感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器智能變送器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器在實(shí)際應(yīng)用中遇到的輸出信號(hào)非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)問題，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器的智能變送器。該智能變送器以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421輸出4～20mA電流信號(hào)，MAX485芯片實(shí)現(xiàn)RS485通信。介紹了一種集RS485通信和4～20 mA輸出的智能液位變送器，給出了具體的軟硬件設(shè)計(jì)方案，解決了原傳感器輸出信號(hào)非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的問題，且增加了RS485接口。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化儀器儀表與裝置；智能變送器；C8051F020；AD421；RS485

    由于所處地理位置和氣候影響，我國(guó)是一個(gè)水旱災(zāi)害頻繁的國(guó)家，尤其是洪澇災(zāi)害，長(zhǎng)期影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。為了提高洪水的有效預(yù)見期，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握各主要河流的水位變化情況，自20世紀(jì)70年代，我國(guó)開始建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，特別是發(fā)展水深測(cè)量技術(shù)，主要向更可靠、更先進(jìn)、更現(xiàn)代化的方向發(fā)展，這對(duì)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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)鍵是水深的測(cè)量，而水深測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵則是傳感器，傳感器穩(wěn)定工作，準(zhǔn)確檢測(cè)水位，并通過變送器把有效的數(shù)據(jù)傳送給觀測(cè)人員。因此傳感器能否穩(wěn)定工作、準(zhǔn)確檢測(cè)水位、有效傳輸數(shù)據(jù)則成為水情自動(dòng)測(cè)報(bào)的關(guān)鍵。
    目前應(yīng)用較多的浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等都有一定的局限性。近年來(lái)，太原理工大學(xué)測(cè)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(hào)：ZL96110735．9)，該傳感器采用數(shù)字化直接取樣的信號(hào)采樣方式，不再采用傳統(tǒng)的模擬量檢測(cè)方法，沒有模糊數(shù)據(jù)?？朔藴囟取⒖諝鈮簭?qiáng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(yùn)行，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)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(hào)是非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，需要配備專門的儀表進(jìn)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(diǎn)，介紹了一種智能變送器的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)是輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)(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。

1 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(hào)調(diào)理電路、電源電路、MCU(C8051F020)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(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

    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(jì)思想設(shè)計(jì)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(cè)信號(hào)，由若干個(gè)取樣感應(yīng)元電路通過介質(zhì)水接收檢測(cè)信號(hào)，由電容耦合檢波電路檢波后得到的信號(hào)電壓實(shí)現(xiàn)水位信號(hào)的直接取樣，成為數(shù)字取樣傳感器。它的每個(gè)神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)后，將開關(guān)數(shù)字信號(hào)調(diào)制為模擬信號(hào)電流(非標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào))方式輸出給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)一步處理。
    信號(hào)調(diào)理電路是將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，為C8051F020模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。經(jīng)過單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，可以將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后就可以很方便地進(jìn)行下面的操作：存儲(chǔ)水文數(shù)據(jù)、通過AD421輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)、RS-485接口輸出等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，而C8051F020單片機(jī)的ADC模塊要求為電壓信號(hào)，所以需要對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此設(shè)計(jì)了信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為1～2．4 V的電壓信號(hào)，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感的供電，其原理圖如圖2所示。

2．1．1 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(shí)，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(yùn)算放大器的電路時(shí)，總是把它看成理想運(yùn)放。根據(jù)理想運(yùn)放的分析方法設(shè)輸出電壓變化為△Vo，則可以得到
   
其中
   
    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(diǎn)電位器，R2是調(diào)節(jié)滿度電位器。
2．1．2 濾波電路分析
    另外，信號(hào)調(diào)理電路中還設(shè)計(jì)濾波電路，是為了濾去測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)單的無(wú)源RC低通濾波器。電阻R3、R7，電容C2及運(yùn)放組成一階反相輸入RC有源低通濾波器，有源濾波器比無(wú)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。
2．2 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)。它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號(hào)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(jī)的連接主要有串行數(shù)據(jù)輸入端和控制端，在時(shí)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(jī)P3．0口相連，用來(lái)接收16位的串行數(shù)據(jù)。單片機(jī)P3．6口用來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，而P3．5口用來(lái)產(chǎn)生鎖存信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證信號(hào)的傳輸，一般要在單片機(jī)和AD421之間加入隔離器件，實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)通訊的隔離。

2．3 RS485接口電路
    單片機(jī)C8051F020的P2．0、P2．1及P3．7通過MAX485與PC機(jī)相連，進(jìn)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(jī)的串行輸入端，接收PC機(jī)通過MAX485向單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，P2．0為單片機(jī)的串行輸出端，通過MAX485發(fā)送給PC機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)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(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字化，存入單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器，并轉(zhuǎn)化為16位的數(shù)字信號(hào)，一路送AD421轉(zhuǎn)化為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，進(jìn)行傳輸或控制；另外一路通過MAX485，在上位機(jī)查詢命令到達(dá)的時(shí)候發(fā)送上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控。本傳感器變送器系統(tǒng)軟件包括以下幾個(gè)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(bào)警子程序和其他的輔助程序等。整個(gè)系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

4 結(jié)論
    該系統(tǒng)在進(jìn)行了各個(gè)部分的仿真及電路板搭建試驗(yàn)后，實(shí)驗(yàn)證明是可行的，可以實(shí)現(xiàn)原傳感器的改進(jìn)和升級(jí)，增強(qiáng)了原有傳感器的功能，節(jié)約了成本，組網(wǎng)更加方便。