基于C8051的射頻導(dǎo)納長線料位儀的研制

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(大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠，黑龍江 大慶 163001)

1 引言

物位檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)過程控制中占有重要的地位，通過對(duì)物位的精確高度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)物位的處理以及加工過程的最優(yōu)化控制，并且對(duì)現(xiàn)有物位的儲(chǔ)藏管理提供有用的信息。目前應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的物位儀表種類繁多，按測(cè)量方式有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量，因傳感器索取一次信號(hào)方式方法的不同決定著物位儀表的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍。射頻導(dǎo)納物位儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，測(cè)量準(zhǔn)確，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1]。

本文提出的射頻導(dǎo)納長線料位儀，是為適應(yīng)檢測(cè)裝置發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合廠家應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的適用于大直徑、長距離、厚倉壁、封閉式容器內(nèi)的頂端物位測(cè)量，該儀表的應(yīng)用可提高工作效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，使物位檢測(cè)工作又實(shí)現(xiàn)了一次新的飛躍。

2 測(cè)量原理

射頻導(dǎo)納物位儀表是由電容式物位測(cè)量原理發(fā)展起來的[2]。由于被測(cè)容器壁與探測(cè)極之間存在電容特性，在理想情況下，當(dāng)倉內(nèi)無物料時(shí)其探測(cè)極與倉壁間存在的分布電容為C0：

C0＝ε0S/D ε0≈1：空氣介電常數(shù)；S：兩極板面積；D：兩極板間距離

當(dāng)物料高于探測(cè)極時(shí):

CW＝εS/D ε:被測(cè)物料的介電常數(shù)

ΔC=CW-C0通過推導(dǎo)可得出：

ΔC=S/D(ε-ε0)對(duì)于特定的料倉來說 S、D 為常數(shù)，可取S/D=a，

ΔC=a(ε-ε0)即物料的有無對(duì)應(yīng)電容 ΔC 的變化。

儀表工作時(shí)由探測(cè)極的分布電容去調(diào)制工作頻率:C0對(duì)應(yīng) f，CW對(duì)應(yīng) fW，取(C0+ΔC)/2 對(duì)應(yīng)的頻率(f0+fW)/2為判定閾值，通過運(yùn)算即可判斷物料的空滿狀態(tài)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求是體積小，重量輕，安裝調(diào)試方便、防腐蝕、防震、密封、抗電磁干擾。

3.1 儀表組成

射頻導(dǎo)納長線料位儀由棒式探測(cè)極、連接桿、二次儀表和手持控制器組成。棒式探測(cè)極的作用是索取介質(zhì)的變化量，由不銹鋼加工而成；連接桿主要是將探測(cè)極與主機(jī)二次儀表進(jìn)行連接，進(jìn)行介質(zhì)變化量的傳輸，將探測(cè)信號(hào)傳輸給二次儀表；二次儀表把介質(zhì)變化量進(jìn)行數(shù)字化分析計(jì)算處理后，得到介質(zhì)變化的結(jié)果，并進(jìn)行計(jì)算判斷，顯示和輸出測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)處理部分置于主機(jī)密封殼體內(nèi)，通過殼體上的航空插頭進(jìn)行RS485數(shù)據(jù)線引出，連接到手持控制器和程控柜上。

3.2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

測(cè)量電路的設(shè)計(jì)要求是力求簡(jiǎn)單、適用、穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強(qiáng)、溫度性能好。

測(cè)量電路包括信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分。信號(hào)采集電路是將來自于探測(cè)極的脈沖信號(hào)放大、整形和消除靜電干擾，產(chǎn)生可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理的脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)分析處理部分由單片機(jī)來完成，單片機(jī)采用C8051F410，主要實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的分析處理并由數(shù)模轉(zhuǎn)換，顯示料位狀態(tài)。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集。儀表設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器的選用和放大電路的設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)采集的核心內(nèi)容，直接影響到儀表的技術(shù)參數(shù)和抗干擾性。本設(shè)計(jì)中采用集成運(yùn)算放大器TLV2624為核心元件構(gòu)成振蕩器電路，該放大器工作溫度范圍是-40℃～125℃，電壓溫度漂移3uV/℃，帶寬8MHz。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理。采用具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的SOC單片機(jī)器件C8051F410為儀表的數(shù)據(jù)處理和控制核心[3]。C8051F410實(shí)現(xiàn)儀表的控制運(yùn)算功能：獲取探測(cè)器信號(hào)并進(jìn)行計(jì)算處理；提供精確的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和修改、參數(shù)設(shè)置；控制繼電器輸出狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)、溫度保護(hù)；驅(qū)動(dòng)顯示芯片和控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

圖1 CPU控制結(jié)構(gòu)框圖

3.2.3 LED顯示單元。顯示部分采用ZLG7289芯片做為核心，實(shí)現(xiàn)LED譯碼、驅(qū)動(dòng)電路功能，采用同步串行外設(shè)接口，與單片機(jī)相連接，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和面板指示燈的報(bào)警。此芯片具有高度的穩(wěn)定性，可保障裝置在環(huán)境條件惡劣的情況下穩(wěn)定工作。

4 編程思想及軟件功能

4.1 編程思想：根據(jù)智能儀器的設(shè)計(jì)原則，采用自頂向下的程序設(shè)計(jì)思路，模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程相結(jié)合的思想，檢測(cè)儀在功能上實(shí)現(xiàn)了自診斷、自修復(fù)等一些實(shí)用性操作，在自診斷程序中涵蓋了ROM、RAM、插件、開機(jī)、總線、輸入通道、鍵控自檢以及周期性自檢等多方面的檢測(cè)，保證了儀表的可靠性使用[4]。在數(shù)據(jù)處理方面，采用數(shù)字濾波，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖2 主函數(shù)流程圖

4.2 軟件功能

4.2.1 運(yùn)行功能。探測(cè)極測(cè)得的采樣信號(hào)以秒中斷的方式經(jīng)運(yùn)算放大器放大后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)T0計(jì)數(shù)器中，計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加計(jì)算，取算術(shù)平均值，結(jié)果作為此周期內(nèi)測(cè)量的信號(hào)，計(jì)算得出結(jié)果與判斷基值相比較，確定繼電器輸出狀態(tài)，大于判斷基值，輸出"空"指示，小于判斷基值，輸出"滿"指示。為確保測(cè)量過程的穩(wěn)定性，當(dāng)信號(hào)幅度或頻率超出T0計(jì)數(shù)器工作范圍時(shí)，裝置將自行判斷信號(hào)合理性，符合條件的信號(hào)可被裝置正確識(shí)別，不符合條件的信號(hào)會(huì)被認(rèn)定當(dāng)前周期內(nèi)信號(hào)無效而重新進(jìn)行采樣。

4.2.2 參數(shù)設(shè)置功能。在裝置位于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置功能操作。預(yù)設(shè)增減鍵、移位鍵、確認(rèn)鍵等功能按鍵。按住確定鍵三秒鐘后，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，默認(rèn)顯示菜單P-1，再按下確定鍵進(jìn)入具體參數(shù)調(diào)整。移位鍵功能實(shí)現(xiàn)數(shù)位之間的切換操作，增減鍵可設(shè)置參數(shù)數(shù)值大小。

4.2.3 檢測(cè)功能。此功能運(yùn)行于通電自檢，主要包括ROM、RAM、插件、開機(jī)、總線、輸入通道、鍵控自檢。檢測(cè)完畢后，如某項(xiàng)出現(xiàn)問題會(huì)給出固定字符提示，提示使用者某檢測(cè)項(xiàng)出現(xiàn)問題，需斷電處理解決。

4.2.4 復(fù)位功能?；謴?fù)參數(shù)出廠設(shè)置，即所有參數(shù)值均為默認(rèn)初始值。

5 結(jié)束語

基于射頻導(dǎo)納技術(shù)的射頻導(dǎo)納長線料位儀經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的使用效果，儀表的各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。我們還在進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以解決影響頻率穩(wěn)定因素，如電源電壓、溫度等，這些因素都要仔細(xì)加以考慮，以提高儀表測(cè)量的準(zhǔn)確性，使得本文提出儀表的功能更加完善，應(yīng)用更加廣泛。

[1]吳智.物位測(cè)量綜述[J].應(yīng)用與實(shí)踐.2002.

[2]DE公司上海代表辦事處.射頻導(dǎo)納式物位測(cè)量.醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)[J].1994(4)：43-47.

[3]C8051F410/1/2/3混合信號(hào)ISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].新華龍電子有限公司Rev0.7 2006.02.

[4]王克義，王均.硬件、軟件及接口技術(shù)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.