基于單片機(jī)的氣電式液位遙測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

秦珩，陳生春

（ 海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧大連116018）

0 引言

在船舶航行過程中，對(duì)液位的測(cè)量非常重要。這些液位包括淡水艙液位、燃油艙液位和壓載水艙液位等。目前，國內(nèi)外對(duì)液位的測(cè)量普遍采用壓力式液位計(jì)和微波式液位計(jì)兩種方式。

其中，壓力式液位計(jì)是將壓力傳感器設(shè)置于液體最底部，這種壓力傳感器浸入液體后，測(cè)量出液體的壓力，從而計(jì)算出液體的液位。壓力式液位計(jì)成本較低，價(jià)格比較便宜，應(yīng)用廣泛。

微波式液位計(jì)是一種與液體不接觸的測(cè)量方式。它通常在液面上方，安裝微波探頭，由微波（含超聲波）發(fā)射和微波接收兩部分組成。微波發(fā)射部分將微波投射到液體表面，微波接收部分采集反射回來的微波，通過測(cè)量發(fā)射和反射的時(shí)間，計(jì)算出液位。微波式液位計(jì)具有精度高和使用方便的特點(diǎn)，但是價(jià)格比較昂貴。

壓力式測(cè)量和微波式測(cè)量在液體中均裝有帶電的傳感器，這對(duì)于可燃液體測(cè)量存在一定得安全隱患。

與壓力式液位計(jì)和微波式液位計(jì)不同，海軍大連艦艇學(xué)院研發(fā)的氣電式液位遙測(cè)裝置的設(shè)計(jì)十分巧妙，與液體無任何電信號(hào)接觸，只有一根測(cè)量氣管與液體接觸。采用氣動(dòng)元件作為輸入激勵(lì)部件，高精度壓力變送器作為測(cè)量部件，具有安全可靠、測(cè)量準(zhǔn)確、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適合可燃液體液位的測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣電式液位遙測(cè)裝置主要由氣路和電路兩大部分組成，電路部分起控制和顯示作用，氣路部分起輸入氣壓與液位壓力平衡的作用。

1.1 基本原理

氣電式液位遙測(cè)裝置由氣源、換向閥、恒壓調(diào)節(jié)模塊（恒流器）、氣壓測(cè)量模塊、顯示模塊組成。氣源采用船上的氣源，經(jīng)減壓閥至1 Mpa，提供給氣電式液位遙測(cè)裝置使用。基本測(cè)量原理見下圖。

從流體靜力學(xué)的基本原理可知，對(duì)于理論上不可壓縮液體液柱靜壓力P值等于液體密度（r）與液柱高度H乘積，即：P=Hr。

氣電式液位遙測(cè)裝置就是利用這個(gè)基本原理，通過恒流器的自動(dòng)調(diào)節(jié)氣阻值的功能，測(cè)出液艙底部測(cè)量管內(nèi)與靜液壓平衡的空氣壓力，然后除以該液艙介質(zhì)密度，就獲得液艙介質(zhì)液位高度（即H=P/r）。在系統(tǒng)中通過氣電轉(zhuǎn)換器即壓力傳感器，將氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)行邏輯判別和運(yùn)算，在顯示儀上顯示出液位和液體重量。其中液體重量是按設(shè)計(jì)資料中的艙容積表為根據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理后在數(shù)字顯示儀上顯示。

氣壓調(diào)節(jié)模塊（恒流器）是一種特殊的調(diào)壓閥，它可以自動(dòng)的將氣壓調(diào)節(jié)到和液壓一致。它有一段氣體管道插入液艙底部，工作時(shí)，它首先吹氣，然后氣路被切斷，氣體管道一端被堵住。使氣壓和液壓處于一種平衡狀態(tài)，氣體不會(huì)從管道口溢出，管道內(nèi)的液體液面也不會(huì)上升，管道內(nèi)的氣體壓強(qiáng)等于測(cè)量氣管道口深度相等的液體壓強(qiáng)。如圖1所示，氣源氣體進(jìn)入恒流器輸入端，恒流器能自動(dòng)調(diào)節(jié)一定的流量經(jīng)輸出端輸出，并始終保持液艙測(cè)量管底部的氣壓與液艙底部的液壓相等，測(cè)量管的另一端接壓力傳感器，壓力傳感器測(cè)出的氣壓值就等于該液艙底部的液體壓力值。有了這個(gè)壓力值，便可計(jì)算出液艙的液位高度和液艙液體的體積和重量。

1.2 電路系統(tǒng)框圖

氣電式液位遙測(cè)裝置電路測(cè)量部分由單片機(jī)作為主控制芯片，外圍電路分為氣路切換模塊、調(diào)壓控制模塊、氣壓測(cè)量模塊、電源模塊、顯示模塊、設(shè)置輸入模塊等組成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

氣電式液位遙測(cè)裝置由操作面板和主控制電路兩部分組成。操作面板上分布 12個(gè)發(fā)光二極管、4個(gè)數(shù)碼管、1個(gè)光柱和2個(gè)按鍵，發(fā)光二極管用于指示該裝置的工作狀態(tài)，按鍵用于控制裝置的相關(guān)動(dòng)作，操作面板如圖3所示。

1.3 主要模塊介紹

1.3.1 CPU模塊

STC12C5A60S2是單時(shí)鐘（機(jī)器周期為1 T）的新一代8051單片機(jī)，具有高速低功耗抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。指令代碼完全兼容 MCS-51，但速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)快8～12倍。內(nèi)部集成兩路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 k/s，即25萬次/秒）。工作電壓5.5 ～3.5 V，寬電壓設(shè)計(jì)，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合，有很強(qiáng)的抗干擾能力。內(nèi)部集成60 k byte Flash程序存儲(chǔ)器，1280 byte RAM，2 k byte EEPROM，可以作為掉電保持寄存器使用；兩個(gè)UART串口，有獨(dú)立的波特率發(fā)生器；有36個(gè)通用IO口，復(fù)位后可以設(shè)置為四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏。

1.3.2 電源模塊

控制電路部分將用到3種電壓：DC 24 V，DC 12 V，DC 5 V。其中，DC 24 V直接使用船上的DC 24V電源，而DC 12 V和DC 5 V則由船上的DC 24 V電源通過DC-DC模塊轉(zhuǎn)換得來。

1.3.3 顯示和按鍵輸入模塊

顯示和按鍵輸入模塊負(fù)責(zé)該裝置的人機(jī)交互，需要顯示的內(nèi)容有：當(dāng)前測(cè)量的部位，液體容量，報(bào)警信息和工作狀態(tài)等。這部分工作主要由HD7279(A)來完成。

HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管(或64只獨(dú)立LED)的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片[1]，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣。

HD7279(A)與單片機(jī)通過4根信號(hào)線相連，單片機(jī)對(duì)HD7279(A)完成顯示設(shè)置后，HD7279(A)可以執(zhí)行各種復(fù)雜的顯示功能，而不需要單片機(jī)干預(yù)。操作面板上既有數(shù)碼管，又有光柱和發(fā)光二級(jí)管，顯示時(shí)需要不同的顯示模式，采用HD7279(A)的段位獨(dú)立控制譯碼功能，一片IC就可以輕松解決問題。

HD7279(A)處理按鍵也很出色，有一根單獨(dú)的信號(hào)線 KEY連接單片機(jī)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，KEY出現(xiàn)一個(gè)向下的突跳脈沖，觸發(fā)單片機(jī)的中斷，可以快速響應(yīng)按鍵處理程序。

1.3.4 氣路切換模塊

氣路切換是通過多個(gè)單電控直動(dòng)式電磁閥完成的。氣路切換的目的是將氣源通向需要測(cè)量的液體容器內(nèi)，所以，工作時(shí)，每次只能有一個(gè)電磁閥處于導(dǎo)通狀態(tài)?？刂齐姶砰y的線圈通斷電就可以控制氣路的通道。電路上，單片機(jī)的一個(gè)IO口通過三極管驅(qū)動(dòng)一個(gè)繼電器，然后將一個(gè)繼電器串接在DC 24 V與電磁線圈之間[2]。這樣單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)繼電器控制氣路的切換。

1.3.5 氣壓測(cè)量模塊

氣壓測(cè)量模塊由氣壓測(cè)量元件 MPM281和相關(guān)測(cè)量電路組成，MPM281安裝在調(diào)節(jié)模塊后面的管道上，可以將氣體壓力轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)提供給測(cè)量電路。

MPM281系列壓阻式OEM產(chǎn)品是一種帶隔離、并經(jīng)過精密補(bǔ)償?shù)母叻€(wěn)定性硅壓阻式壓力測(cè)量元件[3]。其中硅壓阻式敏感元件采用具有專利技術(shù)的高穩(wěn)定性擴(kuò)散硅元件，外殼采用外徑Ф19 mm的316L全不銹鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝。被測(cè)壓力經(jīng)過 316L隔離膜片和內(nèi)部介質(zhì)傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實(shí)現(xiàn)了壓力到電信號(hào)的精確轉(zhuǎn)換。

MPM281具有以下特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在該場合。

1）長期穩(wěn)定性可達(dá) 0.1% FS/年；

2）寬溫度補(bǔ)償范圍 -10℃～+80℃；

3）寬壓力測(cè)量范圍 0～35 kPa…70 Mpa；

4）非線性典型值可達(dá) 0.1% FS。

MPM 281內(nèi)部等效電路如圖5所示，應(yīng)用該器件時(shí)，IN+和IN-接入5 mA的恒流源，OUT+和OUT-接ADC電路。外部施加壓力與OUT+和OUT-輸出電壓信號(hào)成比例變化。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要有壓力信號(hào)測(cè)量，數(shù)據(jù)顯示等內(nèi)容。軟件開發(fā)平臺(tái)使用 KEIL C51 IDE集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)軟件主流程如圖6所示。壓力測(cè)量子程序流程如圖7所示。

3 結(jié)論

經(jīng)過一年多的運(yùn)行試驗(yàn)，HXG-IS型氣電式液位遙測(cè)裝置經(jīng)受住船上惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，工作可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，表明該裝置完全可以滿足船舶液艙遙測(cè)的要求，特別適用可燃液體液位的測(cè)量。

:

[1]房鷹，郭青. HD7279在單片機(jī)模擬心電發(fā)生器中的應(yīng)用. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004，（2）：20-21.

[2]謝宜仁. 單片機(jī)實(shí)用技術(shù)問答. 人民郵電出版社，2003: 275-277.

[3]趙海濤，程杰. 水倉水位自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì).煤礦安全, 2008, (10):72-74.