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基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统设计.pdf
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1、第4 6 卷第11期2023年11 月水电站机电技术Mechanical&Electrical Technique of Hydropower StationVol.46 No.11Nov.202353基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统设计陈业超(中山市堤围管理中心,广东中山52 8 4 0 0)摘要:常规泵站水闸信息实时采集系统准确性不高、系统延迟时间过长并且多采用人工技术来操作,设计基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统。硬件设计中,首先对作为系统主控芯片的单片机进行设计并对单片机连接电源进行分析。除单片机外,系统内多个传感器相互配合运行,包括光电开关传感器、电机转速传感器、ARM传感
2、器以及红外线传感器。利用红外线传感器感知水位变化,并发送到光电开关传感器和ARM传感器,最后基于电机转速传感器发送到系统。软件设计中,对泵站水闸信息数据进行预处理,并对预处理后的数据进行特征提取,最后基于多个传感器的相互配合实现泵站水闸信息实时采集。为验证系统功能进行测试试验,结果显示系统在功能延时和压力值误差方面均具有明显优势。关键词:多传感器;泵站水闸;信息采集中图分类号:TV675DOl:10.13599/ki.11-5130.2023.11.016文献标识码:A文章编号:16 7 2-538 7(2 0 2 3)11-0 0 53-0 4功能,从而方便工作人员实时查看和管理这些数据。0
3、引言同时也可以设置各种异常报警机制及处理方法,确泵站水闸是用于调节水流的设施,通常安装在保在发生突发事件时第一时间得到相应处理。泵站的出水口处。它可以控制泵站排放的流量和压1硬件设计力,以保证整个供水系统运行稳定、高效。同时,水闸还可以作为防洪设施,在洪灾来临时关闭门板,将洪水挡住。泵站和水闸都是现代城市生活中不可缺少的基础设施之一。它们可以有效地解决城市用水问题,并在自然灾害时提供重要的保护作用。泵站和水闸的信息采集可以通过传感器、监控设备、自动化系统等方式进行。常见的信息采集项目有:水位测量,使用水位计或超声波传感器来测量水位高度,以便确定泵站/水闸需要加注或放水的情况 3;流速监测,使用
4、流量计或涡轮流量计等设备来测定河流中的流速,并根据数据调整泵站/水闸开启程度;温度监控,在特定区域安装温度传感器,检查是否存在过热问题,防止机械故障发生;液压压力检测,使用压力表或其他专业仪器,在管道中监控液体的压力,确保不会出现漏洞或损坏;能源消耗评估,记录电能消耗和功率输出数据并对其进行分析,以优化泵站/水闸运行效率并减少能源消耗;远程访问与报警功能,可以设置远程访问1.1单片机单片机作为系统设计的主控芯片,对系统性能起着关键的作用。面向泵站水闸信息采集领域,目前广泛应用的主控芯片主要有51,STC,PIC,A VR,STM32,A r d u i n o 等。为满足泵站水闸信息采集系统基
5、本功能所需,减少外界环境、周围电路等干扰影响、满足一次处理数据的宽度,秉持价格便宜、抗干扰强、加密性好、兼容性好、速度快、空间合理利用等原则,选用STC89C52RC单片机作为信息采集系统的主控芯片。单片机最小系统由电源电路、时钟电路、复位电路组成。其中电源电路获取SV电源,为单片机供电,首先是将用户交流2 2 0 V电压转换为SV直流电压,然后再将SV电源转换为3.3V稳定直流电压供单片机收稿日期:2 0 2 3-0 8-0 8作者简介:陈业超(19 7 7-),男,高级工程师,从事堤围水闸泵站水利工程建设、管理、运行调度,水旱灾害防御和水利信息化管理工作。54使用,满足设计需求。电路原理图
6、如图1和图2 所示。中F1C5R6NTC5DMP224KGC3XLCEARTHVDD5INR17P6SMB6.8CA图2 5 3.3V电源原理图图1中的U1是一个微型交流转直流模块,可以接人8 5 30 5V范围内的交流电压,通过U1把用户交流2 2 0 V电压整流成SV直流电源输出。R8是NTC热敏电阻,电阻值随着温度升高而下降,可以有效抑制接入交流电压时的浪涌电流。R6是压敏电阻,在电源输人端通过R6和F1保险丝起到过压保护的作用,有效防止过电压进人电路 5。C6和C9是X1等级的安规电容,接于两电力线之间,用于抑制差模干扰。为了滤除信号线上输人的共模电磁干扰以及自身向外的电磁干扰,抑制信
7、号干扰,在电路中加人了共模电感Ll。图2 中采用正向低压降稳压器U10,将SV直流电源作输入转换成3.3V稳定直流电压输出,以供单片机其他模块使用。其中C22是电源输入滤波电容,C23是输出滤波电容,减少输出电压的波动并抑制自激振荡。在电路设计中,R17和C23组成RC滤波电路,滤除电源端噪声信号,提高信噪比,可以有效抑制信号干扰。设计中使用了瞬态抑制二极管DS,来保护电路安全。瞬态抑制二极管的反向截止电压为5.8 V,击穿电压为6.4 5V,能够防止交流电源的浪涌电流、静电放电以及开关电源噪音带来的损害,还可以抑制尖峰电压,把电压钳制在SV。最后通过发光二极管LED表示电路能否正常工作 6
8、。接下来选择按键复位进行复位电路设计,在无法正常运行程序或由于单片机受到外部干扰造成寄存器数据错误时,通过RESET复位键,电容快速通水电站机电技术过电阻回路放电,RST引脚的电位快速转变为高电平,维持到按键释放,使程序重新开始运行。根据公C6C4L1U1C9VLU0608-331图1单机片连接电路原理图TP_5VVDD5D5第4 6 卷式(1)和公式(2)可知,通电时,执行一条单周期指令只需0.1s,双周期指令则需要0.2 s。其中单片机最小系统原理图,如图3所示。T,=T,=12 T,U10VDD3.3C22C2310uF/16V一TP_GND(1)(2)LEDC2LED+5V1.2传感器
9、除了单片机以外,在该信息采集系统中多个传感器相互配合运作,传感器的类型主要有光电开关传感器、电机转速传感器、ARM传感器以及红外线传感器。其中光电开关传感器,由接收器和发射器组成,具有结构简单、操作简便等优点。漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关以及槽式光电开关为目前常用的光电开关类型,工作示意图如图4 所示。图4 光电开关工作示意图选择对射式光电开关作为水位位置检测传感C3X1C1R1图3单片机原理图XTAL1XTAL2RSTPSENALEEAP1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7PO.O/ADOPO.1/AD1PO.2IAD2PO.3
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