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在對傳統浮子式液位計優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎上，介紹了采用TI公司MSP430F133單片機改進(jìn)傳統浮子式液位計液位測量的方法，給出了具體電路的設計方法和軟件設計注意事項。 水文測量中最常用的測量終端莫過(guò)于液位計，按測量方式大致可分為機械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。機械浮子式和光電浮子式都是來(lái)用機械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來(lái)形成編碼，為了產(chǎn)生可靠編碼，一般都用格雷碼輸出，這種液位計的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對較低，缺點(diǎn)是機械加工復雜、運行阻力大、使用壽命短；超聲波液位計和激光液位計測量精度較高且沒(méi)有機械部件，故可靠性較高，但使用中發(fā)現它對反射目標有一定的要求，受環(huán)境因素影響較大，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是因為復雜的信號處理電路導致其成本居高不下，目前還難以推廣；振弦式液位計主要用于小量程液位的測量。為了用較低的成本完成大量程液位的長(cháng)期可靠測量，筆者利用ＭＳＰ４３０單片機的低功耗特性結合光電液位的絕對位置測量功能設計了一種新型液位計—磁光液位計，現簡(jiǎn)要介紹如下。 １ 機械工作原理 本液位計同普通光電液位計一樣有一個(gè)光電碼盤(pán)（如圖１所示），碼盤(pán)白色部分反射光線(xiàn)，而黑色部分吸收光線(xiàn)，圖２所示的光耦和圖１所示的碼盤(pán)間距約２ｍｍ，并采用圓心安裝。光耦隨電路板固定在液位計外殼上，液位變化時(shí)浮子牽引水位輪轉動(dòng)，安裝在同一軸上的碼盤(pán)也隨水位輪作圓周運動(dòng)，當碼盤(pán)旋轉時(shí)，碼盤(pán)就會(huì )吸收或反射來(lái)自光耦的光線(xiàn)，從而使８位光耦根據碼盤(pán)和光耦的相對位置輸出８位格雷碼編碼，傳統的光電液位計用一個(gè)減速齒輪帶動(dòng)另一個(gè)碼盤(pán)轉動(dòng)從而獲得高位編碼，而本液位計摒棄了所有的齒輪減速機構，用安裝角度為１２０°的三只干簧管來(lái)計算碼盤(pán)旋轉的圈數，當碼盤(pán)旋轉時(shí)安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據這一次序就可以判斷液位是以液位上升的方向增加圈數還是以液位下降的方向減少圈數。這樣一來(lái)單圈的絕對位置可以通過(guò)碼盤(pán)的編碼得到，而旋轉的圈數可以由干簧管的吸合次序得到，綜合起來(lái)就可以得到液位高程，從而完成液位的測量。 ２ ＭＳＰ４３０單片機簡(jiǎn)介 ＭＳＰ４３０系列是ＴＩ公司的超低功耗單片機，它有多種低功耗模式，在ＬＰＭ４模式時(shí)的典型工作電流僅為０．１μＡ，并能在６μｓ內響應外部中斷；另外它還有特別寬的工作電壓范圍：１．８～３．６Ｖ，實(shí)際使用中發(fā)現：常溫下即便電源電壓為１.２Ｖ，該器件仍能全速正常工作。ＭＳＰ４３０Ｆ１３３的性能特征見(jiàn)表１。 表1 MSP430F133的性能特征
設計時(shí)選用一只１Ｆ的電容來(lái)儲存電能，假設加上１２Ｖ電源后電路充電電流為１００ｍＡ，充電時(shí)間為２ｓ，則按０．５μＡ（實(shí)際放電電流不大于此數據值）放電可持續１１０小時(shí)。因此只要液位測量間隔不大于１１０小時(shí)就能保證單片機在掉電期間正常工作。在本電路中ＭＳＰ４３０平時(shí)以?xún)炔浚遥?a href="http://selenalain.com/keyword/振蕩器" target="_blank" class="relatedlink">振蕩器作為主時(shí)鐘，以鐘表晶體振蕩器（３２７６８Ｈｚ）作為通信時(shí)鐘，最高通信速率可達９６００ｂｐｓ，低功耗ＬＰＭ４時(shí)關(guān)閉所有時(shí)鐘源。 ３ 電路工作原理 圖３所示是本液位計電路的工作原理圖，當測量當前液位時(shí)，首先由上位控制器給電路加１２Ｖ電源，此時(shí)繼電器ＪＤ１吸合，一方面由Ｒ２８、Ｕ３組成的穩壓電路給電容Ｃ４６進(jìn)行恒流限壓充電，以補充斷電后單片機工作所需電能，另一方面將Ｗａｋｅ信號由“０”切換到“１”，喚醒單片機進(jìn)入全速正常工作狀態(tài)，通過(guò)測量８只光電耦合器電平可得到碼盤(pán)在一個(gè)圓周內的具體位置編碼（８ｂｉｔ格雷碼），再加上正（反）向旋轉的圈數就可以計算出實(shí)際液位，也可換算成格雷碼輸出以兼容其它浮子式液位計，同時(shí)還通過(guò)４８５總線(xiàn)按要求的協(xié)議輸出液位以滿(mǎn)足自動(dòng)測量的要求。６位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源由單片機的口線(xiàn)來(lái)提供，目的也是便于在掉電時(shí)關(guān)閉液晶顯示器的電源。 一旦外部＋１２Ｖ電源撤去，Ｗａｋｅ信號將消失，單片機立即將口線(xiàn)切換到合適的電平，并進(jìn)入低功耗狀態(tài)ＬＰＭ４，此時(shí)ＣＰＵ的功耗只有０．１μＡ，碼盤(pán)上的磁鐵隨碼盤(pán)轉動(dòng)，當磁鐵轉動(dòng)到三只干簧管附近時(shí)，干簧管吸合并立即引起單片機引腳電平的變化，ＭＳＰ４３０單片機能在６μｓ的時(shí)間內在低功耗狀態(tài)響應這一變化，記錄下變化過(guò)程后又立即回到低功耗狀態(tài)以最大限度地節省電能。研究中發(fā)現，干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開(kāi)狀態(tài)有一個(gè)遲滯過(guò)程，正好可以防止液位在某一點(diǎn)輕微波動(dòng)時(shí)使干簧管頻繁動(dòng)作，從而避免單片機退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管以１２０°的間隔均勻地分布在同一圓周上，允許液位計以盡可能大的角速度旋轉。假定ＭＳＰ４３０Ｆ１３３響應并處理一個(gè)外圍中斷的時(shí)間（與中斷程序復雜程度和時(shí)鐘速度有關(guān)）為２００μｓ，則ＣＰＵ能夠響應的最大角速度為１２０°／２００μｓ。在筆者的一個(gè)制作實(shí)例中電路（含干簧管部分）經(jīng)過(guò)了１２０圈／秒的測試。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收３．０Ｖ／２０Ｍ＝０．１５μＡ電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機待機電流最�。埃宝蹋�，最大０．２５μＡ，若電容充滿(mǎn)電可保證單片機在掉電后仍能正常工作一個(gè)月以上。 由于舍棄了機械減速裝置，液位計轉動(dòng)時(shí)只需克服兩只固定軸承的阻力，因此，大大加強了機械靈活性和可靠性。當傳動(dòng)輪周長(cháng)為２５６ｍｍ時(shí)，液位計的分辨率為１ｍｍ，能滿(mǎn)足大部分測量要求。圖３中采用１６位格雷碼輸出，量程可達６５．５３５ｍ，若用軟件將液位分辨率設置為１ｃｍ，則輸出量程可達６５５．３５ｍ，實(shí)際上只要引出線(xiàn)足夠多，量程并沒(méi)有限制，可根據要求做成任意量程的液位計。圖３的電路圖只是原理示意圖，實(shí)際應用中還要考慮抗干擾、野外使用的防雷處理等。 液位計的軟件設計也非常簡(jiǎn)單，限于篇幅不多贅述，只需注意的是：在進(jìn)入ＬＰＭ４前將口線(xiàn)置成合適的電平，如格雷碼輸出置成低電平、４８５接口芯片Ｕ１０置成低功耗狀態(tài)、液晶口線(xiàn)和電源置成低電平，以便使口線(xiàn)不消耗電流，從而使整機的低功耗得到保證。 ４ 結束語(yǔ) 在野外水位自動(dòng)測量中，為了降低功耗，傳感器采用間歇上電方式，由于傳感器輸出應為絕對量編碼，因此在設計時(shí)采用很多齒輪變換和凸輪進(jìn)位，這樣做帶來(lái)了設計的復雜性，并降低了傳感器的穩定可靠性。 利用本文所述原理和方法研制出的ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計具有相對量軸角編碼器的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、穩定性好、量程大、價(jià)格低廉、使用方便等，利用ＭＳＰ４３０Ｆ１３３單片機的低功耗特點(diǎn)，使ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計能滿(mǎn)足絕對量編碼輸出的要求。 激光水位計和超聲波水位計的分辨率為毫米，但其誤差為相對誤差，量程稍大時(shí)，水位測量的絕對誤差甚至可能會(huì )超過(guò)規范所規定的誤差標準(±２ｃｍ)。浮子水位計原理簡(jiǎn)單、誤差來(lái)源少，為水利部門(mén)常用水位測量?jì)x器，但當前只有厘米級分辨率的浮子水位計，用于集水面積較大的水庫水位觀(guān)測時(shí)，使水庫流量計算過(guò)程產(chǎn)生鋸齒狀變化。因此，研制出毫米級浮子式液位計是水文工作者多年的愿望。 ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計為國內第一只分辨率為毫米的浮子式水位編碼器。水位信息自動(dòng)采集系統中通常使用兩個(gè)字節表示水位信息，最大可表示６５５３５ｍｍ。而對浮子式磁光液位計而言，其量程很大，可滿(mǎn)足所有液位測量要求。 經(jīng)過(guò)兩年實(shí)踐證明，ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計不僅降低了浮子式液位計的成本，還大大提高了水位觀(guān)測精度和儀器可靠性，不失為一個(gè)改造絕對量光電編碼液位計和替換機械編碼液位計的好產(chǎn)品。 |
