还能实现数据的通信、报表打印、密码及K/N参数的设置以及掉电保护等多种功能。更为突出的是，该仪器能与多种液位传感器直接接口，携带方便，供电简单，功耗比较低。
1系统的硬件设计
系统的硬件主要由AT89C51单片机、增益调节电路、LM331V/F转换器、81C55I/O口扩展器、两片ICM7211四位液晶显示器、CD4051八选一模拟开关、CD4052双四选一模拟开关、4′4薄膜触键及六位液晶显示器LCD等组成，其框图如图1所示。
1。1信号增益调节电路
增益信号是由程序控制的，它根据待测量信号幅值的大小来改变放大器增益，以使不同幅值范围的输入信号都能放大到A/D精确转换所需的幅值范围。本仪器设计的输入量程为0~5V，分辨率是1。0mV。为了保证测量精度的一致性，设计了以一片CD4051八选一模拟开关、若干高精密电阻和一个低功耗运算放大器OP07等组成程控增益放大电路。鉴于实际场合中常用的液位传感器输出满量程电压一般为60mV、200mV、2V、5V等几种，故设计了0~5V的量程，具体电路组成如图2所示。其中N1、N2组成同相关联差动放大器，N3为电压跟随器，主要用来抑制共模信号，N4是输出差动放大器，整个电路的增益可通过改变权电阻网络R0~R7来调节。
1。2信号A/D转换电路
为了适应便携式仪表电池供电、功耗低等特点，采用了功耗低、高精度、供电简单的V/F转换芯片LM331组成电压-频率（10V-100kHz）的A/D转换电路，其输出频率与输入电压的关系为
通过AT89C51的T0计数器（其中T1作定时器用）计算出fOUT，从而得到输入Vin，进而算出水位值Hi（Hi~Vin），具体如图3所示。
在该电路中，电阻R16为80kW±10%，它主要是使LM331的输入端7脚产生偏流，以抵消6脚偏流的影响，从而减少频率偏差。R39和可调电位器RW3的作用是调整LM331的增益偏差和由R23、R25及C6引起的偏差。当6脚、7脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化将会引起输出频率的阶跃变化，如果C8比C9小得多，那么输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。6脚的47W电阻R23和1。0mF电容器C9并联用以产生滞后效应，使V/F转换获得良好的线性度。
1。3低功耗设计
该仪器全部芯片均选用CMOS低功耗芯片，其余外围电路采用了低功耗设计，并设计了4×4触摸薄膜键盘及六位LCD液晶显示器作为人—机接口。在软件设计上，整个系统采用了等待和掉电工作的节电运行机制，功耗较低。
2系统的软件设计
软件是系统的指挥中心，由它来配合控制完成各种预定功能。为了充分发挥AT89C51优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软化”，使系统硬件设计得到简化。系统软件采用MCS-51汇编语言编写，采用了模块化结构设计。为增强系统的实时性，对那些偶发事件采用中断方式处理。
2。1系统的软件算法
在明渠量水建筑物中，较为典型的是巴歇尔水槽。在自由流情况下，巴歇尔水槽的水位H和流量Q关系是简单的二值函数。利用回归分析技术，可以求出H～Q流量经验公式。为了便于分析和应用，我们在水工实验中主要是针对自由流情况的，从而得到大量的H～Q曲线数据组。
巴歇尔水槽在自由流时的流量公式为
Q=K·HN（2）
式中，Q为流量（m3/s），K、N为流量系数，H为上游水头高（m）。由于流量经验公式是指数型函数，故先对巴歇尔槽流量公式两边取对数，得
lnQ=lnK+N·lnH（3）
设y=lnQ；a=lnK；b=N；x=lnH
式（3）可写成
y=a+b·x（4）
然后，利用实测的大量独立（H，Q）数据，求出回归系数a、b的最小二乘估计量（亦即为a、b的无偏估计量），从而得到回归函数的估计
（5）
由y=a+b·x+&epSILon;，ε~N（0，δ2），可知y随x变化趋势的大小主要受参数b的影响，故建立如下假设检验：
H0：b=0；H1：b≠0（6）
用以检验线性回归效果的显著性水平。符合实际要求后，则得到流量系数K、N的估计值。有了流量经验公式，系统就可根据所测的水位H值来计算出流量值Q。
2。2系统的主程序设计
主程序主要用于系统的控制和管理。系统加电后，AT89C51自动上电复位，开始运行主程序，主程序框图见图4所示。系统首先显示“0-××××”，表示系统在进行自检和自校零工作。此时要求操作员不断地调节调零电位器，直到校零达到精度要求时为止，然后按回车键表示校零完成（理想情况下显示为“0。00000”）。接着显示“1-××××”，表示系统在进行满度校正工作。同样，操作员需要不断地调节满度电位器，直到满度校正达到精度要求时为止，然后按回车键表示满度校正完成（理想情况下显示为“5。00000”）。接着系统依次显示“L”、“E”等提示符号，要求操作员输入流量系数K、N值。当输入正确后，系统进行初始化T0、T1。一切处理完毕后，系统开始正常的运作过程，并进入待机低功耗工作状态。
需要说明的是，仪器还具有简单的密码设置功能。当设置密码后，要进行流量系数修改时，必须首先输入正确的密码，否则系统不予以响应。这样能在一定程度上保证流量系数K、N的安全性。
2。3中断采集服务程序
系统在此环节完成V/F信号采集、自动量程转换、流量计算及显示水位H、流量Q等参数。其中K/N、W（总流量）参数显示采用了复用键，由软件设计的奇偶次切换决定。一般情况下，系统自动循环地显示H-Q值。
该模块在运行时，首先保护现场，进行初始化设置，启动T0定时器（T0的定时时间为100ms，时间常数为3CB0H）和T1计数器，由T1记录V/F转换输出的脉冲数。然后，系统连续采样10次，利用数字滤波技术得出当前的有效采样值。接着，判断系统是否已经进行了自校正，若没有，则先进行系统的自校正；若已完成了自校正工作，则继续后续程序块，计算水位H、流量Q、总流量W值。最后根据控制命令显示这些参数，调用功能键处理模块，巡查有无控制命令，恢复现场、中断返回。
此外，系统还设计了串行口通信程序，实现与上位机之间的数据通信，上传H、Q、K、N、W等参数值及接受上位机对参数的修改和控制。
3量水仪的精度问题
该仪器充分利用了AT89C51具有高性价比的特点，在不增加硬件资源的前提下，尽量做到硬件“软化”，提高了仪器的测量精度。
3。1数字调零和增益自校正
仪器在测量前首先进行自校正工作，即依次选通差动输入接口芯片CD4052的Y0、Y1输入端口（其中Y0端接地，Y1端接标准+5V电源），然后调节相应的微调器使仪器自校正达到设计要求。在正式测量时，设选通Y0输入端时，仪器测得V/F计数值为X0，选通Y1输入端时，测得计数值为X1，设测得传感器信号输入的计数值为Xi，则每次测量的计算公式为
Hi=（Xi－X0）/（X1－X0）*Hst（7）
式中Hst为标准5V时的水位值。
这样，Hi与放大器的漂移及增益误差无关，不仅可提高仪器的测量精度，还可降低对器件精度的要求。
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