【正文】 前國外智能儀表占據(jù)了國際應(yīng)用市場(chǎng)的絕大比重， 但價(jià)格一般都比較昂貴，性價(jià)比并不是很高，不適 用 于普遍應(yīng)用。 液位傳感器的 分類 當(dāng)前市場(chǎng)上所能夠看到的液位傳感器種類繁多，測(cè)試原理不同測(cè)試方法也不盡相同。 按液位傳感器轉(zhuǎn)換過程中的能量關(guān)系分類，可分為能 量 轉(zhuǎn)換型和能 量 控制型。 按液位傳感器轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)型是依靠液位傳感器結(jié)構(gòu)變化來實(shí)現(xiàn)參數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)， 數(shù)字式液位 傳感器輸出直接為數(shù)字量 信號(hào) 。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(yīng)該具備學(xué)習(xí)、通訊等功能，具有精度高、性能價(jià)格比高、使用方便等特點(diǎn)。 根據(jù)使用場(chǎng)合的不同可以選擇 不同原理 類型 的液位傳感器 進(jìn)行安裝。液位傳感器產(chǎn)品達(dá)到 10大類、42 小類、 6000 多個(gè)品種，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，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(shì)明顯，國內(nèi)外企業(yè)綜合實(shí)力懸殊，這是因?yàn)槲覈a(chǎn)企業(yè)規(guī)模小，人才短缺、研發(fā)能力弱，最關(guān)鍵的還是技術(shù)，難與國外企業(yè)抗衡。 (2)在設(shè)計(jì)、可靠性、封裝等方面，缺 乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在接口、深刻蝕、高溫歐姆接觸、高可靠 MEMS 封裝、快速測(cè)試、高仿真模擬等技術(shù)方面尚未取得突破性進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證 。 由此可見，液位傳感器在我國近階段有很不錯(cuò)的發(fā)展前景，但單單從技術(shù)方面來將還并不是很成熟，還有待于進(jìn)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(guān)內(nèi)部， 此時(shí)液位管內(nèi)液位的高度和待測(cè)容器內(nèi)液位的高度相同。 該高度即為待測(cè)容器液位的高度。 由于采樣器件輸出的信號(hào)為模擬量（電壓信號(hào)），因此這里還需要增加 A/D 轉(zhuǎn)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(shí)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(shè)計(jì)為 4 位數(shù)碼管，采用單片機(jī)連接譯碼器，由譯碼器來控制三極管，有三極管來驅(qū)動(dòng) 4 位數(shù)碼管，并控制其亮暗。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 CAT24WC08 是一個(gè) 8K 位串行 CMOS E2PROM 內(nèi)部含有 512 個(gè) 8 位字節(jié) CATALYST 公司的先進(jìn) CMOS 技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗 CAT24WC01 有一個(gè) 8 字節(jié)頁寫緩沖器CAT24WC08 有一個(gè) 16 字節(jié)頁寫緩沖器該器件通過 I2C 總線接口進(jìn)行操作有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能 。 A/D轉(zhuǎn)換模塊 本設(shè)計(jì)中采用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片為 AD7705， AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位轉(zhuǎn)換器。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它采用三線串行接口 , 有兩個(gè)全差分輸入通道 , 能達(dá)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(shè)定 , 還可選擇輸入模擬緩沖器 , 以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。 3 V 電壓時(shí) , 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(shè)計(jì)之初筆者查詢了許多相關(guān)資料，對(duì)于液位傳感器的設(shè)計(jì)原理和方法有很多；如接觸式、非接觸式、紅外檢測(cè)、浮子檢測(cè)、超聲波檢測(cè)等等。這樣做的目的是：首先采樣器件（稱重傳感器）成本相對(duì)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(xué)性質(zhì) 對(duì)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(duì)傳感器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 本設(shè)計(jì)中不涉及遙控器的設(shè)計(jì)， 本設(shè)計(jì)中所使用的遙控器 由市場(chǎng)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(shè)計(jì)中著重介紹。 該傳感器頻率信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生，由單片機(jī) I/O口輸出，考慮到外接存在的各種干擾信號(hào)，因此在信號(hào)輸出級(jí)采用光電隔離的方式，從而保證外界的干擾信號(hào)對(duì)傳感器內(nèi)部系統(tǒng)不會(huì)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(hào)傳輸，因此有較遠(yuǎn)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(fù)的后果。為降低整機(jī)工作的功耗，在報(bào)警狀態(tài)下采用聲光交替形式，即蜂鳴器工作時(shí)發(fā)光二極管不工作，蜂鳴器不工作時(shí)發(fā)光二極管工作，有效的降低了整機(jī)功耗。以免影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作或工作處于臨界點(diǎn)?？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(jī)系統(tǒng)和外界輸出接口處也加以隔離，以達(dá)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(shí)時(shí)地顯示被測(cè)容器內(nèi)當(dāng)前液位的高度，具有液位高于上限設(shè)定值報(bào)警和低于下限設(shè)定值報(bào)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(chǔ)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(chǔ)的內(nèi)容。這個(gè)功能主要是方便工程維護(hù)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(chǎng)問題而設(shè)。以上三點(diǎn)均是數(shù)碼管比液晶或其他屏所具有的優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中考慮使用數(shù)碼管顯示。為節(jié)省單片機(jī)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(hào)將需要 4個(gè) I/O口，采用譯碼器后位選信號(hào)僅需要 3個(gè) I/O口，這樣就可以節(jié)省出一個(gè) I/O 口做其他用途。這里就需要用到 A/D轉(zhuǎn)換器， 本設(shè)計(jì)中采用 AD7705 芯片來完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能， AD7705 是 AD 公司新推出的 16 位轉(zhuǎn)換器。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它采用三線串行接口 , 有兩個(gè)全差分輸入通道 , 能達(dá)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(shè)定 , 還可選擇輸入模擬緩沖器 , 以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。 3 V 電壓時(shí) , 最大功耗為 1 mW , 等待模式下電源電流僅為 8uA。報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)給出，用三極管來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管。 頻率輸出由內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，由 I/O口輸出。在光耦的輸出端加一個(gè)上拉電阻，保證頻率輸出由足夠的功率，便于遠(yuǎn)距離傳輸頻率信 號(hào)不至于衰減的過多，從而使下級(jí)設(shè)備能夠正常讀取頻率輸出值。同時(shí)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(chǎng)查找原因和解決問題。該芯片同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠很好地濾除干擾信號(hào)。 考慮到總線上有可能會(huì)出現(xiàn)不可知的干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾，使單片機(jī)系統(tǒng)誤工作或無法正常工作，因此在單片機(jī)系統(tǒng)與總線芯片之間增加光耦以達(dá)到光電隔離的目的，避免干擾信號(hào)經(jīng)總線電路進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。 在一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)中，電源模塊起到至關(guān)重要的作用，因?yàn)殡娫茨K的帶載能力和輸出文波直接影響到單片機(jī)系統(tǒng)工作 的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)一定要避免以上不良影響。 本設(shè)計(jì)中需要 5V和 6V 和 12V三個(gè)電壓等級(jí)的直流電壓，考慮到現(xiàn)場(chǎng)一般只有交流 220V和交流 380V 電壓，為方便使用這里需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換；首先需將 220V 交流電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dòng)，還需要增加濾波電容。到此三種不同等級(jí)的電壓均以獲得。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在 12V直流電壓的輸出端需要增加 12V 轉(zhuǎn) 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(shí)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(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 由于數(shù)字信號(hào)在數(shù)據(jù)處理過程中速遞比較快，有可能會(huì)對(duì)模擬信號(hào)造成干擾，是模擬信號(hào)的波形發(fā)生畸變，造成采樣不準(zhǔn)間接影響輸出值，因此在模擬信號(hào)的電源地與數(shù)字信號(hào)的電源地之間需要串聯(lián)一個(gè) 0Ω電阻，以達(dá)到單點(diǎn)接 地的目的，將數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的影響降低到最小。 ● 工作電壓 ； ● 全靜態(tài)時(shí)鐘 0到 33MHZ； ● 三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密； ● 32個(gè)可編程 I/O口線； 10 ● 3個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； ● 6個(gè)中斷源（ 2個(gè)外部中斷， 3個(gè)定時(shí)器中斷， 1個(gè)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(yīng)用系統(tǒng)更堅(jiān)固； ● 雙數(shù)據(jù)指針； ● 上電復(fù)位標(biāo)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(jià)比相當(dāng)高的入門級(jí)單片機(jī)。 電路介紹 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源三個(gè)部分組成，滿足以上三個(gè)條件單片機(jī)系統(tǒng)才能夠正常工作。本設(shè)計(jì)中由于內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)足以滿足本設(shè)計(jì)需要，因此被設(shè)計(jì)中選擇內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)域，即此時(shí)該引腳上拉（ 5V）。由于本設(shè)計(jì)中選擇的晶振頻率為 ,因此由 下面計(jì)算可得： 由 頻率 ： f=； 得 周期 ： t=1/f=1/(*106)=*108S； 得機(jī)器周期： T=12t=12**108=*106S； 所以復(fù)位時(shí)間必須滿足： 3τT； 即： τT/3=*107S； 計(jì)算時(shí)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(jī)能夠正常復(fù)位。這兩個(gè)電容的作用是上電時(shí)幫助石英晶體起振，運(yùn)行時(shí)起到穩(wěn)定振蕩頻率的目的。 為使 RS485 通訊時(shí)的誤碼率為 0，顧 本設(shè)計(jì)中所選的晶體振蕩器的 頻 率為： 。 設(shè)計(jì)中使用的譯碼器的型號(hào)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(dòng)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(dāng) S1為 0時(shí)，不論 /S2和 /S3以及 （ A0、 A A2） 為什么狀態(tài)，輸出端均為 1，當(dāng) /S2和 /S3為 1時(shí)，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(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)， 74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。設(shè)計(jì)中三極管的型號(hào)必須為 PNP 型，這里選擇 9012 三極管來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 由于驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)中使用單片機(jī)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(hào)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(chǔ)電路 參數(shù)介紹 本設(shè)計(jì)中需要存儲(chǔ)一些設(shè)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(shè)計(jì)中所選取的存儲(chǔ)芯片為：AT24C08。 主要技術(shù)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(yīng)用在內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 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（ , ） ； ● 支持硬件寫保護(hù) ； ● 高可靠性：讀寫次數(shù)： 1,