（电路与系统专业论文）新型液位传感器系统的设计与实现.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 液位传感器系统是一种测量液体深度的装置 它广泛应用于工业现场液位测量 城市污 水处理 农田水利监测等领域 传统的液位传感器系统由于价格昂贵 测量精度低 不便于 携带等缺点 越来越不适应市场的需求 随着科学技术的不断发展 计算机 微电子和传感 器等先进技术的广泛运用 便携式 高精度 智能化的液位传感器系统越来越受到欢迎 成 为了人们的青睐 本文在对市场上各类液位传感器系统进行分析后 吸收它们的优点 设计了一种用于敞 口容器环境 便携式 高精度的液位传感器系统 精度可以达到1 首先 本论文对各种液位传感器系统的原理进行了描述 分析了它们的优点和缺点 在 此基础上 详细探讨了干簧管网络作为液位传感器的可行性 对干簧管液位传感器的原理和 使用注意事项进行了分析 并设计了一款高精度的干簧管液位传感器 其次 考虑到信号的远距离传输和抗干扰原则 采用4 一 2 0 m a 电流环对信号进行传输 在 分析了两种4 2 0 m a 电流环解决方案后 采用l m 3 5 8 芯片设计了一种性价比高的4 一2 0 m a 电路 并根据系统要求 设计了1 2 v 和5 v 电源电路 再次 分析了不同类型的微处理器的适用场合 选择了p i c l 6 f 8 7 7 a 微控制器 设计了一 款基于该处理器的系统控制电路 用于对信号进行控制 处理和显示 详细分析了控制板上 各个外围接口电路的作用以及实际电路连接方式 列举了部分接口电路程序并对其进行解释 最后 为了便于数据通信和二次开发 设计了一款基于v c 开发环境的串口通信程序 它能接收来自下位机的液位数据 并将该数据绘制成一个折线图 方便用户实时观察液位值 用户可以通过该曲线 了解外界的液位变化 非常方便 同时 它能将液位值保存下来 方 便二次开发 经过实际调试 在测量量程1 米范围内 该系统能够达到精度1 的要求 在无恶劣的环 境下 该系统能够正常稳定工作 且具备上位机通信功能 用户在设备以外相当远处 均能 够实时监测液位变化 具有一定的实用价值 关键词 液位传感器 干簧管 4 2 0 m a p i c l 6 f 8 7 7 a 串口通信 v c 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el i q u i dl e v e ls e n s o rs y s t e mi sad e v i c em e a s u r i n gt h ed e p t ho f l i q u i d i ti sw i d e l yu s e di n i n d u s t r i a lf i e l dl e v e lm e a s u r e m e n t u r b a ns e w a g et r e a t m e n t i r r i g a t i o nm o n i t o r i n g e t c t r a d i t i o n a l l i q u i dl e v e ls e n s o rs y s t e mi sp h a s e do u tb e c a u s eo fi t ss h o r t c o m i n g e x p e n s i v e i n a c c u r a t ea n d n o te a s yt oc a r r y w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o m p u t e r s m i c r o e l e c t r o n i c s s e n s o r sa n do t h e rh i g h t e c h w i d e l yu s e di n o u rs o c i e t y p o r t a b l e l l i g h p r e c i s i o n i n t e l l i g e n tl i q u i dl e v e ls e n s o rs y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r t h i sp a p e ri sd e t e r m i n e dt or e a l i z eap o r t a b l e h i g h p r e c i s i o n 1 a c c u r a c y l i q u i dl e v e l s e n s o rs y s t e m f o ro p e nc o n t a i n e r a f t e ra n a l y z i n gav a r i e t yo f l i q u i dl e v e ls e n s o r sa n da b s o r b i n g t h e i ra d v a n t a g e so nt h em a r k e t f i r s t l y t h ep a p e re x p o u n d st h ep r i n c i p l e so f a l lk i n d so fl i q u i dl e v e ls e n s o r s a n a l y z e s l e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o nt h i sb a s i s d i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t yo f t h er e e ds w i t c ha sa l i q u i dl e v e rs e n s o rn e ti nd e t a i l l i s t ss e v e r a lp o i n t st h a ts h o u l db et a k e na t t e n t i o n a n dd e s i g n sa h i g h p r e c i s i o nl i q u i dl e v e rs e n s o r s e c o n d l y c o n s i d e r i n gt h el o n g d i s t a n c es i g n a lt r a n s m i s s i o na n dt h ep r i n c i p l eo fi n t e r f e r e n c e t h ep a p e ra d o p t s4 2 0 m ac u r r e n tl o o pt ot r a n s m i tt h es i g n a l t h ep a p e rd e c i d et ou s et h e i n t e g r a t e dc h i pl m 3 5 8t od e s i g nac o s t e f f e c t i v e4 2 0 m ac i r c u i ta f t e ra n a l y s i so ft w ok i n d so f4 2 0 m ac u r r e n tl o o ps o l u t i o n s a n dd e s i g n sap o w e rp r o v i d i n g5 va n d12 vi na c c o r d a n c ew i mt h e s y s t e mr e q u i r e m e n t s a n dt h e n s e l e c tp i c16 f 8 7 7 aa ss y s t e mc o n t r o l l e ra f t e ra n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tt y p e so f m i c r o p r o c e s s o ra p p l i c a t i o no fo c c a s i o n s u s et h i sc h i pt od e s i g nas y s t e mc o n t r o lc i r c u i t w h i c h i su s e dt oc o n t r o l p r o c e s sa n dd i s p l a yt h es i g n a l b a s e do nt h eu p s t a i r s a n a l y s i st h ep a n e lo f e a c hp e r i p h e r a lh a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i ta n df u n c t i o no f p r a c t i c a lc i r c u i tc o n n e c t i o nm o d e l i s t s t h e p a r tp r o g r a mi n t e r f a c ec i r c u i ta n dt h ee x p l a n a t i o n f i n a l l y i no r d e rt of a c i l i t a t ed a t ac o m m u n i c a t i o na n dc o n v e n i e n ts e c o n dd e v e l o p m e n t t h i s p a p e rd e s i g n e dt h es o f t w a r eo fp cs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mb a s e do nv c d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t i tc a nr e c e i v et h el e v e ld a t af r o mt h em c u a n du s et h ed a t at op l o tal i n eg r a p h u s e rc a nk n o wt h er e a l t i m el e v e lv a l u ew h e nv i e w i n gt h el i n eg r a p ho np c i ti sv e r yc o n v e n i e n t a tt h es a m et i m e t h ei n t e r f a c ec a np r e s e r v et h ev a l u eo ft h el e v e li nc o m p u t e rt of a c i l i t a t et h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h r o u g hp r a c t i c a ld e b u g g i n g t h i sl i q u i dl e v e ls e n s o rs y s t e mc a na c h i e v et h er e q u i r e m e n to f 1 a c c u r a c y r a n g ew i t him e t e r i tc a nn o r m a la n ds t a b l ew o r k a n dc a nr e a l i z ed a t au p l o a d i n g l i 杭州电子科技大学硕士学位论文 f u n c t i o ni nt h ea b s e n c eo fh a r s he n v i r o n m e n t q u i t ead i s t a n c ew i lt h ee q u i p m e n to n s i t ei nt h e o u t d o o r t h eu s e rc a l lm o n i t o rt h el e v e rc h a n g e si nt h er o o mi nr e a l t i m e i td o e sh a v ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s l i q u i dl e v e ls e n s o r r e e ds w i t c h 4 2 0 m a p i c 16 f 8 7 7 a s e r i a lc o m m u n i c a t i o n v c i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 近年来 随着社会的不断进步和发展 人们对生活的质量日益提高 然而 进入二十 一世纪后 受全球气候变化和人类活动的影响 灾害发生的频率不断上升 洪水灾害作为 危害的一种 历来是我国人民生存发展的心腹大患 如何使防洪减灾与可持续发展相适应 是我国2 1 世纪可持续发展的重大课题i l l 液位计作为测量液体深度的一种工具 可及时跟 踪液体深度信息 对预防洪水 抗灾减灾都有重要作用 随着农业和工业的不断发展 计算机 微电子和传感器等先进技术的运用 传统的液 位传感器在很多场合已无法满足人们的需求 精度高 智能化 价格低的液位传感器则在 众多液位传感器中脱颖而出 成为人们的亲睐 根据各种不同物理原理 可以设计各式各 样的液位传感器 按应用习惯分 可将这些液位测量分为接触式和非接触式两类 2 接触式液位测量主要通过液体的浮力或压力而设计的 有 电容式 伺服式 磁致伸 缩式 浮子式以及人工直测式等 非接触式液位测量主要通过一些波在不同介质中反射的 原理而设计的 常见的有 超声波液位计 激光液位计 射线液位计等 它们之间 各有 优势和不足 表1 1 是一些常见液位传感器的比较 3 表1 1 几种不同类型液位传感器的比较 传感器类型 光电式绝对型 光电式增量型 压力式 超声波式 磁浮子接点式 分辨率 0 0 1 c m 0 0 1 c m 几毫米 几厘米 几毫米 几厘米 1 厘米 测量范围 几米 几十米 几米 几十米 几米 几十米 几米 几十米 几十厘米 几米 输出形式 s s i 脉冲 4 2 0 m a 4 2 0 m a 4 2 0 m a 价格 高 高 中 两 低 传统的液位计价格昂贵 体积笨重不便于携带 而且测量时 需要人手把持 对测量 的各个数据还需要人为记录等缺点 随着社会水平的提高 这种既耗时又耗力的测量手段 显然要遭到淘汰 便携式 智能化的液位传感器在一定程度上可以满足人们的需要 比如 能够实时测量外界液位变化 将液位变化描绘成一张曲线或表格 对液位进行观测 并把 液位值存储起来 发送到需要用到的人们 对一些突发情况 如暴雨天气水位溢出 能够 及时报警等等 4 j 本课题主要研究开发一种价格低廉 误差较小 能够将外界的液位值不断变化显示在 液晶显示屏及个人电脑上 而且具备液位存储 突发情况报警功能的液位传感器系统 杭州电子科技大学硕上学位论文 1 2 常见液位计 在液位测量方面 我国已经积累了很多方法和技术 目前 比较成熟的应用于工农业 的液位测量方式主要有以下几种 1 差压 压力 式液位计 差压液位计利用液体的压强原理 在液体的底部检测液体压强和标准大气的压差 其 物理公式为 p r 液一r 气 h g x l o d 1 1 式中 p 为液体底部压强 k p a r 渍为液体的密度 r 气为液体上方空气的密度 h 为液 位高度值 g 为重力加速度 m s 2 随着半导体技术的发展 高精度扩散硅电桥应用于这类液位计 使得这类液位计越来 越准确 通常情况下 差压液位计具有精度高 抗过载能力强等优点 但是由于它的密度 参数极易受环境 温度 压强等 的影响 因此在使用时 要先根据外界环境适当修正参数 否则 很容易产生虚假液位 2 磁致伸缩式液位计 这类液位计主要是通过磁致伸缩原理而设计的 传感器工作时 其电路部分发出一个 脉冲电流 电流沿着波导丝传导 强电流在波导丝周围产生磁场 液位计的侧杆外有一个 浮球 浮球可以沿着杆子上下滑动 浮球内部有一些永久磁铁 当由波导丝产生的磁场和 永久磁铁产生的磁场相遇时 在场力的作用下使得磁性波导丝产生扭转 这时波导丝产生 扭转波脉冲 只要知道发射的脉冲电流与接收到的扭转波脉冲的时间差 就可测得实际液 位 5 这种液位计形状和浮子液位计大致相似 但它们的原理截然不同 它的优点是测量准确 对环境的适应能力强 缺点是技术门槛高 价格昂贵 且扭转 力矩不能太大 3 超声波液位计 激光液位计 这类液位计主要是根据波在遇到不同介质时反射的原理实现的 根据入射波和接收波 的时间差以及波在介质中的传播速度 得到波的往返距离 往返距离的一半就是液位计到 达液面的距离 只要知道液位计安装的位置与液体底部的直线长度 就可求得液位的深度 了 超声波液位计可方便的提供遥测遥感信号 而且安装和维护都比较方便 近年来发展 很快 激光液位计由于其光束很宅非常适应与开口很小的容器 其它与波相关的液位计还有雷达液位计 y 射线液位计等 由于它们更加复杂 在应用 中相对比较稀少 这里不再介绍 4 电容式液位计 电容式液位计是利用电容量的变化来测量容器内介质物位的测量仪器 在容器内由电 容液位计的电极和导电材料制造的容器壁构成一个电容 对于一个给定的电极 被测介质 的介电常数不变时 给电极加一个固定频率的测量电压 则流过电容的电流取决于电容电 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 极间介质的高度 并与之成比例 6 j 电容式液位计比较常见的应用是 测量桶装液体的液位高度 由于在测量的过程中 电介常数必须恒定 因此在测量过程中 被测物质不能变化 5 磁浮子式液位计 这种液位计设计相对简单 它是由一系列干簧管等距离组成一个阵列 在每个干簧管 之间并上一个等阻值的电阻 安装在金属杆内 金属杆表面光滑 材质为不锈钢 在金属 杆中间 是一个浮球 浮球内部有一圈磁环 平时浮球可以无摩擦的在金属杆上上下移动 其结构和磁致伸缩式液位计相当 但测量原理不同 它是利用磁浮子的磁性激励干簧 管 使得干簧管触片吸引 从而导通整个电路 而由于不同点的分压不同 各个液位值对 应的电压不同 根据所测得的电压 就能得到对应的液位值 这种传感器结构简单 价格便宜 可以输出4 2 0 m a 信号 应用面较广 缺点是测量 不连续 存在着两个干簧管之间距离的误差 可精确到0 5 c m l c m 2 c m 等 经常使用后 如 果磁浮子受淤泥等不能上下移动时 液位计将不能使用 本毕业设计就采用这种思路制作 了一款价格低廉 精度为l 的液位传感器 通过上面的论述可以看出 没有哪种仪表能够适用于所有的介质或环境 只有充分熟 悉各类液位仪表的工作机理 被测介质的特性 使用环境等因素的基础上 综合考虑 方 能选择可靠 实用并满足精度要求的仪表 7 1 1 3 液位传感器国内外现状与发展趋势 随着各种新型传感器的诞生以及物联网技术的快速发展 液位测量技术也在进行着一 场革命 纵观过去二十几年 由于微电子计算机 光纤 超声波等高科技的迅猛发展 在 液位自动检测领域出现了各种各样的测量手段 并且其功能越来越完善 测量结果更加准 确 自动化和智能化程度更高瞵 国外一些发达国家液位测量技术起步早 在高精度液位测量方面一直占据着统治地位 美国d r e 短l b r o o k 公司研制的u n i v e r s a lt m 连续液位传感器 其精度可达0 1 量程达 到1 5 m 4 2 0 m a 电流输出 上下限报警 叠加智能通讯协议 2 1 又如m a g n e t r o l 公司研制 的d i g i t a le 3m o d u l e v e l 液位传感器具有支撑稳定的h a r t 协议 标准4 2 0 m a 输出 支持 f d 加t m 标准 以及配有p a t c w a v e 供用户订制上位机界面等功能 我国由于历史原因 在液位测量方面和一些发达国家还存在着较大差距 但发展速度 很快 如河海大学电气工程学院徐群和王树勇设计了一种类似矩阵键盘扫描的干簧管液位 传感器 该液位传感器设计简单合理 价格低廉 具有比较广的应用价值 引 天津大学李杏 华老师等人研制的高精度电容式液位传感器 测量2 3 c m 至4 3 c r n 的油量时 线性误差为 0 1 7 6 l 值得一提的是 进入二十一世纪后 随着我国国家综合实力的稳步提升 各方面 有利的因素的协同促进 液位测量技术得到了空前发展 纵观当今液位传感器的发展趋势 主要有以下几个方面的特征 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 多样化和专一化 必须考虑液体是否有腐蚀性 液体流动程度 环境的温度参数等综合因素下 才能选 择一种合适的液位计 因此 针对不同的情形 需要不同的液位计 液位计朝着多样化和 专一化的方向发展 2 数字化和智能化 随着微电子和计算机的发展 数字化测量程度越来越高 液位测量将摆脱传统的依靠 人力测量的束缚 而是自动跟踪液位 以数字化形式输出 同时 随着无线通信手段的快 速发展 人们可以借助g p r s 蓝牙 z i g b e e 等来实现远距离的无线通信 从而使液位测量 更加丰富多彩 3 微型化和低功耗 节能减排是当今世界面临的新机遇和新挑战 液位计也必将朝着微型化和低功耗的方 向发展 总的来说 伴随着科技的不断发展 液位传感器将朝着微型化 高精度 使用范围广 低功耗 智能化方向发展 8 1 4 论文研究的目的 内容和主要工作 1 4 1 研究的意义 液位测量在诸如农田灌溉 石油化工 水利监测等领域 都有广泛的应用 目前市面 上的液位传感器也有数十种 这些液位传感器中 要么精度较高 功能完善 但价格昂贵 如普通l m 长的磁致伸缩式液位传感器 价格一般在3 0 0 0g 5 0 0 0 元之间 要么价格便宜 但精度很差 功能单一 很难找到一种既能满足精度要求 价格又不是很昂贵的液位传感 器 磁性液位计具有比较精确的液位测量单位 通常情况下精度为l c r n 精度按干簧管的放 置而设定 有时局部干簧管损坏 待下一次液位升或降时能自动校正 这种液位计设计与 制作相对方便 价格也比较便宜 据介绍 现有一种进口干簧管液位变送器 可靠性较高 但未考证过 7 1 本文利用干簧管磁浮子原理 设计了一款精度较高 价格适中的液位传感器 该液位传感器具有远距离通信功能 所测量的液位值可以从液晶显示屏上显示 也可以在 电脑上读出 1 4 2 研究的内容 本文简要介绍了一些常用液位传感器 分析了液位传感器的国内外现状与发展趋势 研究了干簧管液位传感器的原理及安装方面的一些注意事项 在结合项目要求的前提下 设计了一款价格便宜 最高精度可达0 5 c m m 的液位传感器 研究内容具体包括 研究干簧 管原理并设计一个2 0 0 个干簧管阵列的液位传感器 该传感器长度为l m 为了便于信号的 远距离传输 设计并制作了一款短小精悍的4 2 0 m a 变送器 将电压信号变成电流信号后 进行传输 为了便于数字化处理 选择一款中端p i c 系列单片机 设计并制作了一款单片 机系统 信号的采集和滤波 为了实现人机互通 更好的对液位测量和控制 设计了按键 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 电路 a d 采样电路 液晶显示电路 2 3 2 4 8 5 通信电路等 此外 还利用v c 软件 设计 了一个基于v c 上位机通信界面 用户可以通过上位机显示的波形曲线 实时观测液位值 等 非常方便 最后对整个系统进行联调 直到整个系统能够正常稳定工作 1 4 3 论文的结构安排 本论文主要由以下部分组成 第一章为绪论部分 简单介绍了当前一些常用的液位传感器 分析了液位传感器的现 状和发展趋势 介绍了课题的意义 并给出了课题的主要内容和主体框架 第二章介绍了干簧管液位传感器的原理 干簧管液位传感器的制作方法和安装方面的 一些注意事项 并对系统总体设计方案做了分析和介绍 第三章介绍了液位传感器硬件设计 电源电路 变送器电路及用到的芯片 并对信号 抗干扰做了简要介绍 第四章介绍了液位传感器系统控制部分的硬件设计和软件实现 第五章介绍了液位传感器的上位机部分的设计和实现 第六章对系统进行了级联调试 用以验证方案的可行性 第七章对论文工作进行了总结 分析了系统设计的不足 并对进一步工作的展望 1 5 本章小结 本章在查阅国内外相关文献的基础上 介绍了液位传感器行业的相关知识 对液位传 感器的国内外现状和发展趋势做了介绍 并阐述了本论文的研究内容及其意义 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章干簧管液位传感器原理和系统构成 干簧管液位传感器是一系列由干簧管和等值电阻组成的干簧管一电阻网络传感器 在外 界磁力的作用下导通某个干簧管 通过检测该点电位值从而确定液位高度的线性网络传感 器 本章将对干簧管液位传感器原理做些介绍 并对整个系统构成做简要的介绍 2 1 干簧管器件简介 干簧管是一种磁敏的特殊开关 也称干簧继电器 它通常由两个或三个软磁性材料做 成的簧片触点 被封装在充有惰性气体的玻璃管内 按照干簧管的初始状态 可分为常开 型和常闭型 与一般机械开关相比 它体积小 寿命长 响应速度快 与电子开关相比 它抗负载冲击能力强 两端子干簧管如图2 1 所示 图2 1 两端予干簧管外形图 2 2 干簧管动作机理和干簧管安装注意事项 2 2 1 干簧管动作机理 1 线圈启动 利用线圈的磁感效应来控制干簧管的动作 干簧管放置于线圈内 当有电流通过线圈 时 则干簧管的簧片便会被磁化 形成回路导通电流 回路电流消失后 干簧管又回到开 路状态 干簧管的启动效果和产生磁场的线圈有关 线圈的大小 材质 绕线的多寡 线 圈和干簧管的距离都与之相关 2 永久磁铁驱动 永久磁铁 是用来启动干簧管最常用的方法 磁铁和干簧管在一定的距离内 干簧管 由于引力的作用而闭合 当磁铁慢慢远离干簧管时 干簧管又从闭合的状态而变恢复开路 状态 图2 2 为各种永久磁铁启动方式 9 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 垂窆 互鎏鲁 i l 嘲鼍霉黔 水平溯 垂喜溯 谯晦溯 区 图2 2 干簧管的永久磁铁启动方式 从这些启动方式可以看出 当干簧管和永久磁铁确定下来之后 干簧管与永久磁铁的 相对摆放位置很重要 由于永久磁铁和干簧管之间的磁场分布情况非常复杂 因此要对干 簧管与永久磁铁间的位置关系进行定量计算比较困难 目前 在实际应用中通常是根据一 定的经验数据来确定二者之间的位置关系 并通过实验进行调整 i o 干簧管两端子磁性最 为强烈 2 2 2 干簧管使用注意事项 虽然干簧管在正常工作时具有寿命长的优点 但是干簧管本身是极其脆弱的 它的外 壳是一层薄薄的玻璃管 在使用时要十分小心 合理使用干簧管是确保干簧管寿命长的前 提 因此有必要对使用的一些注意事项着重说明 1 干簧管两端的玻璃管极易破碎 因此在将干簧管安装到电路板上时 不要直接用手 弯曲干簧管的两端 这样很容易使干簧管因受力不均而破碎 适当的夹紧工具是有必要的 干簧管引脚剪切与弯曲的正确操作如图2 3 l 轴 蜥一徽盈开关 l 翱n 大翟开荚 图2 3 于簧管引脚剪切与弯曲示意图 7 十手一警 杭州电子科技大学硕士学位论文 是夹紧点和干簧管一端玻璃管的长度 当干簧管的玻璃管为7 2 0 m m 时 的长度至少为 3 m m 当干簧管的玻璃管长度在2 0 m m 以上时 1 的长度至少为8 m m 2 干簧管遇高温会由于热胀冷缩而导致玻璃管金属密封处破例 建议手焊条件为2 8 0 3 0 0 自动焊接为2 5 0 3 0 0 焊接时间不宜过长 不能同时焊接干簧管的两端 3 当干簧管作为电感器件或电容器件的负载时 必须加保护电路 以防止电感元件开 路瞬间高压脉冲 电容器件产生大电流脉冲对干簧管的损坏 2 3 干簧管液位传感器原理 干簧管液位传感器是由一系列干簧管等距离分布在p c b 板上 在各个干簧管之间放上 一些等值电阻 将p c b 板做成长条式 放置于一个底端密封的外表光滑的不锈钢钢管 或 塑料管 内 钢管 塑料管 外套是一个不锈钢浮球 浮球本身没有磁性 浮球内部放有 环形磁铁 浮球的中心位置与水平面一致 当水平面升高或降低时 浮球随着水平面上升 或降低 通过浮球内永久磁铁的磁感效应 使得相当液面的干簧管触片闭合或断开 由于 电阻值相等 于是产生线性的电压分压 通过电压值即可确定相应的液位值 当作为远距 离传输时 考虑到电压信号的抗干扰能力差 而恒流源内阻无穷大 适合远距离传输 因 此在电压输出端将电压信号变送为4 2 0 m a 的电流信号 干簧管液位传感器等效电路图如 图2 4 所示 干簧管液位传感器外形如图2 5 所示 电阻 图2 4 干簧管液位传感器等效电路 图2 5 干簧管液位传感器外形 2 4 干簧管液位传感器的误差分析及注意事项 2 4 1 液位传感器的误差分析 1 阶梯误差 从原理可以知道 干簧管所测量的液位不是连续变化的 而是按照两 擎 一 杭州电子科技大学硕士学位论文 个干簧管之间的距离变化的 若干簧管沿导管圆周螺线分布 干簧管与水平倾角为 设 单个干簧管的长度为 则两个干簧管之间的垂直高度为a h s i n o 这个误差一直存在 最好情况时 阶梯误差为0 最差情况时 阶梯误差为两个干簧管之间的垂直高度 阶梯 误差的范围为 o 阶梯误差 a h 胡和单个干簧管的长度关系如图2 6 所示 图2 6a h 和单个干簧管的长度关系图 2 附加误差 当更换不同密度的液体时 由于浮子漂浮高度的改变将引起误差 当 被测容器倾斜时 也会产生位置误差 1 1 1 这些误差都可以通过实验校正 只要通过实际值 和测量值进行比较 找出其差值 在程序中修改即可校正 3 其它误差 主要由于工艺造成的节距误差 一致性 或往返 误差 浮子浮力误差 等 l l 因为它们与制造工艺相关 因此这里不作详述 2 4 2 其它注意事项 这里主要通过自己制作干簧管液位传感器过程中遇到的几个问题进行说明 1 选择合适的浮球 必须保证浮球内磁铁产生的磁场和干簧管产生的磁场足以使干 簧管闭合 同时又要保证浮球有一定的大小 确保它能够浮于水面 浮球不是越大越好 也不是越小越好 浮球太大影响测量准确度 浮球太小则可能因浮力太小不能摆脱干簧管 对它的吸引力 而使液位传感器失去液位测量的功能 2 干簧管网络布置时 要有一定的倾斜度 从前面的原理可以知道 浮球内环形永 久磁铁产生的磁场方向来感应干簧管时 带有一定倾斜度的干簧管更容易感应到磁场 如 果干簧管水平放置 往往不能感应到磁场 3 实际使用时 最好在干簧管液位传感器外面加一层保护装置 如金属网制成的过 滤层 它既可以保护干簧管液位传感器的浮球 避免因长时间工作而使淤泥堵塞浮球 又 可以对水位波动起到减缓的作用 2 5 干簧管液位传感器系统设计方案 要实现一个远距离传输的液位传感器 首先要选择一个合理可行的方案 本系统设计 涉及到硬件电路和软件编程 硬件电路主要分两块 一块是前端电路 主要包括传感器电 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 路 电源电路 v i 变送器电路 另外一块是基于微处理器的控制系统电路 主要包括最小 系统 按键电路 a d 采样电路 液晶显示电路 串口通信电路 软件编程也主要分为两块 一块是下位机驱动软件 包括对单片机i o 口的正确读写 定时延时 中断处理 a d 采样 2 3 2 4 8 5 串口通信 1 2 8 6 4 液晶显示等 另外一块是p c 机部分软件 主要包括控件编程 基于a c t i v ex 通信控件的m s c o m m 串口开发 基于双缓冲机制的波形显示函数 文件读写 等 整个系统的框架如图2 7 所示 显示控制部分 传感嚣v 1 变送嚣两线制劳牖 r s 2 3 2 4 8 5 通信 l 幽 0 l l l 图2 7 干簧管液位传感器总体框图 对于显示控制系统的设计 目前常见的设计方案有以下几种 1 一种是基于单片机加 外围电路的设计 这种设计用于控制系统较小 数据处理量也较小的情形 2 一种是基于 f p g c p l d 可编程逻辑器件 利用f p g a c p l d 数字可编程的特点 灵活控制电路 这种 设计处理速度快 硬件可裁剪 但价格较高 3 还有一种是利用高速d s p 或高级微处理器 a r m 等 来定制显示控制电路 这类显示控制比单片机控制稍微复杂些 处理速度也更快 价格处于上面两种之间f 1 2 1 本系统在结合实际应用和成本的基础上 选择了第一种方式 即基于单片机的嵌入式 系统设计 基于单片机的嵌入式系统设计既涉及理论问题 又是一个工程应用问题 它需 要用到计算机知识 自动控制理论 计算技术 计算方法 电子计算和自动检测技术等 是一个多学科的综合 1 2 1 它要求设计者既要有数电 模电等硬件基础 又要具备c c 等软 件编程能力 干簧管液位传感器显示控制部分框图如图2 8 所示 电源供电 a d 采样 按键输入 液晶显示 串口通信 图2 8 干簧管液位传感器显示控制部分框图 干簧管液位传感器的显示控制部分是整个系统的核心部分 它既要完成对传感器信号 1 0 杭州电予科技大学硕士学位论文 的采集 又要负责对液位信号进行处理 还要和上位机 电脑 进行信息传递 2 6 本章小结 本章对干簧管液位传感器的基本原理做了简要介绍 对干簧管的知识做了描述 并对 于簧管液位传感器的使用和安装做了说明 这些都是设计和使用干簧管液位传感器时的必 备知识 因此单独作为一章进行介绍 本章最后 对整个系统设计方案进行了描述 并给 出了系统框图 整个系统由三部分组成 前端信号采集部分 液位处理显示部分 上位机 通信显示部分 杭州电子科技大学硕士学位论文 第3 章液位传感器的硬件设计和抗干扰原则 干簧管液位传感器的硬件设计主要包括传感器的设计 4 2 0 m a 变送器的设计 电源电 路的设计 本章根据这个思路 对硬件电路及用到的芯片逐一进行介绍 本章最后 对电 路抗干扰原则进行简要的介绍 电路抗干扰原则是电路硬件设计特别是高频电路设计时 必须考虑的因素 它对结果产生重要的影响 3 1 传感器的设计 前面已经介绍 干簧管液位传感器是由一系列干簧管和电阻构成的干簧管 电阻网络 设计最大量程为l m 测量精度为5 m m 所以需要干簧管和电阻各2 0 0 个 考虑到要将传感 器放置于管径2 e m 的不锈钢钢管内 因此选择7 m m 长的干簧管和0 8 0 5 封装的电阻 以尽 量节省尺寸 在说明传感器的设计之前 有必要介绍一款e d a 工具a l t i u md e s i g n e r 6 3 a l t i u md e s i g n e r6 3 是a l t i u m 公司在p r o t e l 的基础上推出的一款高性能电路板布线软 件 它继承了包括p r o t e l9 9 s e p r o t e l2 0 0 4 在内的功能和优点以外 还拓宽了板级设计的传 统界限 全面集成了f p g a 设计功能和s o p c 设计实现功能 从而允许工程师将系统设计 中的f p g a 与p c b 设计集成在一起 l 3 1 传感器网络在a l t i u md e s i g n e r6 3 中只是一些干簧管和电阻混合等距离编排的网络 因 此在设计传感器时 可用排针按5 m m 等距离编排下去 只要在p c b 库中为实际的干簧管 和电阻做好正确合适的引脚封装即可 传感器的原理图如图3 1 所示 p c b 图如图3 2 所示 f 甯一卜f 可 f 可卜f 飞r f 志门 f 志r1 f 弹广 f 事一了f 亨j h e e e e e e jf 巴 1 图3 1 液位传感器原理图 部分 图3 2 液位传感器p c b 图 部分 在实际制作过程中 必须考虑干簧管在浮球中的最佳吸合与断开角度 经验证明 当 干簧管在布置时 稍微倾斜一个角度比干簧管水平放置时更好 干簧管水平放置时 往往 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 容易造成干簧管受到浮球的磁性激励不够 这样 在液位测量时 容易得到虚假信息 液 位传感器的单面板效果如图3 3 所示 图3 3 液位传感线单面板效果图 3 2 传感器的信号传输方式 若从液位传感器的实现功能来说 只要将传感器接入到控制板 经过适当处理即可实 现了 但是考虑到被测液位通常在室外 而控制板通常安装在室内 这样所测得的电压经 过一定距离传输后 会因为衰减 或噪声的干扰而影响功能 对这一现象的改进通常有两种方法 一是采用无线通信的方法 即在被测液位的室外 通过无线传输方式 如红外 蓝牙 w i f i z i g b e e 等 另外一种则是通过将电压信号转换 为电流信号后 利用电流源内阻无穷大的特性进行电流传输 在到达控制板后 再将电流 信号还原为电压信号 第一种方法需要了解无线传输的协议 而且在室外也需要通过控制 芯片进行转换 因此较复杂和昂贵 第二种方法 只要设计一款合理的电压转电流的变送 器 即可通过有线的方式进行传输 相对第一种方式而言 简单的多 3 34 2 h n a 变送器的设计 通常 电压信号可方便的进行信号处理 这是因为绝大多数工业设备都以电压的形式 来控制 但是在进行远距离传输时 电压传输极易受损 采用电流信号的原因是不容易受 干扰 并且电流源内阻无穷大 导线电阻串联在回路中不影响精度 在普通双绞线上可以 传输数百米 1 4 1 目前 工业上最广泛使用的是4 2 0 m r 电流来传输模拟量 上限取2 0 m h 是 因为防爆的要求 2 0 m r 的电流通断不足以引燃瓦斯 下限没有取o m h 的原因是为了能检测 断线 正常工作时不会低于4 m h 当传输线因故障断路时 环路电流降为o m a 1 5 常取2 m r 作为断线报警值 两线制变送器的原理是利用4 2 0 m a 信号为自身提供电能 如果变送器自身耗电大于 4 m a 那么将不能输出下限4 m a 值 因此一般要求两线制变送器自身耗电 包括传感器在内 的全部电路 不大于3 5 m r 这是两线制变送器设计的根本原则之一 从整体结构来看 两线制变送器由三大部分组成 传感器 调理电路 两线制v i 变 换器 传感器将温度 压力等物理量转化为电参量 调理电路将传感器输出的微弱或非线 t 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 性的电信号进行放大 调理 转化为线性的电压输出 两线制v i 变换电路根据信号调理 电路的输出控制总体消耗电流 同时从环路上获得电压并稳压 供调理电路和传感器使用 除了v i 变换的电路之外 电路中每个部分都有其自身的耗电电流 两线制变送器的核心 设计思想是将所有的电流都包含在v i 变换的反馈环路内 图3 4 为两线制变送器的结构 示意图 其中 采样电阻r s 串联在电路的低端 所有电流都将通过r s 流回到电源负端 图3 4 两线制变送器的结果示意图 两线制4 2 0 m a 变送器可以通过分立元器件来设计 也可以直接通过集成芯片来设计 目前这类专用集成芯片也比较多 如x t r l l 5 1 1 6 1 0 5 等 3 3 1 集成芯片x t r l l 5 a d 6 2 3 l m 3 5 8 简介 x t r l l 5 是一款专为工业标准4 2 0 m a 输出而设计的集成芯片 它是一个电流环发生器 它的功耗低 静态电流仅为2 0 0 u a 它具有5 v 和2 5 v 输出的稳定电压 可供外部传感器 或其它芯片等驱动用 另外 它的非线性误差较小 仅为0 0 0 3 具有宽的外部供给电压 7 5 v 至3 6 v 均为它的合理电压范围 1 6 图3 5 为该芯片的结构图 x r t t s x t r l l 4 l 一 v r e o 广1 r 1 一 一 d l 苎竺竺 r l 制一v i f r 函 a o g n v 一 1 与竺 bp 南 1 1 4 卜 is 6k 涉 e f 3季 5 k n 睾也辜是 1 0 0 v m b 弋 图3 5x t r l l 5 芯片结构 1 4 v 气 杭州电了科技大学硕士学位论文 x t r l l 5 集成芯片的各引脚功能如下 o 第1 脚 v p e f x t r l l 5 输出引脚 标准输出为2 5 v 一般在2 4 9 7 v 左右 可作为外部 传感器驱动所用 第2 脚 i r n x t r l l 5 输入信号量 如果外部传感器是惠更斯电桥 则它和3 脚作为惠 更斯电桥的两个桥端 它的输入信号量是相对于3 脚而言的 第3 脚 i r e f x t r l1 5 的参考输入量 如果外部传感器是惠更斯电桥 则它和2 脚作为 惠更斯电桥的两个桥端 否则 它作为基准信号 通常接地 第4 脚 i o x t r l l 5 的输出引脚 标准4 2 0 m a 输出 作为两线制输出 它同时也是 电源的负端 i o 和i 玳的关系为 i o 1 0 0 i 小 第5 6 7 脚 这三脚连接一个n p n 型的三极管 组成电压反馈电路 确保输出信号 的最大范围 由于这个三极管产生的热量可能影响到集成芯片x t r l l 5 的正常工作 因 此两者之间保持一定距离 第7 脚 v 同时也是两线制变送器的输入正端 正负端输入电压7 5 v 3 6 v 均为芯片的 正常工作电压 第8 脚 v r e g 标准5 v 输出 由于很多芯片的工作电压都是5 v 而x t r l l 5 通常用于 控制芯片的外围部件 因此它提供了一个5 v 输出的电压 相对于3 脚而言 a d 6 2 3 是一款可在单电源供电情况下 低功耗高精度轨对轨输出的仪表放大器 1 7 1 在 单电源供电情况时 它的输入电压可以比电源地低1 5 0 m v 如果外部不接电阻 其增益为 l 外部接电阻后 它的增益可在1 1 0 0 0 之间调节 a d 6 2 3 具有随增益增大而增大的共模 抑制比 因此误差维持在最小值 尽管a d 6 2 3 的设计已得到很好的优化以使其在单电源供 电的情况下工作 但在双电源 2 5 v 6 o v 供电的情况下 其性能依然出色 功耗低 精度高 单电源或双电源供电均可等优点 使得a d 6 2 3 特别适用于低电压供电的医疗设备 传感器接口电路 热电偶运放电路 工业过程控制等 8 脚d i p 封装的a d 6 2 3 外形结构图 如图3 6 所示 l e a dp l a s t i cd 口 砷 s o i c r a n d 劓t s o i c 础哟p a c k a g e s 要露a d 6 2 3 黼 v s 固l 词 图3 6a d 6 2 3 芯片外形结构 a d 6 2 3 集成芯片的各引脚功能如下 第l 脚和第8 脚 r g 和 i k 这两