【正文】 智能儀表占據(jù)了國際應用市場的絕大比重， 但價格一般都比較昂貴，性價比并不是很高，不適 用 于普遍應用。 液位傳感器的 分類 當前市場上所能夠看到的液位傳感器種類繁多，測試原理不同測試方法也不盡相同。 按液位傳感器轉換過程中的能量關系分類，可分為能 量 轉換型和能 量 控制型。 按液位傳感器轉換原理分類，可分為電阻式、微波式、激光式、超聲式、光電式、熱電式、電感式、電容式、電磁式、壓電式、光纖式及核輻射式等等。結構型是依靠液位傳感器結構變化來實現(xiàn)參數(shù)轉換的 。 按液位傳感器的用途分類 .可分為重 量 、位移、速度、加速度、力、電壓、電流、溫度、壓力、流 量 、功率參數(shù)等等。模擬式液位傳感器 輸 出為模擬量 信號， 數(shù)字式液位傳感器輸出直接為數(shù)字量 信號 。傳統(tǒng)型磁翻板液位傳感器一般是指只具有顯示和輸出功能的液位傳感器 ， 真正意義上的智能液位傳感器，推理、感知、應該具備學習 、通訊等功能，具有精度高、性能價格比高、使用方便等特點。 根據(jù)使用場合的不同可以選擇 不同原理 類型 的液位傳感器 進行安裝。液位傳感器產(chǎn)品達到 10 大類、42 小類、 6000 多個品種，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢，但是在我國的所有生產(chǎn)液位傳感器的企業(yè)來看，外資企業(yè)優(yōu)勢明顯，國內(nèi)外企業(yè)綜合實力懸殊，這是因為我國生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，人才短缺、研發(fā)能力弱，最關鍵的還是技術，難與國外企業(yè)抗衡。 (2)在設計、可靠性、封裝等方面，缺 乏統(tǒng)一標準和自主知識產(chǎn)權，在接口、深刻蝕、高溫歐姆接觸、高可靠 MEMS 封裝、快速測試、高仿真模擬等技術方面尚未取得突破性進展和產(chǎn)業(yè)化驗證 。 由此可見，液位傳感器在我國近階段有很不錯的發(fā)展前景，但單單從技術方面來將還并不是很成熟，還有待于進一步的提高。首先根據(jù)連通器的原理，將少量液體引流至液位關內(nèi)部， 此時液位管內(nèi)液位的高度和待測容器內(nèi)液位的高度相同。 該高度即為待測容器液位的高度。 由于采樣器件輸出的信號為模擬量（電壓信號），因此這里還需要增加 A/D 轉換功能。 通過上述要求分析可得如下圖 11 所示的系統(tǒng)框圖。通訊芯片采用 I2C接口，紅外接收采用外部中斷和定時器配合 4 的方式。 顯示模塊 考慮到該傳感器使用的特殊性，有可能安裝在較高的位置，因此需保證在 3~5 米的范圍內(nèi)能夠清楚的看到顯示數(shù)值。設計為 4 位數(shù)碼管，采用單片機連接譯碼器，由譯碼器來控制三極管，有三極管來驅動 4 位數(shù)碼管，并控制其亮暗。 數(shù)據(jù)存儲模塊 CAT24WC08 是一個 8K位串行 CMOS E2PROM 內(nèi)部含有 512 個 8 位字節(jié) CATALYST 公司的先進 CMOS 技術實質上減少了器件的功耗 CAT24WC01 有一個 8 字節(jié)頁寫緩沖器CAT24WC08 有一個 16 字節(jié)頁寫緩沖器該器件通過 I2C 總線接口進行操作有一個專門的寫保護功能 。 A/D轉換模塊 本設計中采用的 A/D轉換芯片為 AD7705， AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位轉換器。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行轉換。它采用三線串行接口 , 有兩個全差分輸入通道 , 能達到01003% 非線性的 16 位無誤碼數(shù)據(jù)輸出 , 其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設定 , 還可選擇輸入模擬緩沖器 , 以及自校準和系統(tǒng)校準方式。 3 V 電壓時 , 最大功耗為 1 mW , 等待模式下電源電流僅為 8uA。 數(shù)據(jù)采集模塊 在設計之初筆者查詢了許多相關資料，對于液位傳感器的設計原理和方法有很多；如接觸式、非接觸式、紅外檢測、浮子檢測、超聲波檢測等等。這樣做的目的是：首先采樣器件（稱重傳感器）成本相對較低；其次，液位首先引流至液位管，液體和采樣器件無接觸，這樣不存在液體的化學性質 對采樣原件造成干擾或損壞。 紅外接收模塊 考慮到本傳感器的安裝特殊性，有可能安裝在人手無法觸及的高度，因此不適合采用按鍵的方式對傳感器進行參數(shù)設置。 本設計中不涉及遙控器的設計， 本設計中所使用的遙控器 由市場采購而得，遙控器具體發(fā)送的命令形式將在第三章軟件設計中著重介紹。 該傳感器頻率信號由單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生，由單片機 I/O口輸出，考慮到外接存在的各種干擾信號，因此在信號輸出級采用光電隔離的方式，從而保證外界的干擾信號對傳感器內(nèi)部系統(tǒng)不會造成干擾。 通信芯片使用 MAXIM公司生產(chǎn)的 MAX3082芯片，該芯片采用差分信號傳輸，因此有較遠的傳輸距離，一般 2公里以上。 在芯片的輸出端增加了瞬態(tài)電壓抑制器，能夠很好的抑制總線上的浪涌電壓，從而保證通訊芯片免受其害，造成不可恢復的后果。為降低整機工作的功耗，在報警狀態(tài)下采用聲光交替形式，即蜂鳴器工作時發(fā)光二極管不工作，蜂鳴器不工作時發(fā)光二極管工作，有效的降低了整機功耗。以免影響單片機系統(tǒng)的正 常工作或工作處于臨界點?？紤]到干擾的存在，因此在 5V電壓中，需使用隔離電源；在單片機系統(tǒng)和外界輸出接口處也加以隔離，以達到隔離干擾的目的 ，保證傳感器系統(tǒng)的正常工作 。 該傳感器可通過數(shù)碼管實時地顯示被測容器內(nèi)當前液位的高度，具有液位高于上限設定值報警和低于下限設定值報警功能，具有（ 200~1000） HZ 的頻率輸出功能，具有 RS485 總線通訊功能，具有數(shù)據(jù)存儲功能，具有紅外遙控功能等。傳感器再次上電后，內(nèi)部參數(shù)仍為上一次修改存儲的內(nèi)容。這個功能主要是方便工程維護人員在不使用其他儀器的情況下方便地查看頻率輸出情況，以更快的速度解決現(xiàn)場問題而設。以上三點均是數(shù)碼管比液晶或其他屏所具有的優(yōu)點，所以本設計中考慮使用數(shù)碼管顯示。為節(jié)省單片機的 I/O 口，所以顯示采用譯碼器控制的方式，若不采用譯碼器位選信號將需要 4個 I/O口，采用譯碼器后位選信號僅需要 3個 I/O 口，這樣就可以節(jié)省出一個 I/O 口做其他用途。這里就需要用到 A/D 轉換器， 本設計中采用 AD7705 芯片來完成 A/D 轉換功能， AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位轉換器。能直接將傳感器測量到的多路微小信號進行轉換。它采用三線串行接口 , 有兩個全差分輸入通道 , 能達到 01003% 非線性的 16 位無誤碼數(shù)據(jù)輸出 , 其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設定 , 還可選擇輸入模擬緩沖器 , 以及自校準和系統(tǒng)校準方式。 3 V 電壓時 , 最大功耗為 1 mW , 等待模式下電源電流僅為 8uA。報警信號由單片機給出，用三極管來驅動蜂鳴器和發(fā)光二極管。 頻率輸出由內(nèi)部定時器定時，由 I/O 口輸出。在光耦的輸出端加一個上拉電阻，保證頻率輸出由足夠的功率，便于遠距離傳輸頻率信號不至于衰減的過多，從而使下級設備能夠正常讀取頻率輸出值。同時在輸出端增加發(fā)光二極管作為頻率輸 出指示，能夠比較直觀的觀察到有無頻率輸出，便于現(xiàn)場查找原因和解決問題。該芯片同時具有很強的抗干擾能力，能夠很好地濾除干擾信號。 考慮到總線上有可能會出現(xiàn)不可知的干擾信號，會對單片機系統(tǒng)造成干擾，使單片機系統(tǒng)誤工作或無法正常工作，因此在單片機系統(tǒng)與總線芯片之間增加光耦以達到光電隔離的目的，避免干擾信號經(jīng)總線電路進入單片機系統(tǒng)。 在一個單片機控制系統(tǒng)中，電源模塊起到至關重要的作用，因為電源模塊的帶載能力和輸出文波直接影響到單片機系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和準確性， 因此對電源模塊的設計一定要避免以上不良影響。 本設計中需要 5V和 6V和 12V 三個電壓等級的直流電壓，考慮到現(xiàn)場一般只有交流 220V和交流 380V 電壓，為方便使用這里需要對電壓進行轉換；首先需將 220V 交流電壓轉換為 9 12V 交流電壓，這里需要選擇變壓器，然后將交流 12V 電壓轉換成直流電壓，這里需要用到整流橋，為了減小該直流電壓的脈動，還需要增加濾波電容。到此三種不同等級的電壓均以獲得。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在 12V 直流電壓的輸出端需要增加 12V 轉 12V 的直流穩(wěn)壓隔離電源模塊，這樣既起到了穩(wěn)壓的目的同時也起到了與電網(wǎng)隔離的目的，就能夠保證直流 12V 電 壓的穩(wěn)定性，間接保證直流 5V和直流 6V電壓的穩(wěn)定性，從而保證單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 由于數(shù)字信號在數(shù)據(jù)處理過程中速遞比較快，有可能會對模擬信號造成干擾，是模擬信號的波形發(fā)生畸變，造成采樣不準間接影響輸出值，因此在模擬信號的電源地與數(shù)字信號的電源地之間需要串聯(lián)一個 0Ω電阻，以達到單點接地的目的，將數(shù)字信 號對模擬信號的影響降低到最小。 ● 工作電壓 到 ； ● 全靜態(tài)時鐘 0 到 33MHZ； ● 三級程序存儲器加密； ● 32個可編程 I/O 口線； 10 ● 3個 16 位定時 /計數(shù)器； ● 6個中斷源（ 2個外部中斷， 3個定時器中斷， 1個串行中斷）； ● 全雙工 UART 串行口； ● 低功耗支持 Idle 和 Powerdown 方式； ● Powerdown 方式支持中斷喚醒； ● 內(nèi)部集成看門狗，使用戶的應用系統(tǒng)更堅固； ● 雙數(shù)據(jù)指針； ● 上電復位標志； ● 雙數(shù)據(jù)指針式數(shù)據(jù)操作更加快捷方便； ● 較高的處理速度，最高可使用 33MHZ 的晶振頻率； ● 封裝形式為 DIP40。是一款性價比相當高的入門級單片機。 電路介紹 單片機最小系統(tǒng)包括復位電路、時鐘電路、電源三個部分組成，滿足以上三個條件單片機系統(tǒng)才能夠正常工作。本設計中由于內(nèi)部存儲區(qū)足以滿足本設計需要，因此被設計中選擇內(nèi)部存儲區(qū)域，即此時該引腳上拉（ 5V）。由于本設計中選擇的晶振頻率為 ,因此由下面計算可得： 由 頻率 ： f=； 得 周期 ： t=1/f=1/(*106)=*108S； 得機器周期： T=12t=12**108=*106S； 所以復位時間必須滿足： 3τT； 即： τT/3=*107S； 計算時間常數(shù) τ： 選擇電阻為 10KΩ，電容為 ； τ=R*C=10*103**106=1*103S； 這里 3τT,所以單片機能夠正常復位。這兩個電容的作用是上電時幫助石英晶體起振，運行時起到穩(wěn)定振蕩頻率的目的。 為使 RS485 通訊時的誤碼率為 0，顧 本設計中所選的晶體振蕩器的 頻 率為： 。 設計中使用的譯碼器的型號為： 74LS138，該芯片參數(shù)如下： ● 額定工作電壓： DC5V； ● 最大工作電流：小于等于 10mA； ● 電壓波動范圍： ~； ● 有效輸入高電平電壓：大于 2V； ● 有效輸入低電平電壓：小于 ； ● 輸出高電平電壓： 5V； ● 輸出低電平電壓：小于 ； ● 輸出高電平電流：小于等于 1mA； ● 輸出低電平電流：小于 20mA； ● 封裝形式： DIP16。 當 S1為 0 時，不論 /S2和 /S3以及 （ A0、 A A2） 為什么狀態(tài)，輸出端均為 1，當 /S2和 /S3為 1時，不論 S1以及 （ A0、 A A2） 為什么狀態(tài)，輸出端均為 1。若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時， 74LS138 還可作數(shù)據(jù)分配器。設計中三極管的型號必須為 PNP 型，這里選擇 9012 三極管來驅動數(shù)碼管。 由于驅動三極管采用 PNP 型，所以這里數(shù)碼管只能選擇共陽型。 硬件介紹 設計中使用單片機的 ～ 口作為 74LS138 的控制端，為保證 74LS138 正常工作因此這里使能控制端 SA 接 VCC， SB 和 SC接地。輸出信號與三極管之間通過 ，如下圖 24所示。 圖 25 數(shù)碼管內(nèi)部電路 模擬 原理圖 圖 26 數(shù)碼管顯示電路 RVCCDQR2Port1Port2A1B2C3SA6SB5SC4GND8Y77Y69Y510Y411Y312Y213Y114Y015VCC16U274LS1384K7R34K7R44K7R54K7R6Y0Y2Y3Y1GNDVCC_51KR13VCC_5138_A138_B138_Ca1b2c3d4e5f6g7dp8cp19cp210cp311cp412D6四位數(shù)碼管VD19012VD29012VD39012VD49012Y1 Y0Y2Y3VCC_51KR71KR81KR91KR101KR111KR12SMG_ASMG_BSMG_CSMG_DSMG_ESMG_FSMG_GSMG_DP1KR321KR33 15 數(shù)據(jù)存儲電路 參數(shù)介紹 本設計中需要存儲一些設置參數(shù)，并且需要在斷電后重新上電數(shù)據(jù)仍然存在。在本次設計中所選取的存儲芯片為：AT24C08。 主要技術參數(shù)如下： ? ● 工作電壓： ～ ； ● 最大輸出電流： 5mA； ? ● 輸入 /輸出引腳兼容 5V； ? ● 應用在內(nèi)部結構： 8kB； ? ● 通訊接口： 二線串行接口 ； ? ● 輸入引腳經(jīng)施密特觸發(fā)器濾波抑制噪聲 ； ? ● 通訊方式： 雙向數(shù)據(jù)傳輸 ； ? ● 兼容性： 兼容 400KHz（ , ） ； ? ● 支持硬