（精密仪器及机械专业论文）浸入式水位测量系统的研究.pdf

浸入式水位测量系统的研究 摘要 本课胚是根据合肥三立自动化工程公司为满足市场需求而委托开发的项目。其目 的是研制出一套基于微处理器的单片机水位测量系统。 在一般江河湖泊水文水情测量中，水位测量设备扮演着非常重要的角色。 首先本水位测量系统是属于智能化实时在线测量系统，可充分保证对水位的实 时测量；其次，本系统通过通讯接口可以将不同地区不同位置的水位水情信息 汇总，以供水情监测工作人员分析并以此指导其工作。 本系统是利用压阻式传感器感知水位的变化，经a ，d 转换和单片机系统， 实现精确度高、智能化、体积小巧的水位测量系统。遵循智能化仪表的设计思 想，采用现代仪表设计中的器件解决方案，使仪表电路性能可靠、结构简单、 功耗低。内嵌的仪表软件采用的算法将测量技术和计算机技术结合起来，使仪 表具有自动调零、校准、软件滤波等功能。本水位计在线测量实时性好，可以自 动修正海拔高度、气压变化、水温变化、含沙量等因素引起的误差、通讯可靠 性高，适用面较广，其性能与国内外同类产品性能相当，能满足市场需要。 关键词：水位计液晶显示微处理器压阻式传感器测量算法智能化 s t u d yo f t h e i m m e r g i n gw a t e r l e v e l m e a s u r e s y s t e m a b s t r a c t t l l i sp r o j e c ts t e mi sc o m m i t t e db yh e f c is a n l ia u t o m a t i ce n 百n e e r i n gc o ，l t d ，a i m i n g a td e v e l o p i n gas e to fm i c r o p r o c e s s o rb 船e dw a t e r - l e v e lm e a s l l r i n gs y s t e mt om e e tt h e r e q u i r 锄e n to f m a r k e t t h ee q u i p m c n to fw a t e rl e v e lm e a s 耐n gp l a y sa i li m p o 删r o l ei nt 1 1 eh y d r o l o g yo f a l ls o r t so fr i v e r s 皿i sw a t e r - 1 e v e lm e a s 血n gs y s t e mi sa 虹n do fi n t e l l e c t u a li n f i e l d m e a s u r i n gs y s t e mw i t ht h ef h n c t i o no f r e a lt i m em e 舔嘣n gb e i n gp m v i d e d a n da l s o ，i tc a i l g a t h e r 血ew a t e r - 1 e v e lm e s s a g e so f d i 伍棚l ts i t e 仃j m s i n i n e db yi t sc o 姗l l i l i c a t i o ni n t e r f a c e t om es t a f r o f w a t e r 1 e v e ls u p e r v i s i o f o rt 1 1 e i ra n a l y s i s t h et h e o r yo ft h i sm e a s u r i n gs y s t e mi st ou t i l i z e 也ep i e z o r e s i s t i v e 仃a 1 1 s d u c e rf o rm e s e n s i n go f v 撕e t yo f w a t e r l e v c l 锄dm e nt l l em i c r 0 一v o n a g es i 弘a l i sc o n v e n e db ym e 加 c h i p a n dp r o c e s s e db ym i c r o p r o c e s s o lt h i sw a t e r - l e v e lm e 豁u r i n gs y s t e mh a s1 1 i g h p r c c i s i a n ，趾di sak i n do f 血t e l l i g e ma n dc o m p a c t e ds y s t e m ，i to b e y st 1 1 ed e s i g np 血c i p l eo f i n t e l i i g e n ti n s m i m e n t e d ，i tt a k e sm ep r o p o n e n t ss 0 1 v i n gp m p o s a l0 fm ep r e s e n i d a y 融r 啪e n t a ld e s i 弘1 1 1 c r e f o r e ，i t sc i r c u 岫w o r k ss a f e l y ，i t sc o n f i g l l r a t i o ni ss i m p l e ，i t s p o w e rc o n s u i l l p t i o ni s1 0 w w i t hm ec o m b 址a t i o no ft l l em e a s u r i n gt e c l l l l o l o g ya l l dm e c o m p u t e rt e c h n o l o g yc o m b i n e db yt h ea r i m m e t i co fe n l b e d d e di n s t n l m e n t a ls o f i 、v a r e ，m e n m c t i o no ft l l i s m e a s u r i n gs y s t e m a r ed i k et l l a tz e r os e l f _ r e g u l a t i o n ，s e l f - c a l i b r a t i o i l ， s o 仕w 盯e f i l t e r i n 吕砒l d e t c t l l i sw a t i 。r - l c v d m e 弱耐n gs y s t e mh a sg o o dr e a l t i m e p e r f o m a l l c e0 fi s 一矗e l dm e a s 嘶n g ，i tc a l la u t o m o t i v e 锄e n dt h ee r r o r sr c s u n e d t l l e v a r i c t yo fa i l p r e s s l l r e ，w a t c rt e m p e r a t i l r c ，s a i l dc a p a c i t ) ra n do 血e rf a c t o r s ，w l l i l ew i t l lt h e h i 曲r e l i a b i l i t yo fc o h h n u n i c a i i o na i l d 惭d e 印p l i c a b i l i t y ，l ep e r f o l l n a n c eo f t l l i sm e a s 砥n g s y s t e mi sc o m p a t i b l ew i t hm ed o m e s t i ca 1 1 do v c r s e a sc o n g e n e rp r o d l l c t s k e y w o r d s ： t l l ew a t e r 1 e v e l g a u g e ， l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y m i c r o p r o c e s s o r ， p i e z o r e s i s t i v et r a n s d u c e r m e a s u r i n ga l g o r i t h i n ，i m e l l i g e n c e 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 一1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 一1 3 图3 一1 4 图3 一1 5 图3 1 6 图3 一1 7 图3 一1 8 图3 一1 9 图3 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 2 3 插图清单 水位计系统示意图( 3 ) a 点受力示意图 ( 3 ) 水位计示意图( 4 ) 压阻式压力传感器( 6 ) 平膜片的应力分布图( 7 ) 零点温漂的补偿( 8 ) 灵敏度温度系数的补偿( 9 ) 非线性补偿电路( 1 0 ) 静水中安装示意图( 1 1 ) 动水中安装法示意图( 1 1 ) 动水中安装法二示意图( 1 2 ) 硬件总体结构框图( 1 3 ) 电阻式i v 装换电路( 1 5 ) r v c 4 2 0 内部结构原理图( 1 6 ) r v c 基本应用原理图( 1 6 ) t l c 2 5 4 3 引脚排列图( 1 8 ) t l c 2 5 4 3 接口( 1 9 ) 1 6 时钟传送时序图( 使用西，m s b 在前) ( 2 0 ) 1 6 时钟传送时序图( 不使用百，m s b 在前) ( 2 0 ) d s l 8 2 0 管脚图( 2 1 ) d s l 8 2 0 典型应用图( 2 1 ) 水位计面板外观图( 2 2 ) 独立式按键电路图。( 2 2 ) 声光指示模块( 2 3 ) l c m l 2 8 6 4 z k 典型应用原理图( 2 5 ) m a x 4 8 5 管脚图( 2 5 ) m a x 4 8 5 的网络通讯原理图( 2 6 ) m a x 4 8 5 与a t 8 9 c 5 2 连接图( 2 6 ) 继电器控制输出( 2 6 ) 模拟信号输出电路( 2 7 ) a t 8 9 c 5 2 弓l 脚图( 2 9 ) x 5 0 4 5 芯片的引脚排列图( 3 1 ) x 5 0 4 5 与a t 8 9 c 5 2 单片机的接口电路( 3 2 ) 系统电源原理图( 3 2 ) 图3 2 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一1 0 图4 1 1 水位计硬件原理图 监控主程序流程 系统初始化流程图 键盘程序管理流程图监控程序的基本组成 显示管理流程图常用模块分类 时钟管理流程图 标度原理 零点修正 传感器曲线 分段线性化后曲线 a d 装换程序流程图 m a x 通讯流程图)弘钾强的的钙们钙们“们(vvv( 表格清单 表3 1t l c 2 5 4 3 管脚说明 表3 2l c m l 2 8 6 4 z k 管脚说明 表3 3 c p ui o 口线资源分配表 ( 1 8 ) ( 2 3 ) ( 3 0 ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：c 认蹿。 签字日期：叫年月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金起王业盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 、 学位论文作者签名：j 以硼乙 签字日期：眦年b 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 辄郡彦膨 签字日期；年名月矽日 电话 邮编 致谢 本论文是在我的导师胡生清教授的悉心指导下完成的。从成为胡老师的研 究生开始到现在，胡老师他那渊博的知识，严谨的治学态度和为人师表的学者 风范一直潜移默化的影响着我。胡老师除了在学习上和专业技术方面给与我精 心的指导和帮助，在生活上也加以悉心的关怀，甚至在生病住院手术的时候不 忘关心我的学业。他的关心和指导是我可以克服困难，顺利完成学业的动力。 他的谆谆教诲会一直留在我的脑海里，将鼓励我在人生的道路上发奋图强，努 力拼搏，在此，我要衷心的感谢我的导师胡生清教授，感谢胡老师对我的教育 和培养。 同时，我还要感谢黄其圣教授、胡毅老师、张辉老师、王永红老师、张兰 钢老师等，他们在这两年多的时间里在学习和生活中的帮助和关心。 我还是感谢我的师姐刘芳芳、蒋敏兰，师兄王执泉以及我的朋友张文、陈 小艳、张登攀、张贺新、程真英及我的师弟妹李红莉、杨凌波、魏礼俊等，他 们给了我很多的帮助和鼓励，让我度过了这两年愉快的时光。 仅以此文献给关心、爱护、帮助过我的父母、家人、老师和同学们! 第一章绪论 水利是国民经济的基础设施。水文是水利不可分割的重要组成部分，是 水利工作中重要的基础工作。水文既是开发水利、防治水害、保护水环境的 重要基础工作和前期工作，又是防汛抗旱、防灾减灾的耳目。随着资源水利、 现代水利和可持续发展水利治水方略的确立，水文的作用越来越突出，地位越 来越重要。一切与水资源有关的国民经济建设都有赖于水文部门提供的科学 依据。 水位是江、河、湖、海水势变化的标志，水位测量数据是重要的水文检 测参数。水位测量的精度和实施性不仅仅是体现水位的真实性而且还直接关 系到防洪安全及发电灌溉等方方面面。运用先进的信息技术手段，可以大大 提高水情信息监测和传输的时效性和准确性，提高预测、预报的速度和精度， 降低灾害损失。 1 1研制的意义 我国地域辽阔，自然条件复杂多样，地区社会经济发展很不平衡，水资 源水文工作点多、线长、面广，站址偏僻，加之投入不足，造成目前我国部 分地区的水文测报设旋简陋，技术手段和装备陈旧落后，部分站点撤并，直 接影响了水文信息的收集、处理精度和时效，与当前和未来我国需求很不适 应。所以研究具有精度高、价格低廉、长期稳定性好、自动化程度高，安装 维护方便的现代化水位测量装置对于我国实现水文管理技术现代化有着十分 重要的意义， 许多水位测量装置虽然测出了水位但数据传输汇总缓慢，高密度的水位 和降水监测网的体系未能完善。为了使水文测报基础设施向正规化标准化现 代化发展，提高水文测报能力，增强水文信息采集处理和传输的安全性，可 靠性和实效性，对水位自动测量和控制系统的研究刻不容缓。 本课题是应合肥三立自动化工程有限公司委托研制的项目。 1 2国内外概况 鉴于水位测量的重要性，国内外对水位测量装置都有研究。水位测量主 要依靠水位传感器实现。现有的水位测量装置分为两大类：非接触式类和接 触类。非接触类一般包括：超声波( 声学) 式、电波式( 一般采用雷达) 、 光学式( 激光) 。接触类一般包括：浮予式和浸入式( 压力式) 。 国外的各种水位测量装置技术较为成熟，性能也较稳定可靠，但价格昂 贵，对应与我国的实际国情，使用成本太高。 国内各种水位测量装置技术现在正在处于发展中，不少的研究机构都有 着手研究，研制的水位测量装置也投入了生产和使用。成本较国外产品低廉。 例如，南京水利水文自动化研究所生产的各类水位测量装置等。但是仍不能 满足我国水文测报的大量需求。 目前我国大多数水文监测站所采用的水位测量装置主要有浮子式水位 测量装置、压力式水位测量装置两种。而压力式水位监测仪器因其具有适应 性强、用途广、不建测量井、建站便捷，成本低等优点，成为水位测量的理 想成套测站设备之一。 1 3 技术指标及研制的内容 根据委托方的要求，本课题所要达到的技术要求是： 1 测量方式：浸入式压力测量。 2 测量范围：o 2 0 m ，分辨率：5 m m 级。 3 综合精度：2 c m 。 4 工作环境：工作电源：a c 2 2 0 v 2 0 或d c 2 4 v 、d c 5 v ； 环境温度：2 0 5 5 ( 不结冰) ： 环境湿度：9 5 ； 5 输出方式：模拟量4 u2 0 m a ；r s 一4 8 5 通讯输出接口；6 路继电器 输出。 6 报警界限：上( 分三级) 、中、下发光指示和声音报警。 本课题研发的主要内容为： 1 传感器及信号的获取； 2 系统硬件电路的设计及智能化软件编写 3 系统的抗干扰性设计； 4 系统的精度误差分析。 第二章浸入式水位计整体构架及基本原理 2 1系统结构部件介绍 本水位测量系统的主要结构部件由以下几个部分组成，见图2 1 。本系 统通过水下的压力传感器感知水位高低变化产生的不同压力来达到测量水 位的目的。压力信号通过传输送到水位计电箱中并由其内的单片机进行处理 后达到显示，报警和远程通讯的目的。 图2 1水位计系统示意图 2 2系统测量原理豹整体描述 本系统利用压力传感器来进行水位测量的原理是将压力传感器浸入水 下一定的深度，通过传感器把与水体深度成正比的水体压力转化成电信号的 输出，从而建立起电信号与水体深度的线性对应关系。 根据公式： p = p g ( 2 1 ) ： 式中，p 一一传感器在安装点所受到的 一一1 、 一 压力；l p 一一水体密度： 一 i ，一 g 一一重力加速度； 一 | “ 一是传感器到水面的垂直距离； 一 l 一 一 由式( 2 一1 ) 可知压力与水的密度、重力 一 山 一 加速度、水位的高度有关。oa 在实际测量时，由图2 2 可以看到p 实际 一 上是等于大气压力与水体压力的和。 图2 - 2a 点受力示意图 即： p = p o + p g ( 2 2 ) 即有： p p 0 = p 酌 ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 说明传感器a 点的所受的水压力实际为传感器受的总压力与 大气压力的差。由此，可得： = ( p 一风) p g ( 2 4 ) 为了得到p 一传感器的一端窗口与a 点水压直接接触，传感器的另一 端通过与电缆一体的空气管道与大气压相连，即与相连，这样在传感器增 压和背压两面的大气压力就可以相互抵消，从而形成差压式传感器。使得传 感器的输出与p 一成比例。以上就是本系统所采用压差传感器原理。 由公式( 2 1 ) 可知水体静压力与水的密度、重力加速度、水位的高度 有关。而水体密度受温度、含沙量等因素影响，重力加速度受海拔及经纬度 影响，其值为变量或不定值，因此在设计中需要对上述问题进行修正。为解 决此问题，本系统采用安装两个压力传感器的方法来解决，从而达到自动标定 和修正某些参数的目的。安装方式如图2 3 所示： 图2 3 水位计示意图 由于l 、2 两个传感器所处位置的深度相近，所以在同一时刻，两者所 受的外界众因素的影响可视为近似相同。例如水温度、水密度和含沙量等。 此时压力传感器1 、2 测出的压强值分别是p l 、p 2 ，由公式2 1 可知 p l = p 永g ，z l ： p 22p 水g 2( 2 6 ) p 永和g 为受到众因素影响后的实际值 由图2 3 可知： 矗i = 2 + h( 2 7 ) 式中h 为压力传感器1 、压力传感器2 之间的垂直距离 根据式2 6 ，2 7 则有： 见一p 1 = ( 红一a ) ， d - ：旦2 二旦：旦2 二鱼 即有水6 岛一啊 h ( 2 8 ) 将2 9 代入2 6 可得传感器1 所测得的水位高度鱼： p 。= p 水g t = 学 = | j i - 2j _ h ( 2 - 9 ) h ，就为我们所需要的水位值。 式2 8 中p 。，p 2 值通过压力传感器测量后为已知，h 为常量。因此在 同一时刻内，水体温度及含沙量对测量结果的影响将相互抵消。本方法可以 自动修正外界环境因素的影响，但是必须使用两只相同性能的传感器。 2 3 浸入式水位计压力信号传感器部分的原理 2 3 1 压阻式压力传感器的基本工作原理及特性 1 1 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻 效应。压阻式传感器就是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，即在单晶硅的 基片上用扩散工艺( 或离子注入工艺及溅射工艺) 制成一定形状的应变元件， 当它受到压力作用时，应变元件的电阻会发生变化，从而使输出电压发生变 化。 固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。其优点是： 1 ) 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量； 2 ) 分辨力高，例如测量压力时可测出l o 2 0 p a 的微压： 3 ) 测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高： 4 ) 可测量低频加速度与直线加速度。 压阻式传感器的最大缺点是受温度影响较大，故需温度补偿或在恒温条 件下使用。 一、基本工作原理 一个长为l ，横截面积为s ，电阻率为p 的均匀条形半导体材料两端间 的电阻为： ， 五= p 吾 ( 2 1 0 ) 当这个半导体材料受到外力作用时，它的电阻值会发生变化。若外力作 用是条形半导体长度方向的拉力时，材料伸长址，横截面积相应减小心， 电阻率因材料晶格发生变形等因素的影响也将改变p ，这些量的变化必然 引起半导体电阻值的变化丝，其电阻值的相对变化率为： ra lsd = = _ 一_ + 2 ( 2 1 1 ) r三sd 一 式中址三：占为电阻丝的轴向应变。若径向应变为廿r ，由材料力学可知 ，r = 一卢( 址上) = 一雕，式中为电阻丝材料的泊松系数 又因为s s = 2 f ，r 1 ，代入上式可得 丝r = ( 1 + 2 弦+ p p ( 2 1 1 ) 式中，印p 为半导体材料的电阻率相对变化值，其值与半导体材料纵 向所受应力盯之比为一常数，即： p | p = 死6 或 卸p = 觑 ( 2 1 2 ) 式中万为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料的种类及应力方向与 晶轴方向问的夹角有关，e 为材料的弹性模量。将( 2 1 2 ) 代入( 2 一1 1 ) 中 可得： r r 亍( 1 + 2 + 翘弦 ( 2 1 3 ) 式中1 + 2 项是由材料的几何变形引起的，而翘项为压阻效应，随电阻 率尸的变化而变化。实验表明，对半导体材料而言，玎e 口( 1 + 2 ) ，故( 1 + 2 一) 项可忽略，这时有 监尺翘占= 舾 ( 2 1 4 ) 由上可见，半导体材料的电阻值变化主要是由印p 引起的。半导体材 料的灵敏系数k o 为 。：垒墨坚：石，e ( 2 一1 5 ) 。 占 “ 如半导体硅， 万= ( 4 0 一8 0 ) 1 0 。1 1 m 2 ， e = 1 6 7 1 0 “研2 ，则 = 石，e = 5 0 0 1 0 0 。显然半导体材料的灵敏系数比金属丝的要高5 0 7 0 倍。 二、固态压阻式压力传感器的原理 固态压阻式压力传感器由外壳、硅膜片和引线组成。其简单结构如图2 4 a 所示。其核心部分是一圆形硅膜片( 见图2 4b ) 。在沿某晶向( 如 ) 切割的n 型硅膜片上扩散四个阻值相等的p 型电阻，构成平衡电桥。沿 晶向的电阻排列见图2 4 c 。 片 ，缵翻车履泰咖 任嚣卦惚己乡i 协c ) 图2 4 压阻式压力传感器 硅膜片的周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部为 低压腔，通常与大气相通。在被测压力p 作用下，膜片两边产生压力差，使 膜片产生应力和应变，p 形电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。膜片 上各点的应力分布为： 旷紊 ( 1 + p 2 一( 3 + b 2 】 ( 2 _ 1 6 ) 铲暑【( 1 + p 2 一( 1 脚b 2 】 ( 2 州) 式中q 一一径向应力： o ，一一切向应力： 一一膜片材料的泊松系数，对硅= o _ 3 5 ； p 一一膜片承受的压力： r 、x 一一膜片有效半径、计算点半径； 一一膜片厚度。 图2 5 为盯r 、盯，和z ，的关系图。 可以算出盯r 在f x r ) = o 6 3 5 时为零值。四个p 型电阻沿 晶向并分别 在工= 0 6 3 5 ，处的内外排列，在o 6 3 5 r 之内的电阻承受的盯r 为正值，在o 6 3 5 r 之外的电阻承受的q 为负值。 叶巩 蚕 、。 曼皑二) l ，t 矗 ij d o 5 r l ，j l 靳! l 一 图2 5 平膜片的应力分布图 由图2 - 4c 看出，在n 型圆硅片上，沿 晶向，于0 6 3 5 r 半径内外 各扩散两个电阻，由于 晶向的横向为 ，因此石z 和死分别为 嚣z 4 嚣 2 “2 0 则r 月= 石z 盯z + 厅 盯 = 石“仃，2 ( 2 1 8 ) 内外电阻的相对变化为 f 等 ：昙石。孔 ( 2 1 9 ) l i 上2 i 以 2 _ 1 ” f 等 ：一三石。孑。 ( 2 2 0 ) l 刊。一i “ 幢_ 2 式中 矗、孑。一一内、外电阻上所受径向应力的平均值。 适当地选择电阻的径向位置，可使五：盛，因而使地r ) t = _ ( 衄胄) d 。 用这四个p 型电阻组成差动电桥，以测出压力p 的变化。 为了保证有较好的测量线性度，应控制膜片边缘处径向应变 ( r 3 + r 。) r 。的情况，零 位平衡状态受到破坏；而图2 6 ( b ) 情况下( r ，亦为零温度系数) ，温度 上升后，r 。和r 。的并联电阻升高较小， 就会出现r 。r ： r 。( r 。r ，) 的情况， 也会使输出偏离但是在这两种情况下， 图2 6 零点温漂的补偿 温度变化引起的零位漂移方向不同，因此采用串、并联调零法，即在r 3 上 串联r 。的同时，又在r 4 上并联r p ，适当选择r ；和r p 的值，可以使失调为 零，并且在调零后温度变化也不会引起零点漂移。若满足上述零漂为零，要 求r 5 与r d 为： 耻( 爵卜 驴南 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 2 、灵敏度温度系数补偿 压阻式压力传感器完全对称时，即r = 墨= r = 马= 凡时，全桥输出电压为： 玑= u 即 ( 2 2 5 ) 式中世一一压敏电阻的压力灵敏度系数； 尸一一应变电阻处的应力； m 一一电桥电源电压。 由于半导体材料对温度比较敏感，足将随温度变化而变化，因此电桥的 灵敏度也与温度有关。常用的补偿方法有恒流源供电法、电压正反馈补偿法、 热敏电阻补偿法。其中热敏电阻补偿法简单方便，较为常用。 u ir t 图2 7 灵敏度温度系数的补偿 它利用热敏电阻碍的负温度系数使电桥的工作电流随温度升高而上升来 补偿灵敏度的下降。其原理如图2 7 所示。输出电压为： 咄脚= 南脚 c ：一：s ， 式( 2 2 2 ) 中k 一一压敏电阻的压力灵敏度系数： p 一一电桥所受应力； 碍一一热敏电阻。 对等式两边求微分， 士氅：f 土一1 _ 1 婴一j l 堕+ 土坚( 2 2 7 ) u qd t rr + r t ) d tr + r td t kd t 式中搬刀为正值，扰打和碑打为负值。选择适当的碍值可以使补 偿后的灵敏度温度系数接近为零。用这种方法应使热敏电阻碍与电桥电阻处 于同一温度下。 3 、非线性及其补偿 引起压阻电桥输出非线性主要有两个原因：一个是在晶体中应力较大时， 压阻效应的线性关系受到破坏，另一个原因是在硅膜片变形较大时，变形与 压力之间不再为线性关系。 压阻电桥的非线性一般表现在压力小时输出有较高的灵敏度，而在压力 增大时灵敏度有下降的趋势。因此一种补偿方法是随着输入压力的增大，使 桥路电源电压适当地升高。若电桥原始电源电压为u b ，而补偿后的电源电 压( 最大压力p 1 时) 为u b f ，则补偿后的满量程输出电压为： u ，( 矗) = u 。 ) 等等 ( 2 2 8 ) u b 在满量程的中点 防砜等 一z 为了获得较好的线性，应有 i 詈i = 寺( 只) ( 2 3 0 ) 非线性补偿电路如图2 - 8 所示。采用这种补偿方法可以将非线性度从原 来的1 补偿到0 5 左右【2 1 。 图2 - 8 非线性补偿电路 2 3 2传感器安装方式及使用注意事项 为了避免差压传感器在安装使用中产生不必要的运行误差，传感器在安 装和使用时要注意以下问题： 差压式传感器不可以接触到水底沉淀物上，或者可以加以过滤保护，避 免传感器的进压口被堵塞，在动水中应该加以固定，以避免影响测量精度。 通气电缆在任何情况下都不可以重压，与传感器连接部位不可承受拉力，通 气管内部都不允许进水。如在动水中使用，传感应加以固定( 本身带接口可 以直接拧在管道壁上) ，否则将会影响测量精度。 1 在静水中的安装： 在静水中，一般采用插钢管的方法，钢管内径在4 5 m m 左右，钢管的不 同高度打上若干小孔，以便水通畅进入管内，见图2 9 。 图2 9 静水中安装示意图 2 动水中安装的第一种方法： 在水道中插入钢管，钢管内径在4 5 m m 左右，为了预防水的流速及水波 对传感器的影响，在水流方向的反面不同高度打上若干小孔，以便水通畅 进入管内，见图2 1 0 。 圈2 1 0动水中安装法一示意图 3 在动水中安装的第二种方法 加上阻尼装置，这种方法既能消除水流动压力和波浪的影响，又能起到 过滤浊水和泥沙的作用，见图2 1 l a 图2 1 1动水中安装法二示意图 第三章浸入式水位计的硬件配置 随着电子技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即 采用微型计算机作为测控系统的主体和核心，代替了传统测控系统常规电子 线路，从而成为新一代的微机化测控系统。将计算机技术引入测控系统中， 不仅可以解决传统测控系统不能解决的问题，而且还能简化电路、增加或增 强功能、提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化、智能化程度， 而且可以缩短系统研制周期、降低成本、易于升级换代等。因此，现代测控 系统设计，特别是高精度、高性能、多功能的测控系统，目前已很少有不采 用计算机技术的了。 3 1水位计硬件系统总体设计 此水位计系统是以前一代水位计为基础进行开发的，是前一代功能的完 善和性能的提高。为提高测量精度，控制成本，实现智能化，新一代水位计 采用功能强、性能完善且价格便宜的单片机控制系统，从而使系统的整体性 能有了大幅度提高，同时又能有效的控制成本。硬件总体结构如图所示【3 】【4 1 。 囤岛圈 图3 i 硬件总体结构框图 由上图可以看出本系统硬件设计主要包括下面几个主要模块：传感器信 号输入、人机接口模块、输出模块、通讯模块、微机模块等。 一、传感器输入模块： 1 温度传感器信号输入模块：压力传感器模块将水压力信号变换成对应的电 信号，经调理放大电路变换成o 5 v 电压信号，最后经d 转换后成为可供单片 机处理的数字信号。 团回圆圈四 镯胡嚣碉硼圈 2 温度传感器信号输入模块：将实际的水的温度信号变换成对应的数字信号， 供单片机处理。 二、人机接口模块： 1 键盘输入模块通过c p u 查询将输入的控制信号转换成相应的控制命令 2 声光指示模块：c p u 将输入的压力信号处理后，将水位值以声光指示的形 式直观的表示。 3 l c d 显示模块：主要以文字和图形的形式来显示相关数据及信息，提供更 好的人机接口。 三、网络通讯模块 r s 一4 8 5 ：主要实现网络通讯功能，如主机从机、从机从机等之间的数 据通讯。来实现单机不能完成的任务，或者实现更强大的功能，如水位落 差变化、大面积水位监控等。 四、输出模块 1 继电器输出模块：c p u 将输入的压力信号处理后，将相应的控制信号通过 继电器输出来控制电机启停等抢点控制。 2 模拟信号输出模块：c p u 将处理后的压力信号转化为正常的模拟信号输出， 供二次仪表或其它设备使用。 五、单片机模块 1 c p u ：主要负责数据的处理，以实现数据采集、数据输出、系统校 准等功能：并能对数据进行初步处理，如数字滤波、数值判断等。 2 e 2 p r o m ：主要作为数据存储的载体，提供设定值等数据存储空间， 3 看门狗：看门狗电路主要防止程序跑飞，提高系统工作可靠性。 4 电源模块：主要是对单片机系统供电，并对电压进行监控，保护单 片机系统。 由上述简介可知，本系统可以实现水位自动测量和控制，适用面较广。 且采用集成电路，精确性、可靠性都较老式水位计有所提高，并使仪器小型 化，便于使用。 为了满足系统设计要求，需要根据要求来选择芯片型号及相关电路。在 设计中所选用的芯片如下： c p u 采用a t m e l 生产的a t 8 9 c 5 2 ； a ，d 芯片采用t i 公司生产的1 2 位串行器件t l c 2 5 4 3 ； d ，a 芯片采用m a x i m 公司生产的m a x 5 1 8 ： i ，v 信号转换电路采用a d 公司生产r v c 4 2 0 ； 液晶显示部分采用北京青云生产的l c m l 2 8 6 4 z k ： 网络r s 4 8 5 通讯芯片采用m a x i m 公司生产的m a x 4 8 5 ； e 2 p r o m 、看门狗及电源监控芯片采用x i c r o 公司生产的x 5 0 5 4 。 综上所述，本系统工作原理可归纳如下： 压力传感器输出的4 2 0 m a 信号经远程屏蔽电缆送入水位计电箱中。 经r v c 4 2 0 芯片转换为o 5 v 电压信号。转换后的电压信号，通过a d 转 换芯片t l c 2 5 4 3 转换为数字信号送入c p ua t 8 9 c 5 2 供系统处理。温度传感 器输出的温度数据本身为数字信号，直接送至c p u 处理。c p u 将这些数据 按照键盘输入或者相关的算法将这些测量数据进行运算处理，其计算结果将 送入不同的模块进行处理，如l c d 和l e d 模块主要是将测量数据显示， m a x 4 8 5 模块是实现测量数据的通讯，继电器是将水位机的控制指令输出， e 2 p r o m 和看门狗模块主要负责保存水位计工作参数和防止程序跑飞。 3 2 水位计硬件模块设计 系统的各个模块是构建本水位计硬件功能的基本主体，每个硬件模块都 有各自的功能，其联系较为紧密。下面就对每个模块逐一进行分析： 3 2 1 传感器输入模块 一、压力传感器信号输入 本系统中采用的压力传感器为4 2 0 m a 模拟量输出，为了单片机能对 其进行处理须将被测量4 2 0 m a 的模拟信号转化为数字信号。其实现方式 是先将4 2 0 m a 电流信号转化为o 5 v 电压信号，然后将得到的电压信号 再经a ，d 转换成数字信号。为了实现上述功能我们需要i v 转换电路和刖d 转换电路。 1 i v 转换电路 通常的系统采用在电流环上串联电阻的方法来实现“v 信号转换( 如图 3 2 所示) ，但是这种方法精度差，转换范围有限，且电路损耗大，不适用 于本系统。 图3 2 电阻式i ，v 装换电路 为了在设计中实现高精度的i v 信号转换，本系统采用集成电路芯片 r v c 4 2 0 。r c v 4 2 0 是美国b b 公司生产的一种精密电流、电压变换器。 它主要由精密运算放大器、电阻网络和1 0 v 基准电源组成。它能将4 2 0 m a 的环路电流变换成0 5 v 的电压输出。其性能特点如下【5 】： 1 4 2 0 m a 的电流输灭旷弓v 的皂压输出 具有精密1 0 v 电压基准温漂小于5pv ； 总的变换误差小于o 1 ； 具有4 0 v 共模电压输入范围； 具有8 6 d b 的噪声抗干扰能力； 失调电压小于l m v ； 失调电压温漂小于5 0 uv 。 r 酊 r “t n m r “n o h r e m t i f 。n 圈3 - 3r v c 4 2 0 内部结构原理图 国3 - 4r v c 基本应用原理图 r v c 4 2 0 内部结构与基本接法如图3 3 、图3 ，4 所示。其中7 脚r n r 为 噪声抑制端，8 脚r t r i m 为基准调整端，1 3 脚c o m v 为器件公共端，5 脚 c o m r 为基准参考端。r v c 基本应用原理图是其基本连接图。在一般使用 时1 0 、1 1 和1 2 脚相连，1 4 与1 5 脚相连，2 、5 和1 3 脚连接地，7 和8 脚 悬空，电源4 和1 6 脚与地之间接入iuf 电容。输入电流信号是连接i n + 或i n 一，取决于输入信号的极性。 作为一种单片集成电路，r c v 4 2 0 具有可靠的性能和很低的成本。除具 有精密运放和电阻网络外，还集成有1 0 v 基准电压源。在不需要外调整的情 况下，就可获得8 6 d b 的共模抑制比和4 0 v 的共模电压输入。在全量程范围 内输入阻抗仅有1 5 v 的压降，对于环路电流具有很好的变换能力。该器件 可广泛地应用在过程控制、工业控制、工厂生产自动化数据采集和信号变 换等领域。 2 刖d 转换电路 在单片机的实时测控和智能化仪表应用系统中，需要将检测到的连续变 化的模拟量，如压力、温度信号等转换成离散的数字量，才能输入到单片微机 中进行处理，而实现模拟量变换成数字量的设备就是模数转换器( a d c ) 。d 、 d a 转换器是过程及仪器仪表、设备等检测与控制装置中应用比较广泛的 器件。随着大规模集成电路技术的发展，各种高精度、低功耗、可编程、 低成本的a d 转换器不断推出，使得微机控制系统的电路更加简洁，可靠 性更高。 在选购a d c 芯片时，a d c 的技术指标是一项重要的依据。主要有【6 】： 分辨率 对于a d c 来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入 模拟电压的变化量。定义为满刻度电压与2 n 之比，其中n 为a d c 的位 数。 量化误差 量化误差是由a d c 的有限分辨率引起的误差。在不计其它误差的情 况下，一个分辨率有限的a d c 的阶梯状转移特性曲线与具有无限分辨 率的a d c 转移特性曲线( 直线) 之间的最大偏差，称为量化误差。若 在零刻度处偏移了1 2 l s b ，则对于1 2 位a d c ，它的量化误差为l 2 l s b 或o 0 1 2 2 满刻度( 相对误差) ；而对于8 位a d c 的量化误差则为 o 1 9 5 满刻度( 相对误差) 。因此，分辨率高的a d c 具有较小的 量化误差。 偏移误差 偏移误差是指输入信号为零时，输出信号不为零的值，所以又称零 值误差。偏移误差通常是由于放大器或比较器输入的偏移电压或电流引 起。一般在a d c 外部加一个作调节用的电位器便可使偏移误差调至最 ，j 、。 满刻度误差 满刻度误差又成为增益误差。a d c 的满刻度误差是指满刻度输出数 码所对应的实际输入电压与理想输入电压之差。 线性度 线性度是指转换器实际的转换函数与理想直线的最大偏移。 绝对精度 在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想的电压 值之差并非是一个常数，把这个差的最大值定义为绝对精度。 相对误差 相对误差是把这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数。 转换速率 a d c 的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的 次数。而完成一次a d 转换所需的时间( 包括稳定时间) ，即为转换周 期。 综合上述a d c 技术指标，并考虑到本系统对的实际要求，系统设计选 用t i 公司生产的高性能1 2 位串行模数转换器t l c 2 5 4 3 。t l c 2 5 4 3 使用开 关电容逐次逼近技术完成转换过程。由于是串行输入结构，能够节省单片 机i o 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应 用。 t l c 2 5 4 3 主要特点如下【7 】： 1 2 位分辨率； 在工作温度范围内l o s 转换时间； 1 1 个模拟输入通道； 3 路内置自测试方式； 采样率为6 6 k b p s