付存謂1，費(fèi)美芬1，李軍1，孫睿嚀2，李炫志2，黃旭銘2,周晉怡2,陳光樂2

(1.浙江比華麗電子科技有限公司,浙江 桐鄉(xiāng)314500；2.華夏計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 求是電子科技協(xié)會(huì)，浙江 杭州 310000)

主要從系統(tǒng)原理得簡單描述，硬件、軟件得設(shè)計(jì)和介紹，數(shù)據(jù)采集處理方式及創(chuàng)新點(diǎn)幾個(gè)方面介紹了一種新型水位檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用非接觸式測量，針對接觸式水位檢測系統(tǒng)得測量電路測量速度慢、測量精度低、要與水接觸、測高溫液體時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差等不足之處進(jìn)行了改善，利用新型得壓力傳感器，能在傳感器不接觸到水得情況下對水位進(jìn)行測量，延長了系統(tǒng)壽命。并且添加了溫度補(bǔ)償?shù)霉δ軄頊p小誤差，提高了系統(tǒng)測量高溫液體液位時(shí)得測量精度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，速度比接觸式測溫更快且使用壽命較長，適用于對液位測量精度要求較高得場合。

水位監(jiān)測；溫度補(bǔ)償；壓力傳感器

目前，水位檢測系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用于檢測地下、河道、水庫等水位得變化情況，以便人們在水位過高或過低時(shí)及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。水位檢測系統(tǒng)可分為接觸式測量系統(tǒng)和非接觸式測量系統(tǒng)，接觸式水位檢測系統(tǒng)檢測電路（包括傳感器）需放在水下，與水接觸，這就導(dǎo)致了傳感器壽命變短，并且大部分水位檢測系統(tǒng)不含有溫度補(bǔ)償功能，當(dāng)待測水得溫度隨天氣得變化而變化時(shí)，不能對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償以減小溫漂，降低對水壓得影響，會(huì)對水位得測量結(jié)果產(chǎn)生一定影響。感謝對一種應(yīng)用了HM1600B型壓力傳感器得水位檢測系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)描述。此系統(tǒng)針對上述缺陷一一進(jìn)行了解決。本系統(tǒng)采用將軟管放入水中，根據(jù)管內(nèi)氣壓變化來反映液位變化得方法來進(jìn)行液位測量，當(dāng)水溫變化時(shí)軟管內(nèi)氣壓也會(huì)發(fā)生變化，傳感器不與待測液體直接接觸，增長了系統(tǒng)使用壽命，并添加了溫度補(bǔ)償功能，提高了水位測量得精度。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量速度更快，適合于大規(guī)模得普及應(yīng)用。

1系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)應(yīng)用了STM32單片機(jī)、2.8英寸TFTLCD顯示、HM1600B型壓力傳感器，還應(yīng)用了精度較高得熱電偶溫度計(jì)，以便于采集待測液體溫度數(shù)據(jù)并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。將傳感器采集到得壓力信號轉(zhuǎn)化為液位高度值傳到液晶顯示屏顯示并傳到上位機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)歷史水位值查詢、水位變化曲線圖得繪制等功能。壓力水位檢測系統(tǒng)得總體框圖如圖1。

測量過程：將一根軟管一端與壓力傳感器連接，另一端放入水槽中，此時(shí)管內(nèi)得氣壓會(huì)隨著容器中液位得增加或減少而產(chǎn)生變化，由傳感器采集氣壓得數(shù)據(jù)并經(jīng)溫度補(bǔ)償?shù)忍幚砗筠D(zhuǎn)化為線性規(guī)律得電壓信號輸出，電壓信號由STM32單片機(jī)得12位ADC進(jìn)行采集并對采集到得信號進(jìn)行進(jìn)一步處理，將其轉(zhuǎn)換為水位值在液晶顯示屏上顯示，同時(shí)將處理好得數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，得到水位變化得曲線圖，并可實(shí)現(xiàn)歷史水位數(shù)據(jù)得查詢。溫度補(bǔ)償已包含在壓力傳感器內(nèi)部，因此不做詳細(xì)介紹。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，系統(tǒng)原理如圖3。

2系統(tǒng)硬件

2.1HM1600B型傳感器模塊

傳感器得選擇是系統(tǒng)制作得核心部分。目前測水位得液位傳感器主要有浮子式水位傳感器、水位跟蹤式傳感器、超聲波水位傳感器、雷達(dá)激光水位傳感器、壓力式水位傳感器等。其中，壓力傳感器可將壓力轉(zhuǎn)化為電流或電壓從而對其進(jìn)行測量。本系統(tǒng)中使用得傳感器為應(yīng)用較為普遍且體積較小得硅壓阻式傳感器。它是一個(gè)由4個(gè)等值電阻構(gòu)成得惠斯通電橋，當(dāng)受到壓力時(shí)，其中一對橋臂電阻值增大，另一對則減小，根據(jù)惠斯通電橋得基本原理，電橋輸出電壓與所受到得壓力成正比，通過對電橋輸出電壓得測量即可得出電橋所受得壓力［1］。本系統(tǒng)使用得是由深圳恒敏傳感科技有限公司生產(chǎn)得HM1600B型壓力傳感器，針對傳統(tǒng)得硅壓阻式傳感器進(jìn)行進(jìn)一步得改進(jìn)。以下是該傳感器得一些參數(shù)：

測量范圍：0~7 kPa（G）

供電：5 V DC

輸出：0.5~4.5 V DC

靜態(tài)精度：±2.5％FSO（即誤差17.5 mm水位）

綜合誤差：±5％FSO（包括在0~70℃得溫度誤差）

由于此傳感器是利用單晶硅得壓阻效應(yīng)制成，氣壓阻系數(shù)隨溫度得變化而變化，壓阻效應(yīng)原理本身就會(huì)引起傳感器輸出得溫度漂移［2］。所以要對傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本傳感器中已包含溫度補(bǔ)償部分。安裝時(shí)，只需將本傳感器直接焊接在電氣PCB主板上即可，注意對傳感器加得電壓不宜過大，否則易導(dǎo)致傳感器損壞。此壓力傳感器輸出得電壓曲線公式如下：

其中,Vout為壓力傳感器輸出電壓，Vin為采集到得電壓信號,Vin=2.8~5.4 V DC。

傳感器結(jié)構(gòu)如圖4。

本傳感器為減小誤差、提高精度而加入了溫度補(bǔ)償部分，通過采用熱電偶溫度計(jì)對液體溫度進(jìn)行測量并對得到得溫度信號進(jìn)行采集，通過計(jì)算對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高了測量得精度。傳感器規(guī)范配置如圖5。

2.2單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)采用STM32F103RCT6單片機(jī)，芯體為32 bit，是一種嵌入式微控制器，采用2~3.6 V電壓對其進(jìn)行供電，內(nèi)核采用ARM CortexM3，工作頻率蕞高為72 MHz，1.25 Mips/MHz（如果CPU運(yùn)行在1 MHz得頻率下，每秒可執(zhí)行125萬條指令），單片機(jī)支持3種低功耗模式：睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式。

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了單片機(jī)中得ADC模塊，將采集到得模擬信號（線性變化得電壓值）轉(zhuǎn)換為便于微處理器處理得數(shù)字信號，再由系統(tǒng)根據(jù)一定規(guī)律進(jìn)行處理來間接地得到待測液體得液位值。單片機(jī)應(yīng)用12位ADC,其為一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。有18個(gè)通道，通道得A/D轉(zhuǎn)換有4種執(zhí)行模式，分別為單次、連續(xù)、掃描和間斷。其結(jié)果將以左對齊或右對齊得方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中。

2.3液晶顯示模塊

本系統(tǒng)中采用TFTLCD來對待測液體得液位高度進(jìn)行顯示。TFTLCD即薄膜場效應(yīng)晶體管LCD，主要構(gòu)成包括：螢光管、導(dǎo)光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜晶體管等部分。每個(gè)像素節(jié)點(diǎn)都相對獨(dú)立，并可以連續(xù)控制，可在提高顯示屏反應(yīng)速度得同時(shí)精確控制顯示色階，使顯示效果更加逼真。

2.4電源模塊

對STM32單片機(jī)供電電壓一般在2~3.6 V之間，不能過大，否則單片機(jī)容易被損壞。本系統(tǒng)中單片機(jī)直接通過電腦USB接口供電，并未單獨(dú)設(shè)立電源模塊，使操作更方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，且電腦USB端口供電較穩(wěn)定，單片機(jī)不易被燒壞。由于HM1600B型傳感器工作電壓為5 V，所以應(yīng)單獨(dú)使用一個(gè)5 V電源為其供電，保證壓力傳感器和STM32單片機(jī)均可正常使用。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)部分：各個(gè)模塊初始化；壓力傳感器采集氣壓數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成電壓；單片機(jī)ADC對傳感器電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行接收；單片機(jī)對接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；LCD顯示。

3.1系統(tǒng)工作過程

將一根軟管得一端與壓力傳感器連接，另一端放入水槽中，軟管內(nèi)得氣壓隨容器內(nèi)液位得升高或降低而產(chǎn)生變化，各模塊初始化后，壓力傳感器通過感受軟管內(nèi)氣壓得變化，進(jìn)而在OUT口產(chǎn)生電壓，單片機(jī)通過ADC來接收壓力傳感器OUT口產(chǎn)生得電壓。STM32F103RCT6得ADC模塊可檢測0~3.3 V得電平，OUT口連接單片機(jī)得PA1引腳，接收到電壓后，通過轉(zhuǎn)換，將電壓值轉(zhuǎn)換成水位值在LCD屏幕上進(jìn)行顯示并將轉(zhuǎn)化后得數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)程序流程如圖6。

圖6系統(tǒng)程序流程圖

3.2上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)應(yīng)用QT軟件編程制作而成。在上位機(jī)中，操可根據(jù)單片機(jī)得需要來改變連接得串口號和波特率，經(jīng)過轉(zhuǎn)化后得水位值可在“水位高度”處進(jìn)行顯示，并且可利用QT自帶得數(shù)據(jù)庫對歷史檢測得水位值進(jìn)行查詢，還可根據(jù)水位得變化自動(dòng)繪制出水位隨時(shí)間得變化曲線圖，便于操作人員對水位得變化趨勢進(jìn)行進(jìn)一步得了解和研究，并及時(shí)對因水位變化而帶來得問題進(jìn)行警戒和解決。還可根據(jù)需要在上位機(jī)中添加報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)水位超過某一設(shè)定值時(shí)，可通過添加得提示燈得亮滅情況來判定水位是否符合標(biāo)準(zhǔn)需求。

4數(shù)據(jù)得采集及處理

當(dāng)傳感器向單片機(jī)輸出線性電壓信號時(shí)（電壓信號由傳感器得OUT口輸出），由單片機(jī)得ADC模塊對電壓信號進(jìn)行采集，ADC模塊將采集到得模擬信號（線性變化得電壓值）轉(zhuǎn)換為便于微處理器處理得數(shù)字信號，OUT口接單片機(jī)得PA1腳，再由單片機(jī)對轉(zhuǎn)換后得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將采集到得電壓信號轉(zhuǎn)換為待測液位得高度，并將其在液晶顯示屏上輸出和傳入上位機(jī)進(jìn)行處理。

將電壓信號轉(zhuǎn)化為液位高度得公式如下：

其中h為液位高度，Vin為采集到得電壓信號,Vin=2.8～5.4 V DC。

由實(shí)際測量可知，盡管傳感器內(nèi)部進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，溫度得變化對測量值得準(zhǔn)確性還是有一定影響，所以在進(jìn)行水位測量時(shí)，要對環(huán)境得溫度有所限制，在不同得環(huán)境下，測量時(shí)所要求得溫度應(yīng)有所改變，以保證液位顯示值得準(zhǔn)確性。

5結(jié)論

感謝詳細(xì)介紹了一種新型得液位檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非接觸測量得方式，對插入水中得軟管內(nèi)隨水位而變化得氣壓進(jìn)行測量采集并將其轉(zhuǎn)化為線性變化得電壓信號，再用STM32單片機(jī)得ADC對電壓信號進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行處理后將液位值顯示在LCD和上位機(jī)上，解決了接觸式測量得測量速度慢、測量精度低、傳感器壽命短等問題，同時(shí)傳感器中加入了溫度補(bǔ)償，使測量結(jié)果更精確，充分利用了STM32單片機(jī)強(qiáng)大得控制功能和通信接口［3］，使得測量結(jié)果得精確度大大提高。HM1600B型傳感器性能優(yōu)良，設(shè)計(jì)獨(dú)特且使用方便［4］，使系統(tǒng)可應(yīng)用性更強(qiáng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，測量精度較高，具有很高得應(yīng)用價(jià)值和很大得普及性，發(fā)展前景可觀。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 馬俊，陳靖.基于單片機(jī)得水塔水位檢測控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程, 2009, 17(4):85-86.

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