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利用傳感器設(shè)計的無線水位檢測系統(tǒng)

時間：2021-03-23 點擊次數(shù)：

目前市場上有傳感器設(shè)計的無線水位檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無線通信模塊、電源模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、上位機模塊組成，實現(xiàn)水位無線檢測、運行故障報警等功能，配備顯示接口，對整個開發(fā)系統(tǒng)具有可視化和實時性的雙重要求。

近年來，隨著我國地質(zhì)勘探水平的不斷提高，水位檢測、溫度檢測、金屬含量檢測等技術(shù)日趨成熟。但在具體工程應(yīng)用中，需要考慮很多因素。根據(jù)地質(zhì)勘探隊在勘探礦井等自然環(huán)境惡劣、不適合機動車輛進入和工作人員長期停留的情況，提出了無線遠程檢測方法。單晶硅經(jīng)常用于檢測系統(tǒng)。因為這種傳感器是由單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的，壓阻系數(shù)隨著溫度的變化而變化。壓阻效應(yīng)原理本身可以導(dǎo)致傳感器輸出的溫度漂移。此外，半導(dǎo)體敏感元件的制造過程也會帶來傳感器的整體溫度漂移，這就需要一套有效的方法來解決容易受溫度影響的缺陷。因此，提出了一種基于拉格朗日插值的補償方法，大大提高了檢測的可靠性。上位機顯示界面采用LabVIEW8.5設(shè)計，界面友好，易實時存儲報警。

水位檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

水位檢測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，包括無線通信模塊、信號采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、供電模塊等。

該系統(tǒng)以顯示終端控制器為主機，信號采集終端控制器為從機。主機發(fā)送開始信號，并通過無線廣播傳輸給從機。從機器接收信號后，開始數(shù)據(jù)采集，通過阻抗轉(zhuǎn)換(電壓跟蹤)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?2bit精度的AD574進行AD轉(zhuǎn)換，然后AVR16利用拉格朗的日插值原理進行數(shù)據(jù)處理，然后通過Max232將這些信號傳輸上位機LabVIEW進行實時顯示。

水位檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

其結(jié)構(gòu)和性能特點:

使用新的AVR高級單片微處理器。其主要優(yōu)點是芯片本身有16KBFLASH程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、門狗電路、8通道10bitA/D轉(zhuǎn)換的SPI同步串口、UART異步串口，在軟件上有效支持c語言和編輯語言。

AD模塊。

采用單片高速12bit對比A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極電路組成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外部元件少、功耗低、精度高的特點，具有自動校準和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外部少量阻力容器即可形成完整的A/D轉(zhuǎn)換器。其主要功能特點是分辨率為12bit，非線性誤差小于1/2LBS或1LBS，轉(zhuǎn)換速度為25μs，模擬電壓輸入范圍為0V~10V，0V~20V。

電源模塊

另外，還要求電源尺寸盡可能小，可將電源部分與AVR系統(tǒng)中的控制和驅(qū)動部分放置在同一個控制盒中。整體電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，各輸出相互氣隔離，要求控制電源的主輸出功率大，穩(wěn)定精度5%，各輸出功率小，穩(wěn)定精度10%。

無線通信模塊。

采用先進的單片機技術(shù)、無線射頻技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)和語音處理技術(shù)設(shè)計的雙向數(shù)據(jù)傳輸和低功耗模塊化廣播。它具有頻點調(diào)節(jié)、帶寬調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)、多通道調(diào)節(jié)、高編碼效率和高接收靈敏度的優(yōu)點，提供RS-232、RS-485和TTL3種數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)采用該設(shè)備，可以滿足泵房供水遙控的需要。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)C22-CH選擇RS-232數(shù)據(jù)接口。

鍵盤模塊和顯示模塊。

通過鍵盤模塊設(shè)置實際的大氣壓和水的密度、訪問數(shù)據(jù)的時間間隔等系統(tǒng)的動作參數(shù)，將這些動作參數(shù)存儲在設(shè)備中，下次使用時用戶無需再次輸入這些參數(shù)，因此深水水位檢測系統(tǒng)具有記憶功能。使用PC機實時顯示水位，在正常運行時顯示水位、溫度、電源供電狀況、串行使用、波特率設(shè)定狀況。發(fā)生故障時，通過模塊化顯示，例如AD模塊是否工作，電源模塊是否供電，通信模塊是否正常等，錯誤時進行維護，串行線接觸不良時采用聲音警報，注意連接。

水位檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

主程序設(shè)計系統(tǒng)。

水位測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計理念，通過c語言編程實現(xiàn)。該軟件的各功能模塊通過入口和出口參數(shù)相互連接，可以縮短開發(fā)周期。

數(shù)字廣播參數(shù)設(shè)置。

數(shù)字化傳輸廣播的參數(shù)設(shè)置包括地址碼，版本號，功率等級，通道選擇，空中波特，串行波特，數(shù)據(jù)位，檢測方式，頻率轉(zhuǎn)換模式，帶寬等參數(shù)設(shè)置。

資料處理采用拉格朗日插法。

壓力傳感器的測量精度在很大程度上受非線性和環(huán)境溫度的影響，如何補償傳感器產(chǎn)生的誤差成為設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于硬件，一般的補償方法是糾正橋梁電阻的差異，以及橋梁臂電阻的漏電流和裝配應(yīng)力。但由于其外部元件較多，穩(wěn)定性差，精度低，在復(fù)雜條件下難以達到預(yù)期效果。由于微處理器技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，通過設(shè)計軟件算法實現(xiàn)傳感器工作特性的自動補償已成為可能。本設(shè)計著重分析了單晶硅壓力傳感器工作特性曲線的變化，并提出了一種修正誤差的軟件算法，可確保傳感器在較寬的溫度范圍內(nèi)幾乎不變，并可廣泛應(yīng)用于其它壓力傳感器的補償設(shè)計。

隨著壓力的增加，電壓逐漸增加。

測試環(huán)境：

(1)將探針連接到300m鎧裝電纜上，放入室外5m深鐵管中，環(huán)境適宜。

(2)廣播測試采用12VDC電源，廣播功率5W，實驗距離1000m，廣播2天線高度保持在3.4m。

這樣的話，就會出現(xiàn)以下問題：

有時電路接觸不可靠，微處理器復(fù)位，死機，外殼漏電。

(2)上位機顯示信號抖動，嚴重失真。

(3)無線通信信號質(zhì)量差。

針對上述問題，提出了以下解決方案:

(1)針對電路接觸不可靠的問題，采用印刷電路板代替銅模試驗板，在印刷電路板的制造過程中采取抗干擾措施，如布線時盡可能寬的電源線和接地線；數(shù)字化和模擬分布線；合理配置耦合容器；電路板覆蓋銅等。

(2)針對微處理器死機、復(fù)位等問題，采取硬件與軟件相結(jié)合的抗干擾措施。采用光電隔離技術(shù)的硬件；在軟件上設(shè)置標記；關(guān)鍵出口驗證；指令冗余技術(shù)用于通信指令等重要指令；在RAM上設(shè)置電源復(fù)位標記。

針對不潔凈電源與電源之間的相互干擾，采用開關(guān)電源分別供電的方式。