摘要：針對感應式數(shù)字水位傳感器在實際應用中遇到的輸出信號非標準信號問題，設計了一種應用于感應式數(shù)字水位傳感器的智能變送器。該智能變送器以C8051F020單片機為主控芯片，高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421輸出4～20mA電流信號，MAX485芯片實現(xiàn)RS485通信。介紹了一種集RS485通信和4～20 mA輸出的智能液位變送器，給出了具體的軟硬件設計方案，解決了原傳感器輸出信號非標準信號的問題，且增加了RS485接口。
關鍵詞：自動化儀器儀表與裝置；智能變送器；C8051F020；AD421；RS485
由于所處地理位置和氣候影響，我國是一個水旱災害頻繁的國家，尤其是洪澇災害，長期影響經(jīng)濟的發(fā)展，并給國家和人民生命財產(chǎn)造成重大損失。為了提高洪水的有效預見期，及時準確地掌握各主要河流的水位變化情況，自20世紀70年代，我國開始建設水情自動測報系統(tǒng)，特別是發(fā)展水深測量技術(shù)，主要向更可靠、更先進、更現(xiàn)代化的方向發(fā)展，這對于防汛減災和水資源的合理利用具有十分重要的意義。
水情自動測報系統(tǒng)的關鍵是水深的測量，而水深測量技術(shù)的關鍵則是傳感器，傳感器穩(wěn)定工作，準確檢測水位，并通過變送器把有效的數(shù)據(jù)傳送給觀測人員。因此傳感器能否穩(wěn)定工作、準確檢測水位、有效傳輸數(shù)據(jù)則成為水情自動測報的關鍵。
目前應用較多的浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等都有一定的局限性。近年來，太原理工大學測控技術(shù)研究所在智能傳感器、新型傳感器領域發(fā)展迅速，馬福昌教授成功研制發(fā)明了感應式數(shù)字水位傳感器(專利號：ZL96110735．9)，該傳感器采用數(shù)字化直接取樣的信號采樣方式，不再采用傳統(tǒng)的模擬量檢測方法，沒有模糊數(shù)據(jù)。克服了溫度、空氣壓強、電場、磁場等環(huán)境分布參數(shù)的影響，可在比較復雜的水文環(huán)境下，比如黃河泥沙量高的環(huán)境下穩(wěn)定運行，提高了檢測的準確性、可靠性，經(jīng)現(xiàn)場實驗，運行良好。
感應式數(shù)字水位傳感器在傳統(tǒng)應用中，輸出的信號是非標準的電流信號，需要配備專門的儀表進行二次處理，成本高，不便于調(diào)試組網(wǎng)，很大程度上限制了傳感器的應用。
本文根據(jù)感應式數(shù)字水位傳感器的工作原理和特點，介紹了一種智能變送器的設計方案，重點是輸出標準的電流信號(4～20 mA)和增加RS485接口。解決傳統(tǒng)應用中組網(wǎng)調(diào)試不方便的問題。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由感應式數(shù)字水位傳感器、信號調(diào)理電路、電源電路、MCU(C8051F020)最小系統(tǒng)、4～20 mA輸出(AD421)、RS-485接口(MAX485)，另外還包括PC，通過PC上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能。
感應式數(shù)字水位傳感器是按照仿生物學的思路，應用仿神經(jīng)網(wǎng)絡設計思想設計而成的。它的內(nèi)部布滿了神經(jīng)元電路板，外部由可塑性絕緣材料澆鑄而成，一般做成棒狀。傳感器由超音頻發(fā)生器和發(fā)射頭向水中發(fā)射檢測信號，由若干個取樣感應元電路通過介質(zhì)水接收檢測信號，由電容耦合檢波電路檢波后得到的信號電壓實現(xiàn)水位信號的直接取樣，成為數(shù)字取樣傳感器。它的每個神經(jīng)元電路都是以開關脈沖的形式輸出數(shù)字信號，經(jīng)過統(tǒng)計后，將開關數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號電流(非標準電流信號)方式輸出給信號調(diào)理電路進一步處理。
信號調(diào)理電路是將傳感器輸出的非標準電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，為C8051F020模數(shù)轉(zhuǎn)換做準備。經(jīng)過單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換后，可以將傳感器信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后就可以很方便地進行下面的操作：存儲水文數(shù)據(jù)、通過AD421輸出4～20 mA的標準電流信號、RS-485接口輸出等。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 信號調(diào)理電路
由于感應式數(shù)字水位傳感器輸出的是非標準電流信號，而C8051F020單片機的ADC模塊要求為電壓信號，所以需要對傳感器的輸出信號進行轉(zhuǎn)換，因此設計了信號調(diào)理電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)將傳感器輸出的0．1～16 mA電流信號轉(zhuǎn)換為1～2．4 V的電壓信號，并且可以實現(xiàn)對傳感的供電，其原理圖如圖2所示。
2．1．1 電路原理分析
從感應式數(shù)字水位傳感器的原理可以得出：流入水位傳感器的電流與水位是成線性變化的，而且當水位固定不變化時，流入水位傳感器的電流是確定值?，F(xiàn)假設水位的變化是△L，電流的變化是△I1，于是△I1=K·△L(其中K是比例系數(shù))。在分析帶有運算放大器的電路時，總是把它看成理想運放。根據(jù)理想運放的分析方法設輸出電壓變化為△Vo，則可以得到
其中
因此可以上式看出：輸出電壓的變化△Vo與水位的變化△L成正比例線性變化。其中調(diào)節(jié)電位器R6和電位器R2可以保證輸出電壓Vo在1～2．4 V范圍內(nèi)變化。R6是調(diào)節(jié)零點電位器，R2是調(diào)節(jié)滿度電位器。
2．1．2 濾波電路分析
另外，信號調(diào)理電路中還設計濾波電路，是為了濾去測量現(xiàn)場的干擾，例如電氣干擾、電磁干擾，使系統(tǒng)的信噪比增加。如圖2所示，電阻R2和電容C1組成簡單的無源RC低通濾波器。電阻R3、R7，電容C2及運放組成一階反相輸入RC有源低通濾波器，有源濾波器比無源濾波器具有更優(yōu)越的性能，提高了頻率特性值，改善了選擇性。
2．2 4～20mA輸出電路
AD421是ADI公司推出的一款單片高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，4～20 mA電流輸出，在智能儀表方面應用廣泛。AD421與單片機的連接主要有串行數(shù)據(jù)輸入端和控制端，在時鐘CLOCK作用下，輸入移位寄存器把DATA引腳上的數(shù)據(jù)逐位讀入，LATCH鎖存脈沖把寄存器中的數(shù)據(jù)鎖存到DAC中。根據(jù)其工作原理，AD421與C8051F020芯片的接口電路如圖3所示。AD421的數(shù)據(jù)接口和單片機P3．0口相連，用來接收16位的串行數(shù)據(jù)。單片機P3．6口用來產(chǎn)生時鐘信號，而P3．5口用來產(chǎn)生鎖存信號。在實際應用中，為了保證信號的傳輸，一般要在單片機和AD421之間加入隔離器件，實現(xiàn)通訊的隔離，常用的方法有使用ADI推出的ADUM系列隔離器件，比如ADuM 1310，或者使用光耦。在這里，采用光耦來實現(xiàn)通訊的隔離。
2．3 RS485接口電路
單片機C8051F020的P2．0、P2．1及P3．7通過MAX485與PC機相連，進行串行通信，如圖4所示。P3．7控制MAX485的狀態(tài)，接收或發(fā)送，用軟件控制。P2．1為單片機的串行輸入端，接收PC機通過MAX485向單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)，P2．0為單片機的串行輸出端，通過MAX485發(fā)送給PC機。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)采用C8051F020單片機為核心處理器件，把經(jīng)過調(diào)理電路處理的感應式數(shù)字傳感器的電流信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字化，存入單片機內(nèi)部存儲器，并轉(zhuǎn)化為16位的數(shù)字信號，一路送AD421轉(zhuǎn)化為4～20 mA標準電流信號，進行傳輸或控制；另外一路通過MAX485，在上位機查詢命令到達的時候發(fā)送上位機，實現(xiàn)實時的監(jiān)控。本傳感器變送器系統(tǒng)軟件包括以下幾個部分：主程序、AD采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、AD421轉(zhuǎn)化子程序、MAX485通信子程序，另外，根據(jù)需要可以加入報警子程序和其他的輔助程序等。整個系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。
4 結(jié)論
該系統(tǒng)在進行了各個部分的仿真及電路板搭建試驗后，實驗證明是可行的，可以實現(xiàn)原傳感器的改進和升級，增強了原有傳感器的功能，節(jié)約了成本，組網(wǎng)更加方便。
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