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作者： (河海大學電氣工程學院)徐群,王樹勇 <BR> <BR> 引言</P><P> 在石油化工、水利水電、農田灌溉、環境監測以及自來水廠、污水處理廠等眾多領域，液位(水位)是一個重要的技術參數。目前常用的液位傳感器有：旋轉編碼浮子式傳感器(機械式和光電式)、非接觸式超聲波傳感器、壓力式傳感器、磁浮子接點式傳感器(連續式和液位開關式)等。其分辨率從毫米級到厘米級不等，測量范圍從幾十厘米到幾十米。除磁浮子接點式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應用場合。一般壓力式和超聲波傳感器均帶有變送部分，即將液位信號轉換成標準電流信號(4~20mA)。旋轉編碼浮子式傳感器分為機械式和光電式兩種，光電式又分為絕對型和增量型。這類傳感器輸出通常為并行二進制碼、串行二進制碼和脈沖信號。除智能型一體化傳感器外(壓力式或超聲波)，一般沒有就地顯示和數字通信功能。</P><P> 對于諸如農田灌溉、環境監測、污水處理等公益性部門，除測量精度、可靠性、可維護、易安裝等技術性能要求外，價格也是直接影響傳感器選用的重要因素之一。為此，我們研制了一種基于磁浮子接點式小量程(≤150cm)就地顯示、并具有RS-485通信接口和4~20mA輸出的廉價液位傳感器。<BR> <BR> 傳感器組成及原理<BR> <BR> 傳感器主要由以1cm間隔均勻分布的干簧管陣列、全密封不銹鋼防護管、球型磁浮子、檢測電路、變送電路及LCD顯示器等組成。其基本原理是檢測干簧管陣列中某一個或幾個干簧管觸點閉合狀態來表示球型磁浮子位置，即液面位置。一般的檢測方法是采用電阻分壓方式，其輸出電壓Vo是第i個閉合干簧管的分壓值。這種測量方法需精確穩定的電源Ve和分壓電阻R，通過適當的變換電路(V/I)，可獲得4~20mA標準電流輸出。但是，如果多個干簧管同時接通，就會影響其分壓電阻比，產生較大的測量誤差。若在測量中產生一個或多個干簧管永久性導通(干簧管失效)，則測量無法正常進行。為避免這種情況發生，增強傳感器的適應性(現場顯示和通信)，我們結合工程實踐，提出了采用類似鍵盤掃描的一種新檢測方法，有效解決了這一問題。<BR> <BR> 檢測電路由一片89C2051單片機和若干分布在測桿內干簧管陣列電路板上的串—并移位寄存器74HC164構成類似掃描鍵盤陣列電路結構。干簧管位于行和列的交叉點上。</P><P> 通過控制移位寄存器的輸出，使各列依次變為低電平(“0”)狀態，然后檢測各行(P1.0~P1.3)的狀態。如果某行為低電平(“0”)狀態，則該行與處于低電平狀態列的交叉點上的干簧管為閉合狀態，由此就確定了浮子的位置，即液面位置。由于任一干簧管的位置是唯一確定，故對應于任一干簧管的液位也就唯一確定了。</P><P> 變送器電路采用美國AD公司的高性能數模轉換器AD421芯片。其采用Σ-ΔDAC結構，16位分辨率，標準三線串行數據輸入接口，4~20mA電流環路輸出。變送器24V電源經過片內電壓調整電路和調整管(DN25D)，可提供+5V、+3.3V或+3V的外部電路工作電源。同時還能提供+1.25V、+2.5V基準電源。</P><P> 電容C1、C2、C3與片內DAC后時序濾波器相聯，CPU可以在時鐘端CLOCK的上升沿將數據裝入數據端DATA，輸入至內部移位寄存器，在LATCH上升沿鎖存到DAC鎖存器，從而完成數字信號到4~20mA標準電流信號的轉換。<BR> <BR> 軟件設計<BR> <BR> 89C2051內置2K Flash程序存儲器，用來存放用戶程序。程序采用模塊化設計方法，主要包括干簧管接點掃描子程序、液位計算子程序、D/A輸出控制子程序、LCD顯示子程序以及RS-485通信子程序等。干簧管接點掃描子程序通過逐列掃描，按行讀入各干簧管觸點狀態，并將其映射到20H開始的內部數據存儲單元中，其程序如下：<BR> <BR> ；干簧管接點掃描子程序<BR> <BR> SCAN：MOV R7，X；設置循環計數初值=74HC164芯片數×4<BR> <BR> MOV R0，#20H；設置存儲單元指針初值<BR> <BR> CLR P1.5；使74HC164串行輸入為“0”<BR> <BR> NOP</P><P> SCA： CLR P1.4<BR> <BR> NOP</P><P> SETB P1.4；74HC164時鐘輸入端產生一個移位脈沖<BR> <BR> MOV A，P1；讀入行值<BR> <BR> ANL A，#0FH ；保留低4位<BR> <BR> MOV B，A；暫存<BR> <BR> CLR P1.4<BR> <BR> NOP<BR> <BR> SETB P1.4；再移一位(掃描下一列)<BR> <BR> MOV A，P1<BR> <BR> ANL A，#0FH<BR> <BR> SWAP A<BR> <BR> ORL A，B；將相鄰兩列狀態合并成一個字節<BR> <BR> MOV @R0，A；存入映像存儲單元<BR> <BR> INC R0；指向下一映像存儲單元<BR> <BR> DJNZ R7，SCA；循環<BR> <BR> RET；返回<BR> <BR> 由于受磁浮子磁場分布范圍的影響，在相應液面位置上可能會導致相鄰幾個干簧管同時閉合，因此對于各種不同的狀態組合，程序中考慮了不同的處理結果。對于個別干簧管可能出現的永久性導通，軟件上采用了相應的處理措施，也就是利用接點的變化來確定當前磁浮子的位置(即液位)。</P><P> 結語</P><P> 該傳感器非常適合小量程移位的測量，測量方法簡單，不受環境溫度及個別干簧管永久性導通的影響，穩定性好，適應性強，安裝方便，維護簡單。因集傳感、變送和通信為一體，易于和計算機檢測與控制系統相連，方便地組成網絡化應用系統，大大降低系統成本，可廣泛應用于水利、環保和農業灌溉等場合。 <BR>
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