1、1给排水系统中水位检测技术的研究摘要：水位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的给排水检测传感器较多，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。但技术普遍落后或者操作复杂，本文利用圆形电容器原理，结合单片机设计出一种自动水位检测装置。 关键词：给排水系统；电容器；单晶片；检测技术 Abstract: water level detection in many control field is a common, various types of water supply and drainage detection sensor is more, according to the pri
2、nciple of a float type, pressure points type, ultrasonic type, blowing type, etc. But the technology behind common or complex operation, this paper using circular capacitor theory, combined with the SCM design a kind of automatic water level detection device. Keywords: water supply and drainage syst
3、em; Capacitor; Single crystal slices. Detection technology 中图分类号：S276 文献标识码：A 文章编号： 1.前言 给排水系统中有许多需要检测水位的设施，如蓄水池、水塔、水源2井、水库和水源河流等。这些设备一般采用人工检测方式检测水位。随着自动化的发展，这些设备必须实现自动检测功能，这就需要适用的水位变送器。目前的水位检测技术主要有浮子式水位检测技术、压力式水位检测技术、超声波式水位检测技术、吹气式水位检测技术等，它们各有优点，但缺点也是明显的，例如成本过高、普遍靠人工操作、操作过于复杂等。本文利用圆形电容器原理，结合单片机设计出一
4、种自动水位检测装置。该装置完全自动，操作简单，只要正常安装，之后就能实现自动控制。后期的维护成本也较低，相对于其他检测装置，具有明显的优势。 2.测量原理及硬件系统设计 2.1 测量原理 电容式给排水传感器利用给排水的变化，使电容值改变的原理进行测量。 电容式给排水计基本计算公式如下： 式中：C电容值 液体电介系数 H浸没深度，即给排水 D外极管内径 d极管外径 由（1）式可得： 3当 D、d、均为常数时， 可得 其中 这样建立起 H，C 之间的理论线性关系。 2.2 硬件系统设计 电容传感器作为 555 电路的槽路电容，实现电容的变化值和相应频率信号值的转换;频率信号通过光电耦合电路传给单片
5、机，单片机及其外围电路完成频率量的精确测量和给排水的计算;为了补偿环境温度对电容值的影响，用 DS1820 进行温度测量并通过单片机在软件上做修正;最后的实验结果显示在 LCD 上。 3 电路设计 3.1 电容-频率转换电路 图 3.1 为一个由 555 定时器构成的多谐振荡器。在这个电路中，定时元件由传感器电容 C、串连电阻 Ra 和 Rb 组成。充电时间为 1 = ( Ra + Rb) Cln2 ;放电时间为 2 = Rb Cln2。当 RbRa 时，1 近似等于 2 ， 输出为方波，其周期 T 为： T = 2 Rb Cln2 图 3.1 电容频率转换电路 555 电路的输出频率的周期与
6、电容量成正比。无液体时电容量为 C0 ，则输出频率的周期 T0 为： T0 = 2 R2C0ln2 4那么所求电容值 Cx 为： 从上式可以看出，由于 T0 、R2 都是不变的，输出信号 U0 的周期与被测电容 Cx 为线性关系。 3.2 频率测量电路 输入信号通过放大整形电路形成计数的窄脉冲；晶体振荡器产生高稳定度的时基信号，经过分频作为双稳态电路的开门信号；在开门时间内，被测信号通过闸门进入计数器计数显示。若闸门开启时间为 Tc、输入信号频率为 fx，则计数值为 由于周期和频率互为倒数，因此在测频的原理电路中对换一下被测信号 Tx 和时标信号的输入通道就能完成周期的测量。被测信号从 B 输
7、入端输入，经脉冲形成电路取出一个周期的方波信号加到门控电路。若时标信号周期为 T0，计数器读数为 N，被测周期的表达式应为： 3.3 人机交互模块一 一个测控系统必定需要拥有一个人机交互的模块。本系统设计的人机交互由两部分组成，即键盘输入电路和显示电路。 本系统显示电路使用液晶。它主要由行驱动器/列驱动器及 12832全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示 7.52 个(1616 点阵)汉字。与外部 CPU 接口采用并行或串行方式控制。12232F是一种内置 8192 个 16*16 点汉字库和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集图形5点阵液晶显示器。 按键的初步设置为 3
8、 个：设定按键（SET） ，设定加按键（UP） ，设定减按键（DOWN） 。 按 SET 按键进入给排水设定模式，可以使用+（UP）或者-（DOWNl）设置给排水直至给排水显示正常。设定完时，按 SET 确定。按键电路如3.3.2 所示： 3.4 人机交互模块二 基于时效性和成本以及使用方便等的考虑，决定使用美国 Silicon Laboratories 公司生产的 C8051F410 单片机。跟据选用的作为主控单元的 C8051F410 单片机的功能及特点，在本系统中其 I/O 引脚定义及功能如图 3.4 所示： 图 3.4 单片机部分电路 端口分布如下：P1 口接液晶接口和声光报警，P0
9、口作为作为按键输入端。 3.5 人机交互模块三 电源使用线性电源，因为本系统的功耗不大，并且开关电源的设计很复杂。电源电路如图 3.5.1 下： 图 3.5.1 电源电路 6本设计采用声光报警：当水位低于 10%或高于 90%报警输出，泵启动5 分钟水位低于 30%报警。 给排水显示正常时，LED 为绿色：反之，当给排水超出正常范围，LED 会显示红色，并报警。 4.软件系统的设计 软件主要由主程序、定时中断程序、外中断程序组成。其中主程序完成参数的初始化，中断的管理，结果的显示等工作。主程序流程如下：程序运行开要初始化各种参数，可以默认给排水设定值等，之后如果要进入给排水设定的话就按 SET
10、 按键进入给排水设定模式，然后进行比较，看当前的给排水有没有超过默认的极限值，如果超过了极限值，通过按键 UP 或 DOWN 进行给排水调节，直至给排水到达正常范围；没有超过极限值就正常显示。 5.误差补偿 电容式传感器的误差来源主要有：电容的边缘效应、电缆的寄生电容和外界的温度影响。其中主要的影响是环境温度的变化。从式(5) 可以看出，用电容进行测量的前提条件是被测液体的介电常数为固定值。当环境温度变化时，常常引起介电常数的较大变化，从而导致较大的给排水误差。本系统采用 DALLAS 公司的温度检测器件 DS1820，测温范围为-55+125，分辨率 0.5，对环境温度采集，用软件查表修正温
11、度变化引起的误差，成功消除了环境温度的影响。 6.结论 本文设计的电容给排水检测传感器，电容器结构简单，电路实现容7易。利用程序实现频率到给排水转换，理论可靠，推算过程合理，利用软件修正减小了线性误差，能够有效、自动地检测水位的变化，用起来非常方便。 参考文献： 1周兴鹏.检测系统设计M.南京：东南大学出版社，1998 2阮亚婕.智能电容式给排水计系统设计.仪表技术，2002.6 3鲍芳.王春茹.新型单片机频率测量系统的研究J.微机与应用，2001 4孙汉旭.胡旭辉. 超声波波位检测装置的研究.电子产品开发与创新，2004.17（2） 5龙北生.任庆凯. 电容式智能温度仪的硬件设计J.长春工程学院学报，2001，2 (1) 6黄长艺.卢文祥，熊诗波.机械工程测量与试验技术.机械工业出版社，2004，2：79-82 7马志敏.大型压力容器定点液位的超声非介入式检测.无损检测，2003；25（12）.
