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1、簡介
給排水系統(tǒng)中有許多需要檢測水位的設(shè)施，如蓄水池、水塔、水源井、水庫和水源河流等。這些設(shè)備一般采用人工檢測方式檢測水位。隨著自動(dòng)化的發(fā)展，這些設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測功能，這就需要適用的水位變送器。目前的水位檢測技術(shù)主要有浮子式水位檢測技術(shù)、壓力式水位檢測技術(shù)、超聲波式水位檢測技術(shù)、吹氣式水位檢測技術(shù)等，它們各有優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也是明顯的，例如成本過高、普遍靠人工操作、操作過于復(fù)雜等。本文利用圓形電容器原理，結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)水位檢測裝置。該裝置*自動(dòng)，操作簡單，只要正常安裝，之后就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。后期的維護(hù)成本也較低，相對(duì)于其他檢測裝置，具有明顯的優(yōu)勢。
2.水位測量原理及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1測量原理
電容式給排水傳感器利用給排水的變化，使電容值改變的原理進(jìn)行測量。
2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電容傳感器作為555電路的槽路電容，實(shí)現(xiàn)電容的變化值和相應(yīng)頻率信號(hào)值的轉(zhuǎn)換;頻率信號(hào)通過光電耦合電路傳給單片機(jī)，單片機(jī)及其外圍電路完成頻率量的測量和給排水的計(jì)算;為了補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)電容值的影響，用DS1820 進(jìn)行溫度測量并通過單片機(jī)在軟件上做修正;zui后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在LCD上。
3電路設(shè)計(jì)
3.1電容-——頻率轉(zhuǎn)換電路
圖3.1 為一個(gè)由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器。在這個(gè)電路中，定時(shí)元件由傳感器電容C、串連電阻Ra和Rb 組成。充電時(shí)間為τ1 = （ Ra + Rb） Cln2 ;放電時(shí)間為τ2 = Rb Cln2。當(dāng)Rb>>Ra 時(shí)，τ1 近似等于τ2 ， 輸出為方波，其周期T 為：T = 2 Rb Cln2。
3.2 頻率測量電路
輸入信號(hào)通過放大整形電路形成計(jì)數(shù)的窄脈沖；晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的時(shí)基信號(hào)，經(jīng)過分頻作為雙穩(wěn)態(tài)電路的開門信號(hào)；在開門時(shí)間內(nèi)，被測信號(hào)通過閘門進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)顯示。
由于周期和頻率互為倒數(shù)，因此在測頻的原理電路中對(duì)換一下被測信號(hào)Tx和時(shí)標(biāo)信號(hào)的輸入通道就能完成周期的測量。被測信號(hào)從B輸入端輸入，經(jīng)脈沖形成電路取出一個(gè)周期的方波信號(hào)加到門控電路。
3.3 人機(jī)交互模塊一
一個(gè)測控系統(tǒng)必定需要擁有一個(gè)人機(jī)交互的模塊。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互由兩部分組成，即鍵盤輸入電路和顯示電路。
本系統(tǒng)顯示電路使用液晶。它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示7.5×2個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字。與外部CPU接口采用并行或串行方式控制。12232F是一種內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字庫和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器。
按鍵的初步設(shè)置為3個(gè)：設(shè)定按鍵（SET），設(shè)定加按鍵（UP），設(shè)定減按鍵（DOWN）。
按SET按鍵進(jìn)入給排水設(shè)定模式，可以使用+（UP）或者-（DOWNl）設(shè)置給排水直至給排水顯示正常。設(shè)定完時(shí)，按SET確定。按鍵電路如3.3.2所示：
3.4 人機(jī)交互模塊二
基于時(shí)效性和成本以及使用方便等的考慮，決定使用美國Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的C8051F410單片機(jī)。
4.軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
軟件主要由主程序、定時(shí)中斷程序、外中斷程序組成。其中主程序完成參數(shù)的初始化，中斷的管理，結(jié)果的顯示等工作。主程序流程如下：程序運(yùn)行開要初始化各種參數(shù)，可以默認(rèn)給排水設(shè)定值等，之后如果要進(jìn)入給排水設(shè)定的話就按SET按鍵進(jìn)入給排水設(shè)定模式，然后進(jìn)行比較，看當(dāng)前的給排水有沒有超過默認(rèn)的極限值，如果超過了極限值，通過按鍵UP或DOWN進(jìn)行給排水調(diào)節(jié)，直至給排水到達(dá)正常范圍；沒有超過極限值就正常顯示。
5.誤差補(bǔ)償
電容式傳感器的誤差來源主要有：電容的邊緣效應(yīng)、電纜的寄生電容和外界的溫度影響。其中主要的影響是環(huán)境溫度的變化。從式（5） 可以看出，用電容進(jìn)行測量的前提條件是被測液體的介電常數(shù)為固定值。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，常常引起介電常數(shù)的較大變化，從而導(dǎo)致較大的給排水誤差。本系統(tǒng)采用DALLAS公司的溫度檢測器件DS1820，測溫范圍為-55℃～+125℃，分辨率0.5℃，對(duì)環(huán)境溫度采集，用軟件查表修正溫度變化引起的誤差，成功消除了環(huán)境溫度的影響。
6.結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的電容給排水檢測傳感器，電容器結(jié)構(gòu)簡單，電路實(shí)現(xiàn)容易。利用程序?qū)崿F(xiàn)頻率到給排水轉(zhuǎn)換，理論可靠，推算過程合理，利用軟件修正減小了線性誤差，能夠有效、自動(dòng)地檢測水位的變化，用起來非常方便。
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