投入式液位传感器系统的设计

曹文祥

(武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080)

随着计算机和传感器等技术的不断发展，传统的液位传感器在精度和灵敏度上逐渐不能满足需求，而高精度、低价格、智能化、便携式液位传感器系统脱颖而出，它不仅能实时监测外界的液位变化，将液位变化描绘成曲线或表格显示在液晶显示屏上，还可将液位值储存起来，发送到用户，对一些突发情况，能够实现及时报警功能。因此该系统对预防洪水、抗灾减灾、农田灌溉、石油化工、水利检测等方面有一定的实用价值。

1 设计原理

本文结合目前传感器发展现状及趋势，设计了一套稳定性能好，精度高的液位传感器检测系统，采用静压液位传感器，输出信号为4-20mA电流变送器电路对信号进行传输。在信号处理方面，选择AT89S51单片机作为控制系统；在信号的采集和处理方面，设计信号调理电路、按键输入电路、A/D转换采样、液晶显示电路、串口通信电路；此外，利用VB开发软件，设计上位机的监控界面，实时监控管理及数据处理，包括：通信设置、发送命令控制字、接收现场数据、数字滤波、监测信号的标定、检测结果分析、实时及历史数据的存取等。整个检测系统协调配合，稳定运行。

2 设计方案

2.1 硬件电路

硬件电路设计是液位自动检测系统的核心部分，主要由以下几个模块组成：现场传感器及测量电路、数据采集电路、微机信号分析电路等。

本设计的数据采集电路以AT89S51单片机最小系统作为控制单元，外围电路由按键输入电路、模数转换器、RS232通信芯片及部分逻辑电路报警电路等组成。

2.2 软件设计

片上驱动程序：一般用C语言编写片上的输入/输出的读写、定时、中断、采样、通信等；系统上电后先进行初始化工作，包括清RAM、设置堆栈指针、设置相关的寄存器及标志位，然后立即进入监控程序。监控程序的主要任务是接收解释微机发来的命令控制字，对被测量的信号按规定的速度采样，经处理后通过串行口将数据发送到微机。

微机部分程序：应用程序的主要任务是对检测系统进行监控管理及数据处理，功能包括：通信设置、发送命令控制字、接收现场数据、数字滤波、检测信号的标定、必要的非线性补偿、检测结果分析、频谱分析、实时及历史数据存取、图形界面的信息输出等。整个系统设计如图1所示。

图1 投入式液位传感器检测系统示意图

本设计结合实际应用和成本，它的显示控制系统选择基于单片机的嵌入式系统设计，传感器完成对液位信号的采集测量，控制电路对液位信号进行处理，还要和微机通信实现数据的实时观察和保存。核心控制单元如图2。

图2 液位传感器显示控制部分单元

3 系统设计

本系统设计主要包括静压液位传感器、系统驱动电路、控制电路、下位机程序设计、微机程序设计。

3.1 传感器选择

选用投入式静压传感器，耐高温，4-20mA，防腐，抗干扰，防阻塞、低温漂，它的精度达到0.2%，响应时间达到0.05s，量程0.2-500m范围内定制。可选用两线制电流输出、三线制电压输出、三线制RS485数字信号输出三种接线方式。

3.2 系统的驱动电源

驱动电源电路:前置电路及单片机控制单位可采用输出电压12V的三端稳压电压W7812来实现。

3.3 控制电路的设计

本设计采用以AT89S51单片机为控制器的最小系统，外接外围扩展电路、按键控制电路、液位报警电路、AD采样电路、串口通信电路、12864液晶显示电路来实现，它是系统最核心的部分。

(1)单片机最小系统：含复位、时钟电路、编程接口电路，实现在线开发；

(2)按键接口电路：在控制板设置四个独立的功能按键，实现开机界面、电压采样值及液位值显示、数据串行通信；

(3)液位报警电路：通过蜂鸣器来实现液位高于或者低于设定值的报警；

(4)液晶显示电路：提供用户的人机化界面，采用12864液晶显示屏检测液位信息。

3.4 控制系统程序设计

控制流程图见图3。

图3 控制流程图

按下按键2，启动子程序AD转化功能，对采集的数值进行转化，保持到两个外部变量中。

3.5 微机程序设计

微机系统可通过按键实现控制，已可以显示测量液位的功能，但要实现数据与PC机通信，就要在VB的开发环境中，设计微机的检测界面，实现液位的实时检测。

主要包括：微机界面框图，串口通信设计，波形实时显示，数据存储等。

4 系统调试

调试是一个系统从设计到完成工作过程的重要环节，本文采用模块化思路将系统分解，逐级调试，主要分为：传感器调试，控制系统调试，微机功能调试，液位传感器系统整体联调。调试效果如图4、图5所示。

图4 液位置液晶显示

图5 液位实时数据控制界面

调试结果表明，该系统精度能达到1%，制作成本较低，可远距离通信，具有较广泛的实用价值。