一種新型的水位檢測系統(tǒng)

付存謂，費美芬，李 軍，孫睿嚀，李炫志，黃旭銘,周晉怡,陳光樂

(1.浙江比華麗電子科技有限公司,浙江 桐鄉(xiāng)314500；2.中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會，浙江 杭州 310000)

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一種新型的水位檢測系統(tǒng)

付存謂1，費美芬1，李 軍1，孫睿嚀2，李炫志2，黃旭銘2,周晉怡2,陳光樂2

(1.浙江比華麗電子科技有限公司,浙江 桐鄉(xiāng)314500；2.中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會，浙江 杭州 310000)

主要從系統(tǒng)原理的簡單描述，硬件、軟件的設(shè)計和介紹，數(shù)據(jù)采集處理方式及創(chuàng)新點幾個方面介紹了一種新型水位檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式測量，針對接觸式水位檢測系統(tǒng)的測量電路測量速度慢、測量精度低、要與水接觸、測高溫液體時會產(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水位進(jìn)行測量，延長了系統(tǒng)壽命。并且添加了溫度補償?shù)墓δ軄頊p小誤差，提高了系統(tǒng)測量高溫液體液位時的測量精度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，速度比接觸式測溫更快且使用壽命較長，適用于對液位測量精度要求較高的場合。

水位監(jiān)測；溫度補償；壓力傳感器

0 引言

目前，水位檢測系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于檢測地下、河道、水庫等水位的變化情況，以便人們在水位過高或過低時及時地進(jìn)行調(diào)整。水位檢測系統(tǒng)可分為接觸式測量系統(tǒng)和非接觸式測量系統(tǒng)，接觸式水位檢測系統(tǒng)檢測電路(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系統(tǒng)不含有溫度補償功能，當(dāng)待測水的溫度隨天氣的變化而變化時，不能對溫度變化進(jìn)行補償以減小溫漂，降低對水壓的影響，會對水位的測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。本文對一種應(yīng)用了HM1600B型壓力傳感器的水位檢測系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)描述。此系統(tǒng)針對上述缺陷一一進(jìn)行了解決。本系統(tǒng)采用將軟管放入水中，根據(jù)管內(nèi)氣壓變化來反映液位變化的方法來進(jìn)行液位測量，當(dāng)水溫變化時軟管內(nèi)氣壓也會發(fā)生變化，傳感器不與待測液體直接接觸，增長了系統(tǒng)使用壽命，并添加了溫度補償功能，提高了水位測量的精度。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量速度更快，適合于大規(guī)模的普及應(yīng)用。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)應(yīng)用了STM32單片機、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，以便于采集待測液體溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行溫度補償。將傳感器采集到的壓力信號轉(zhuǎn)化為液位高度值傳到液晶顯示屏顯示并傳到上位機進(jìn)行處理，實現(xiàn)歷史水位值查詢、水位變化曲線圖的繪制等功能。壓力水位檢測系統(tǒng)的總體框圖如圖1。

圖1 壓力水位檢測系統(tǒng)的總體框圖

測量過程：將一根軟管一端與壓力傳感器連接，另一端放入水槽中，此時管內(nèi)的氣壓會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)溫度補償?shù)忍幚砗筠D(zhuǎn)化為線性規(guī)律的電壓信號輸出，電壓信號由STM32單片機的12位ADC進(jìn)行采集并對采集到的信號進(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，同時將處理好的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機，得到水位變化的曲線圖，并可實現(xiàn)歷史水位數(shù)據(jù)的查詢。溫度補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。

圖3 系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 HM1600B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其進(jìn)行測量。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。它是一個由4個等值電阻構(gòu)成的惠斯通電橋，當(dāng)受到壓力時，其中一對橋臂電阻值增大，另一對則減小，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，通過對電橋輸出電壓的測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)原理本身就會引起傳感器輸出的溫度漂移[2]。所以要對傳感器進(jìn)行溫度補償。本傳感器中已包含溫度補償部分。安裝時，只需將本傳感器直接焊接在電氣PCB主板上即可，注意對傳感器加的電壓不宜過大，否則易導(dǎo)致傳感器損壞。此壓力傳感器輸出的電壓曲線公式如下：

(1)

其中,Vout為壓力傳感器輸出電壓，Vin為采集到的電壓信號,Vin=2.8～5.4 V DC。

傳感器結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)圖

本傳感器為減小誤差、提高精度而加入了溫度補償部分，通過采用熱電偶溫度計對液體溫度進(jìn)行測量并對得到的溫度信號進(jìn)行采集，通過計算對溫度進(jìn)行補償，從而提高了測量的精度。傳感器規(guī)范配置如圖5。

圖5 傳感器整體結(jié)構(gòu)基本規(guī)范配置

2.2 單片機模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103RCT6單片機，芯體為32 bit，是一種嵌入式微控制器，采用2～3.6 V電壓對其進(jìn)行供電，內(nèi)核采用ARM Cortex-M3，工作頻率最高為72 MHz，1.25 Mips/MHz(如果CPU運行在1 MHz的頻率下，每秒可執(zhí)行125萬條指令)，單片機支持3種低功耗模式：睡眠模式、停機模式和待機模式。

本實驗應(yīng)用了單片機中的ADC模塊，將采集到的模擬信號(線性變化的電壓值)轉(zhuǎn)換為便于微處理器處理的數(shù)字信號，再由系統(tǒng)根據(jù)一定規(guī)律進(jìn)行處理來間接地得到待測液體的液位值。單片機應(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)果將以左對齊或右對齊的方式存儲在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來對待測液體的液位高度進(jìn)行顯示。TFTLCD即薄膜場效應(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。每個像素節(jié)點都相對獨立，并可以連續(xù)控制，可在提高顯示屏反應(yīng)速度的同時精確控制顯示色階，使顯示效果更加逼真。

2.4 電源模塊

對STM32單片機供電電壓一般在2～3.6 V之間，不能過大，否則單片機容易被損壞。本系統(tǒng)中單片機直接通過電腦USB接口供電，并未單獨設(shè)立電源模塊，使操作更方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，且電腦USB端口供電較穩(wěn)定，單片機不易被燒壞。由于HM1600B型傳感器工作電壓為5 V，所以應(yīng)單獨使用一個5 V電源為其供電，保證壓力傳感器和STM32單片機均可正常使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包含以下幾個部分：各個模塊初始化；壓力傳感器采集氣壓數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成電壓；單片機ADC對傳感器電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；單片機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；LCD顯示。

3.1 系統(tǒng)工作過程

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，單片機通過ADC來接收壓力傳感器OUT口產(chǎn)生的電壓。STM32F103RCT6的ADC模塊可檢測0～3.3 V的電平，OUT口連接單片機的PA1引腳，接收到電壓后，通過轉(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 上位機設(shè)計

上位機應(yīng)用QT軟件編程制作而成。在上位機中，操作者可根據(jù)單片機的需要來改變連接的串口號和波特率，經(jīng)過轉(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)庫對歷史檢測的水位值進(jìn)行查詢，還可根據(jù)水位的變化自動繪制出水位隨時間的變化曲線圖，便于操作人員對水位的變化趨勢進(jìn)行進(jìn)一步的了解和研究，并及時對因水位變化而帶來的問題進(jìn)行警戒和解決。還可根據(jù)需要在上位機中添加報警系統(tǒng)，當(dāng)水位超過某一設(shè)定值時，可通過添加的提示燈的亮滅情況來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)傳感器向單片機輸出線性電壓信號時(電壓信號由傳感器的OUT口輸出)，由單片機的ADC模塊對電壓信號進(jìn)行采集，ADC模塊將采集到的模擬信號(線性變化的電壓值)轉(zhuǎn)換為便于微處理器處理的數(shù)字信號，OUT口接單片機的PA1腳，再由單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為待測液位的高度，并將其在液晶顯示屏上輸出和傳入上位機進(jìn)行處理。

將電壓信號轉(zhuǎn)化為液位高度的公式如下：

(2)

其中h為液位高度，Vin為采集到的電壓信號,Vin=2.8～5.4 V DC。

由實際測量可知，盡管傳感器內(nèi)部進(jìn)行了溫度補償，溫度的變化對測量值的準(zhǔn)確性還是有一定影響，所以在進(jìn)行水位測量時，要對環(huán)境的溫度有所限制，在不同的環(huán)境下，測量時所要求的溫度應(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系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非接觸測量的方式，對插入水中的軟管內(nèi)隨水位而變化的氣壓進(jìn)行測量采集并將其轉(zhuǎn)化為線性變化的電壓信號，再用STM32單片機的ADC對電壓信號進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行處理后將液位值顯示在LCD和上位機上，解決了接觸式測量的測量速度慢、測量精度低、傳感器壽命短等問題，同時傳感器中加入了溫度補償，使測量結(jié)果更精確，充分利用了STM32單片機強大的控制功能和通信接口[3]，使得測量結(jié)果的精確度大大提高。HM1600B型傳感器性能優(yōu)良，設(shè)計獨特且使用方便[4]，使系統(tǒng)可應(yīng)用性更強。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度較高，具有很高的應(yīng)用價值和很大的普及性，發(fā)展前景可觀。

[1] 謝少偉，劉吉來.基于MPX系列壓力傳感器的智能水位實時檢測系統(tǒng)[J].紹興文理學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版, 2007, 27(10):58-62.

[2] 郭鳳儀，李斌，馬文龍，等.深水水位檢測用壓力傳感器補償方法研究[J].儀表技術(shù)與傳感器, 2010(6):6-8.

[3] 馬俊，陳靖.基于單片機的水塔水位檢測控制系統(tǒng)仿真設(shè)計[J].電子設(shè)計工程, 2009, 17(4):85-86.

[4] 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.

A new kind of water level monitoring system

Fu Cunwei1，F(xiàn)ei Meifen1，Li Jun1，Sun Ruining2，Li Xuanzhi2，Huang Xuming2，Zhou Jinyi2，Chen Guangle2

(1.Zhejiang BiHuaLi Electronic Technology Co.,Ltd.,Tongxiang 314500,China; 2.Qiu Shi Electronic Science and Technology Association of China Jiliang University Mechanical and Electrical Engineering College,Hangzhou 310000,China)

This paper introduces a new kind of water level monitoring system mainly from the simple description of the principle of the system, hardware, software design and introduction,data acquisition and processing methods and innovative points.Non contact measurement is used in this system and many problems like the slow measuring speed, the low measuring accuracy, must contact with water and it will produce error when measuring high temperature liquid have been improved.By using a new type of pressure sensor,the water level can be measured in the case that the sensor is not exposed to water. This way extends system’s life.The system also added the function of temperature compensation to reduce the error.The measurement accuracy of the system to measure the high temperature liquid level is improved. This system has simple structure and low cost. Its speed is faster than the contact type temperature measurement and the use time is longer.It is suitable for the occasions with higher accuracy requirements of liquid level measurement.

water level monitoring;temperature compensation;pressure pickup

TP212

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.21.029

付存謂，費美芬，李軍，等. 一種新型的水位檢測系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(21)：94-97.

2016-07-05)

付存謂(1972-)，通信作者，男，碩士，工程師，主要研究方向：新能源利用與智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。E-mail:122132098@qq.com。

費美芬(1965-)，女，本科，工程師，主要研究方向：太陽能熱水智能控制系統(tǒng)。

李軍(1973-)，女，工程師，主要研究方向：太陽能熱水智能控制系統(tǒng)。