《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型的水位檢測(cè)系統(tǒng)
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第21期
付存謂1,費(fèi)美芬1,,李軍1,孫睿嚀2,,李炫志2,,黃旭銘2,周晉怡2,陳光樂(lè)2
1.浙江比華麗電子科技有限公司,浙江 桐鄉(xiāng)314500;   2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會(huì),,浙江 杭州 310000
摘要: 主要從系統(tǒng)原理的簡(jiǎn)單描述,,硬件、軟件的設(shè)計(jì)和介紹,,數(shù)據(jù)采集處理方式及創(chuàng)新點(diǎn)幾個(gè)方面介紹了一種新型水位檢測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量,針對(duì)接觸式水位檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量電路測(cè)量速度慢,、測(cè)量精度低,、要與水接觸、測(cè)高溫液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差等不足之處進(jìn)行了改善,,利用新型的壓力傳感器,,能在傳感器不接觸到水的情況下對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量,延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命,。并且添加了溫度補(bǔ)償?shù)墓δ軄?lái)減小誤差,,提高了系統(tǒng)測(cè)量高溫液體液位時(shí)的測(cè)量精度,。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,,速度比接觸式測(cè)溫更快且使用壽命較長(zhǎng),,適用于對(duì)液位測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合。
Abstract:
Key words :

  付存謂1,,費(fèi)美芬1,,李軍1,孫睿嚀2,,李炫志2,,黃旭銘2,周晉怡2,陳光樂(lè)2

  (1.浙江比華麗電子科技有限公司,浙江 桐鄉(xiāng)314500;2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會(huì),,浙江 杭州 310000)

  摘要:主要從系統(tǒng)原理的簡(jiǎn)單描述,,硬件、軟件的設(shè)計(jì)和介紹,,數(shù)據(jù)采集處理方式及創(chuàng)新點(diǎn)幾個(gè)方面介紹了一種新型水位檢測(cè)系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量,針對(duì)接觸式水位檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量電路測(cè)量速度慢,、測(cè)量精度低,、要與水接觸、測(cè)高溫液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差等不足之處進(jìn)行了改善,,利用新型的壓力傳感器,能在傳感器不接觸到水的情況下對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量,,延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命,。并且添加了溫度補(bǔ)償的功能來(lái)減小誤差,提高了系統(tǒng)測(cè)量高溫液體液位時(shí)的測(cè)量精度,。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,成本較低,速度比接觸式測(cè)溫更快且使用壽命較長(zhǎng),,適用于對(duì)液位測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合,。

  關(guān)鍵詞:水位監(jiān)測(cè);溫度補(bǔ)償,;壓力傳感器

0引言

  目前,,水位檢測(cè)系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)地下、河道,、水庫(kù)等水位的變化情況,,以便人們?cè)谒贿^(guò)高或過(guò)低時(shí)及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。水位檢測(cè)系統(tǒng)可分為接觸式測(cè)量系統(tǒng)和非接觸式測(cè)量系統(tǒng),,接觸式水位檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)電路(包括傳感器)需放在水下,,與水接觸,,這就導(dǎo)致了傳感器壽命變短,并且大部分水位檢測(cè)系統(tǒng)不含有溫度補(bǔ)償功能,,當(dāng)待測(cè)水的溫度隨天氣的變化而變化時(shí),,不能對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償以減小溫漂,降低對(duì)水壓的影響,,會(huì)對(duì)水位的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定影響,。本文對(duì)一種應(yīng)用了HM1600B型壓力傳感器的水位檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)描述。此系統(tǒng)針對(duì)上述缺陷一一進(jìn)行了解決,。本系統(tǒng)采用將軟管放入水中,,根據(jù)管內(nèi)氣壓變化來(lái)反映液位變化的方法來(lái)進(jìn)行液位測(cè)量,當(dāng)水溫變化時(shí)軟管內(nèi)氣壓也會(huì)發(fā)生變化,,傳感器不與待測(cè)液體直接接觸,,增長(zhǎng)了系統(tǒng)使用壽命,并添加了溫度補(bǔ)償功能,,提高了水位測(cè)量的精度,。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量速度更快,,適合于大規(guī)模的普及應(yīng)用,。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

  本系統(tǒng)應(yīng)用了STM32單片機(jī)、2.8英寸TFTLCD顯示,、HM1600B型壓力傳感器,,還應(yīng)用了精度較高的熱電偶溫度計(jì),以便于采集待測(cè)液體溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行溫度補(bǔ)償,。將傳感器采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為液位高度值傳到液晶顯示屏顯示并傳到上位機(jī)進(jìn)行處理,,實(shí)現(xiàn)歷史水位值查詢、水位變化曲線圖的繪制等功能,。壓力水位檢測(cè)系統(tǒng)的總體框圖如圖1,。

圖像 001.png

       測(cè)量過(guò)程:將一根軟管一端與壓力傳感器連接,另一端放入水槽中,,此時(shí)管內(nèi)的氣壓會(huì)隨著容器中液位的增加或減少而產(chǎn)生變化,,由傳感器采集氣壓的數(shù)據(jù)并經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)忍幚砗筠D(zhuǎn)化為線性規(guī)律的電壓信號(hào)輸出,電壓信號(hào)由STM32單片機(jī)的12位ADC進(jìn)行采集并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理,,將其轉(zhuǎn)換為水位值在液晶顯示屏上顯示,,同時(shí)將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī),得到水位變化的曲線圖,,并可實(shí)現(xiàn)歷史水位數(shù)據(jù)的查詢,。溫度補(bǔ)償已包含在壓力傳感器內(nèi)部,因此不做詳細(xì)介紹,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2,,系統(tǒng)原理如圖3,。

圖像 002.png


圖像 003.png

2系統(tǒng)硬件

  2.1HM1600B型傳感器模塊

  傳感器的選擇是系統(tǒng)制作的核心部分。目前測(cè)水位的液位傳感器主要有浮子式水位傳感器,、水位跟蹤式傳感器,、超聲波水位傳感器、雷達(dá)激光水位傳感器,、壓力式水位傳感器等,。其中,壓力傳感器可將壓力轉(zhuǎn)化為電流或電壓從而對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,。本系統(tǒng)中使用的傳感器為應(yīng)用較為普遍且體積較小的硅壓阻式傳感器,。它是一個(gè)由4個(gè)等值電阻構(gòu)成的惠斯通電橋,當(dāng)受到壓力時(shí),,其中一對(duì)橋臂電阻值增大,,另一對(duì)則減小,根據(jù)惠斯通電橋的基本原理,,電橋輸出電壓與所受到的壓力成正比,,通過(guò)對(duì)電橋輸出電壓的測(cè)量即可得出電橋所受的壓力[1]。本系統(tǒng)使用的是由深圳恒敏傳感科技有限公司生產(chǎn)的HM1600B型壓力傳感器,,針對(duì)傳統(tǒng)的硅壓阻式傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn),。以下是該傳感器的一些參數(shù):

  測(cè)量范圍:0~7 kPa(G)

  供電:5 V DC

  輸出:0.5~4.5 V DC

  靜態(tài)精度:±2.5%FSO(即誤差17.5 mm水位)

  綜合誤差:±5%FSO(包括在0~70℃的溫度誤差)

  由于此傳感器是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成,氣壓阻系數(shù)隨溫度的變化而變化,,壓阻效應(yīng)原理本身就會(huì)引起傳感器輸出的溫度漂移[2],。所以要對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本傳感器中已包含溫度補(bǔ)償部分,。安裝時(shí),,只需將本傳感器直接焊接在電氣PCB主板上即可,注意對(duì)傳感器加的電壓不宜過(guò)大,,否則易導(dǎo)致傳感器損壞。此壓力傳感器輸出的電壓曲線公式如下:

  QQ圖片20161208162056.png

  其中,Vout為壓力傳感器輸出電壓,,Vin為采集到的電壓信號(hào),Vin=2.8~5.4 V DC,。

  傳感器結(jié)構(gòu)如圖4。

圖像 004.png

  本傳感器為減小誤差,、提高精度而加入了溫度補(bǔ)償部分,,通過(guò)采用熱電偶溫度計(jì)對(duì)液體溫度進(jìn)行測(cè)量并對(duì)得到的溫度信號(hào)進(jìn)行采集,通過(guò)計(jì)算對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償,,從而提高了測(cè)量的精度,。傳感器規(guī)范配置如圖5。

圖像 005.png

  2.2單片機(jī)模塊

  本系統(tǒng)采用STM32F103RCT6單片機(jī),,芯體為32 bit,,是一種嵌入式微控制器,,采用2~3.6 V電壓對(duì)其進(jìn)行供電,內(nèi)核采用ARM CortexM3,,工作頻率最高為72 MHz,,1.25 Mips/MHz(如果CPU運(yùn)行在1 MHz的頻率下,每秒可執(zhí)行125萬(wàn)條指令),,單片機(jī)支持3種低功耗模式:睡眠模式,、停機(jī)模式和待機(jī)模式。

  本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了單片機(jī)中的ADC模塊,,將采集到的模擬信號(hào)(線性變化的電壓值)轉(zhuǎn)換為便于微處理器處理的數(shù)字信號(hào),,再由系統(tǒng)根據(jù)一定規(guī)律進(jìn)行處理來(lái)間接地得到待測(cè)液體的液位值。單片機(jī)應(yīng)用12位ADC,其為一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,。有18個(gè)通道,,通道的A/D轉(zhuǎn)換有4種執(zhí)行模式,分別為單次,、連續(xù),、掃描和間斷。其結(jié)果將以左對(duì)齊或右對(duì)齊的方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中,。

  2.3液晶顯示模塊

  本系統(tǒng)中采用TFTLCD來(lái)對(duì)待測(cè)液體的液位高度進(jìn)行顯示,。TFTLCD即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管LCD,主要構(gòu)成包括:螢光管,、導(dǎo)光板,、偏光板、濾光板,、玻璃基板,、配向膜、液晶材料,、薄膜晶體管等部分,。每個(gè)像素節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立,并可以連續(xù)控制,,可在提高顯示屏反應(yīng)速度的同時(shí)精確控制顯示色階,,使顯示效果更加逼真。

  2.4電源模塊

  對(duì)STM32單片機(jī)供電電壓一般在2~3.6 V之間,,不能過(guò)大,,否則單片機(jī)容易被損壞。本系統(tǒng)中單片機(jī)直接通過(guò)電腦USB接口供電,,并未單獨(dú)設(shè)立電源模塊,,使操作更方便,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單,且電腦USB端口供電較穩(wěn)定,,單片機(jī)不易被燒壞,。由于HM1600B型傳感器工作電壓為5 V,所以應(yīng)單獨(dú)使用一個(gè)5 V電源為其供電,,保證壓力傳感器和STM32單片機(jī)均可正常使用,。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)部分:各個(gè)模塊初始化;壓力傳感器采集氣壓數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成電壓,;單片機(jī)ADC對(duì)傳感器電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,;單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;LCD顯示,。

  3.1系統(tǒng)工作過(guò)程

  將一根軟管的一端與壓力傳感器連接,,另一端放入水槽中,軟管內(nèi)的氣壓隨容器內(nèi)液位的升高或降低而產(chǎn)生變化,,各模塊初始化后,,壓力傳感器通過(guò)感受軟管內(nèi)氣壓的變化,進(jìn)而在OUT口產(chǎn)生電壓,,單片機(jī)通過(guò)ADC來(lái)接收壓力傳感器OUT口產(chǎn)生的電壓,。STM32F103RCT6的ADC模塊可檢測(cè)0~3.3 V的電平,OUT口連接單片機(jī)的PA1引腳,,接收到電壓后,,通過(guò)轉(zhuǎn)換,將電壓值轉(zhuǎn)換成水位值在LCD屏幕上進(jìn)行顯示并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理,。系統(tǒng)程序流程如圖6,。

  圖6系統(tǒng)程序流程圖

  3.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

  上位機(jī)應(yīng)用QT軟件編程制作而成。在上位機(jī)中,,操作者可根據(jù)單片機(jī)的需要來(lái)改變連接的串口號(hào)和波特率,,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后的水位值可在“水位高度”處進(jìn)行顯示,并且可利用QT自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)歷史檢測(cè)的水位值進(jìn)行查詢,,還可根據(jù)水位的變化自動(dòng)繪制出水位隨時(shí)間的變化曲線圖,,便于操作人員對(duì)水位的變化趨勢(shì)進(jìn)行進(jìn)一步的了解和研究,并及時(shí)對(duì)因水位變化而帶來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行警戒和解決,。還可根據(jù)需要在上位機(jī)中添加報(bào)警系統(tǒng),,當(dāng)水位超過(guò)某一設(shè)定值時(shí),可通過(guò)添加的提示燈的亮滅情況來(lái)判定水位是否符合標(biāo)準(zhǔn)需求,。

4數(shù)據(jù)的采集及處理

  當(dāng)傳感器向單片機(jī)輸出線性電壓信號(hào)時(shí)(電壓信號(hào)由傳感器的OUT口輸出),由單片機(jī)的ADC模塊對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集,,ADC模塊將采集到的模擬信號(hào)(線性變化的電壓值)轉(zhuǎn)換為便于微處理器處理的數(shù)字信號(hào),,OUT口接單片機(jī)的PA1腳,再由單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為待測(cè)液位的高度,,并將其在液晶顯示屏上輸出和傳入上位機(jī)進(jìn)行處理,。

  將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為液位高度的公式如下:

  QQ圖片20161208162103.png

  其中h為液位高度,Vin為采集到的電壓信號(hào),Vin=2.8~5.4 V DC,。

  由實(shí)際測(cè)量可知,,盡管傳感器內(nèi)部進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,溫度的變化對(duì)測(cè)量值的準(zhǔn)確性還是有一定影響,,所以在進(jìn)行水位測(cè)量時(shí),,要對(duì)環(huán)境的溫度有所限制,在不同的環(huán)境下,,測(cè)量時(shí)所要求的溫度應(yīng)有所改變,,以保證液位顯示值的準(zhǔn)確性。

5結(jié)論

  本文詳細(xì)介紹了一種新型的液位檢測(cè)系統(tǒng),,該系統(tǒng)采用非接觸測(cè)量的方式,,對(duì)插入水中的軟管內(nèi)隨水位而變化的氣壓進(jìn)行測(cè)量采集并將其轉(zhuǎn)化為線性變化的電壓信號(hào),再用STM32單片機(jī)的ADC對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集,,并對(duì)其進(jìn)行處理后將液位值顯示在LCD和上位機(jī)上,,解決了接觸式測(cè)量的測(cè)量速度慢、測(cè)量精度低,、傳感器壽命短等問(wèn)題,,同時(shí)傳感器中加入了溫度補(bǔ)償,使測(cè)量結(jié)果更精確,,充分利用了STM32單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能和通信接口[3],,使得測(cè)量結(jié)果的精確度大大提高。HM1600B型傳感器性能優(yōu)良,,設(shè)計(jì)獨(dú)特且使用方便[4],,使系統(tǒng)可應(yīng)用性更強(qiáng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,測(cè)量精度較高,,具有很高的應(yīng)用價(jià)值和很大的普及性,發(fā)展前景可觀,。

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