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(xún)、水位變化曲線(xiàn)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。
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(xiàn)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(xiàn)圖，并可實(shí)現(xiàn)歷史水位數(shù)據(jù)的查詢(xún)。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。
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(xiàn)公式如下：
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。
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。
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 CortexM3，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(xiàn)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(xún)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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：
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(xiàn)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。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 謝少偉，劉吉來(lái).基于MPX系列壓力傳感器的智能水位實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)［J］.紹興文理學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2007, 27(10):58-62.
?。?］ 郭鳳儀，李斌，馬文龍，等.深水水位檢測(cè)用壓力傳感器補(bǔ)償方法研究［J］.儀表技術(shù)與傳感器, 2010(6):6-8.
［3］ 馬俊，陳靖.基于單片機(jī)的水塔水位檢測(cè)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程, 2009, 17(4):85-86.
?。?］ 祝勉.MPX系列X型橫向壓阻式硅壓力傳感器［J］.儀表技術(shù)與傳感器, 1994(1):39-41.