【導(dǎo)讀】本文應(yīng)用感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器在水位控制系統(tǒng)中,克服了溫度、空氣壓強、電場、磁場等環(huán)境分布參數(shù)的影響,可在比較復(fù)雜的水文環(huán)境下穩(wěn)定運行,提高了檢測的準確性、可靠性,經(jīng)現(xiàn)場實驗,運行良好。
由于所處地理位置和氣候影響,我國是一個水旱災(zāi)害頻繁的國家,尤其是洪澇災(zāi)害,長期影響經(jīng)濟的發(fā)展,并給國家和人民生命財產(chǎn)造成重大損失。為了提高洪水的有效預(yù)見期,及時準確地掌握各主要河流的水位變化情況,自20世紀70年代,我國開始建設(shè)水情自動測報系統(tǒng),特別是發(fā)展水深測量技術(shù),主要向更可靠、更先進、更現(xiàn)代化的方向發(fā)展,這對于防汛減災(zāi)和水資源的合理利用具有十分重要的意義。
水情自動測報系統(tǒng)的關(guān)鍵是水深的測量,而水深測量技術(shù)的關(guān)鍵則是傳感器,傳感器穩(wěn)定工作,準確檢測水位,并通過變送器把有效的數(shù)據(jù)傳送給觀測人員。因此傳感器能否穩(wěn)定工作、準確檢測水位、有效傳輸數(shù)據(jù)則成為水情自動測報的關(guān)鍵。
目前應(yīng)用較多的浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等都有一定的局限性。近年來,太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所在智能傳感器、新型傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速,馬福昌教授成功研制發(fā)明了感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器(專利號:ZL96110735.9),該傳感器采用數(shù)字化直接取樣的信號采樣方式,不再采用傳統(tǒng)的模擬量檢測方法,沒有模糊數(shù)據(jù)??朔藴囟?、空氣壓強、電場、磁場等環(huán)境分布參數(shù)的影響,可在比較復(fù)雜的水文環(huán)境下,比如黃河泥沙量高的環(huán)境下穩(wěn)定運行,提高了檢測的準確性、可靠性,經(jīng)現(xiàn)場實驗,運行良好。
感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器在傳統(tǒng)應(yīng)用中,輸出的信號是非標準的電流信號,需要配備專門的儀表進行二次處理,成本高,不便于調(diào)試組網(wǎng),很大程度上限制了傳感器的應(yīng)用。
本文根據(jù)感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器的工作原理和特點,介紹了一種智能變送器的設(shè)計方案,重點是輸出標準的電流信號(4~20 mA)和增加RS485接口。解決傳統(tǒng)應(yīng)用中組網(wǎng)調(diào)試不方便的問題。
系統(tǒng)組成及工作原理
該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,主要由感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器、信號調(diào)理電路、電源電路、MCU最小系統(tǒng)、4~20 mA輸出(AD421)、RS-485接口(MAX485),另外還包括PC,通過PC上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。
圖1:系統(tǒng)框圖
感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器是按照仿生物學(xué)的思路,應(yīng)用仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思想設(shè)計而成的。它的內(nèi)部布滿了神經(jīng)元電路板,外部由可塑性絕緣材料澆鑄而成,一般做成棒狀。傳感器由超音頻發(fā)生器和發(fā)射頭向水中發(fā)射檢測信號,由若干個取樣感應(yīng)元電路通過介質(zhì)水接收檢測信號,由電容耦合檢波電路檢波后得到的信號電壓實現(xiàn)水位信號的直接取樣,成為數(shù)字取樣傳感器。它的每個神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號,經(jīng)過統(tǒng)計后,將開關(guān)數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號電流(非標準電流信號)方式輸出給信號調(diào)理電路進一步處理。
信號調(diào)理電路是將傳感器輸出的非標準電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,為C8051F020模數(shù)轉(zhuǎn)換做準備。經(jīng)過單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換后,可以將傳感器信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后就可以很方便地進行下面的操作:存儲水文數(shù)據(jù)、通過AD421輸出4~20 mA的標準電流信號、RS-485接口輸出等。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
信號調(diào)理電路
由于感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器輸出的是非標準電流信號,而C8051F020單片機的ADC模塊要求為電壓信號,所以需要對傳感器的輸出信號進行轉(zhuǎn)換,因此設(shè)計了信號調(diào)理電路,該電路能夠?qū)崿F(xiàn)將傳感器輸出的0.1~16 mA電流信號轉(zhuǎn)換為1~2.4 V的電壓信號,并且可以實現(xiàn)對傳感的供電,其原理圖如圖2所示。
圖2:信號調(diào)制電路原理圖
[page]
電路原理分析
從感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器的原理可以得出:流入水位傳感器的電流與水位是成線性變化的,而且當(dāng)水位固定不變化時,流入水位傳感器的電流是確定值?,F(xiàn)假設(shè)水位的變化是△L,電流的變化是△I1,于是△I1=K?△L(其中K是比例系數(shù))。在分析帶有運算放大器的電路時,總是把它看成理想運放。根據(jù)理想運放的分析方法設(shè)輸出電壓變化為△Vo,則可以得到
因此可以上式看出:輸出電壓的變化△Vo與水位的變化△L成正比例線性變化。其中調(diào)節(jié)電位器R6和電位器R2可以保證輸出電壓Vo在1~2.4 V范圍內(nèi)變化。R6是調(diào)節(jié)零點電位器,R2是調(diào)節(jié)滿度電位器。
濾波電路分析
信號調(diào)理電路中還設(shè)計濾波電路,是為了濾去測量現(xiàn)場的干擾,例如電氣干擾、電磁干擾,使系統(tǒng)的信噪比增加。如圖2所示,電阻R2和電容C1組成簡單的無源RC低通濾波器。電阻R3、R7,電容C2及運放組成一階反相輸入RC有源低通濾波器,有源濾波器比無源濾波器具有更優(yōu)越的性能,提高了頻率特性值,改善了選擇性。
4~20mA輸出電路
AD421是ADI公司推出的一款單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。它由16位數(shù)字信號以串行方式輸入,4~20 mA電流輸出,在智能儀表方面應(yīng)用廣泛。AD421與單片機的連接主要有串行數(shù)據(jù)輸入端和控制端,在時鐘CLOCK作用下,輸入移位寄存器把DATA引腳上的數(shù)據(jù)逐位讀入,LATCH鎖存脈沖把寄存器中的數(shù)據(jù)鎖存到DAC中。根據(jù)其工作原理,AD421與C8051F020芯片的接口電路如圖3所示。AD421的數(shù)據(jù)接口和單片機P3.0口相連,用來接收16位的串行數(shù)據(jù)。單片機P3.6口用來產(chǎn)生時鐘信號,而P3.5口用來產(chǎn)生鎖存信號。在實際應(yīng)用中,為了保證信號的傳輸,一般要在單片機和AD421之間加入隔離器件,實現(xiàn)通訊的隔離,常用的方法有使用ADI推出的ADUM系列隔離器件,比如ADuM 1310,或者使用光耦。在這里,采用光耦來實現(xiàn)通訊的隔離。
圖3:AD421和C8051F020接口電路
RS485接口電路
單片機C8051F020的P2.0、P2.1及P3.7通過MAX485與PC機相連,進行串行通信,如圖4所示。P3.7控制MAX485的狀態(tài),接收或發(fā)送,用軟件控制。P2.1為單片機的串行輸入端,接收PC機通過MAX485向單片機發(fā)送的數(shù)據(jù),P2.0為單片機的串行輸出端,通過MAX485發(fā)送給PC機。
圖4:RS485接口電路
系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用C8051F020單片機為核心處理器件,把經(jīng)過調(diào)理電路處理的感應(yīng)式數(shù)字傳感器的電流信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字化,存入單片機內(nèi)部存儲器,并轉(zhuǎn)化為16位的數(shù)字信號,一路送AD421轉(zhuǎn)化為4~20 mA標準電流信號,進行傳輸或控制;另外一路通過MAX485,在上位機查詢命令到達的時候發(fā)送上位機,實現(xiàn)實時的監(jiān)控。本傳感器變送器系統(tǒng)軟件包括以下幾個部分:主程序、AD采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、AD421轉(zhuǎn)化子程序、MAX485通信子程序,另外,根據(jù)需要可以加入報警子程序和其他的輔助程序等。整個系統(tǒng)如圖5所示。
圖5:主程序流程圖
結(jié)論
該系統(tǒng)在進行了各個部分的仿真及電路板搭建試驗后,實驗證明是可行的,可以實現(xiàn)原傳感器的改進和升級,增強了原有傳感器的功能,節(jié)約了成本,組網(wǎng)更加方便。