无线水位检测系统与压力传感器补偿方法的研究

     摘  要： 一种基于ATmega16和FC222-CH的无线水位检测系统。该系统由无线通信模块、电源模块、AD转换模块、上位机模块组成，实现了水位的无线检测、运行故障报警等功能，并配以自行设计的LabVIEW 8.5上位机显示界面，使整套开发系统兼备可视化与实时性的双重要求。

　　近年来，随着我国地质勘探水平的不断提高，水位检测、温度检测、金属含量检测等技术已日趋成熟。但是，当进行具体工程应用时，还需要考虑很多因素。本文根据地质勘探队在勘探矿井等自然环境恶劣、不适合机动车驶入以及工作人员长期驻留的情况，提出了无线远程检测方法。检测系统中的压力传感器多选用单晶硅压力传感器。因为此种传感器是利用单晶硅的压阻效应制成，其压阻系数随温度变化而变化，且压阻效应原理本身即可引起传感器输出的温度漂移[1]。另外，半导体敏感元件的制作工艺也会带来传感器的整体温漂，这就需要有一套行之有效的方法来解决压力传感器自身易受温度影响所带来的缺陷。于是提出了一种基于拉格朗日插值的补偿方法，大大提高了检测的可靠性。上位机显示界面采用LabVIEW 8.5设计，界面友好、易于操作，不仅能显示数据变化曲线，而且能对数据进行实时和分时存储，当发生故障时，还可以及时进行声光报警。

　　1 水位检测系统整体结构

　　水位检测系统采用了模块化设计思想,由无线通信模块、信号采集模块、AD转换模块、电源模块等组成。系统结构框图如图1所示。

　　系统以显示端控制器为主机，信号采集端控制器为从机。主机发送开始信号，通过无线电台传递给从机，从机接到信号后，开始进行数据采集，经阻抗变换(电压跟随)将采集到的数据传给12 bit精度的AD574进行AD转换，再由AVR16使用拉格朗日插值原理进行数据处理，然后经Max232把这些信号传递给上位机LabVIEW进行实时显示。

　　2 水位检测系统的硬件设计

　　2.1 Atmega16 的结构和性能特点

　　ATmega16是ATMEL公司在2002年推出的一款新型AVR高档单片微处理器。其主要优点是芯片本身自带16 KB Flash程序存储器、512 B EEPROM、1 KB SRAM 数据存储器、看门狗电路以及8通道10 bit A/D转换；附带SPI同步串口、UART异步串口，在软件上有效支持C语言和汇编语言。

　　2.2 AD模块

　　AD574A是美国模拟器件公司（Analog Devices）推出的单片高速12 bit逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。其主要功能特性：分辨率为12 bit、非线性误差小于±1/2 LBS或±1 LBS、转换速率25 μs、模拟电压输入范围0 V～10 V和0 V～20 V或0 V～±5 V和0 V～±10 V两档四种、电源电压±15 V和5 V、数据输出格式为12 bit/8 bit、芯片工作模式全速工作模式和单一工作模式。

　　2.3 电源模块

　　另外，还要求电源尺寸尽量小，能使电源部分与AVR系统中的控制与驱动部分放在同一个控制盒内。整个电路结构简单、工作可靠，各路输出之间相互电气隔离，其中要求控制电源的主输出功率大，稳压精度为±5%，用作驱动的各路输出功率较小，稳压精度为±10%。

　　2.4 无线通信模块

　　主机采用FC222-CH与从机通信。FC222-CH是深圳友讯达公司利用先进的单片机技术、无线射频技术、数字处理技术和语音处理技术设计的双向数据传输及低功耗模块化电台。它具有频点可调、带宽可调、功率可调、多信道、高编码效率、接收灵敏度高等优点，并提供了RS-232、RS-485和TTL 3种数据接口。该系统采用此设备可以满足泵房供水远程控制的需要。在该系统中FC222-CH选择RS-232数据接口。

　　2.5 键盘模块和显示模块

　　通过键盘模块设置实际大气压和水的密度、存取数据时间间隔等系统工作参数，并将这些工作参数存储于Atmega16的EEPROM中，下次使用时，无需用户再次输入这些参数，从而使深水水位检测系统具有记忆功能。采用PC机进行水位实时显示，正常运行时显示水位、温度、电源供电情况、串口使用以及波特率的设置情况。发生故障时以模块化进行显示，如AD模块是否工作、电源模块是否供电、通讯模块是否正常等，以便于在出错的情况下进行维修，并且在串口线接触不良时采用声光报警，以提醒人们进行连接。

　　3 水位检测系统的软件设计

　　3.1 系统的主程序设计

　　水位检测系统的软件设计采用模块化的设计思想，用C语言编程实现。软件的各个功能模块之间通过入口和出口参数相互联系，可以缩短开发周期。图3为主程序结构图。

　　3.2 数传电台的参数设置

　　数传电台的参数设置包括地址码、版本号、功率等级、信道选择、空中波特率、串口波特率、数据位、校验方式、频率逆变模式、带宽等参数的设置。2个电台的参数设置如图4(a)、图4(b)所示。

　　3.3 利用拉格朗日插值法进行数据处理

　　压阻式传感器的测量精确度很大程度上受非线性和环境温度的影响,如何对传感器所产生的误差进行补偿就成为设计中的关键环节。在硬件上，一般补偿方法都是修正桥路电阻的差异性以及桥臂电阻的漏电流、装配应力等，但由于其外围元件较多会导致稳定性差、精确度不高，在复杂的工况下很难达到理想的预期效果。随着微处理器技术在传感器领域的应用,使得通过设计软件算法实现传感器工作特性的自动补偿成为可能。本设计着重分析了单晶硅压阻式压力传感器工作特性曲线的变化,给出了一种对其误差进行修正的软件算法，可在很宽的温度范围内保证传感器的精确度几乎不变,并可广泛移植于其他压阻式压力传感器的补偿设计。

　　随着压强的增大电压逐渐增大，经多次实验，可测得如下有效数据，见表1。

　　由于实验测得的数据存在一定的微小的误差，所以应该使用滤波手段，去伪存真，得到所需要的近似值。在此采用冒泡法进行处理，去掉最大最小值，然后取算数平均值（注：0.1 Mpa即在地面测的电压值，对应1个标准大气压）。

　　U0：第一组测得的电压值。

　　U1：第二组测得的电压值。

　　U2：第五组测得的电压值。

　　x(n)：滤波后的电压值，n取1、2、3、4、5分别对应5个压强采集点。

　　利用拉格朗日插值算法对其进行解析：

　　4 上位机LabVIEW显示模块

　　LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC。但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序为框图形式。

　　主机端的上位机程序由LabVIEW软件编写，可对从现场采集到的各种实时信号进行处理，界面友好、易于操作，对因故障引起的断路问题可实现声光报警，安全可靠。

　　5 系统可靠性设计

　　5.1 测试实验时出现的问题

　　实验环境：

　　(1)将探头接到300 m铠装电缆上，放进室外5 m深铁质水管中，环境适宜。

　　(2)在电台测试时采用12 V的直流电源，电台的功率为5 W，实验距离为1 000 m，并且电台2的天线高度保持在3.4 m不变。

　　这种情况下会产生以下问题：

　　(1)有时会出现电路接触不可靠、微处理器复位、死机、外壳漏电。

　　(2)上位机显示信号抖动，失真严重。

　　(3)无线通信的信号质量差。

　　图5为实验中的水位曲线。

　　5.2 问题的解决方案

　　根据以上问题提出了如下解决方案：

　　(1)针对电路接触不可靠的问题，采用PCB板代替铜模实验板，并在PCB制板过程中采取了抗干扰措施，例如布线时电源线和地线尽量宽；数字地和模拟地分开布线；合理配置去耦电容；电路板进行覆铜等。

　　(2)针对微处理器死机、复位等问题，采取软硬件相结合的抗干扰措施。在硬件上采用光电隔离技术；软件上设置标志位；关键出口验证；对通信发送指令等重要指令采用指令冗余技术；在RAM中设定上电复位标志。

　　(3)针对不洁净电源以及电源间的互相干扰，采用开关电源分别供电的方法进行处理。

　　(4)由于电缆长度为300 m，会在导线间形成分布电容，并且多余的电缆缠绕在卷筒上，等效一个大电感，会对电路稳定性造成影响，因此采用软件滤波（冒泡法）的方法进行弥补。处理后图形如图6。

　　此次设计的系统已经成功运行了2个月，没有出现任何故障现象。通过现场实验表明：该整定方法能有效减小测量误差，满足现场的使用要求，保证系统的可靠运行。同时提出的可靠性设计方案对同类产品的设计和应用具有一定的借鉴价值。