感应式数字水位传感器智能变送器设计

摘要：针对感应式数字水位传感器在实际应用中遇到的输出信号非标准信号问题，设计了一种应用于感应式数字水位传感器的智能变送器。该智能变送器以C8051F020单片机为主控芯片，高性能数模转换器AD421输出4～20mA电流信号，MAX485芯片实现RS485通信。介绍了一种集RS485通信和4～20 mA输出的智能液位变送器，给出了具体的软硬件设计方案，解决了原传感器输出信号非标准信号的问题，且增加了RS485接口。
关键词：自动化仪器仪表与装置；智能变送器；C8051F020；AD421；RS485

    由于所处地理位置和气候影响，我国是一个水旱灾害频繁的国家，尤其是洪涝灾害，长期影响经济的发展，并给国家和人民生命财产造成重大损失。为了提高洪水的有效预见期，及时准确地掌握各主要河流的水位变化情况，自20世纪70年代，我国开始建设水情自动测报系统，特别是发展水深测量技术，主要向更可靠、更先进、更现代化的方向发展，这对于防汛减灾和水资源的合理利用具有十分重要的意义。
    水情自动测报系统的关键是水深的测量，而水深测量技术的关键则是传感器，传感器稳定工作，准确检测水位，并通过变送器把有效的数据传送给观测人员。因此传感器能否稳定工作、准确检测水位、有效传输数据则成为水情自动测报的关键。
    目前应用较多的浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等都有一定的局限性。近年来，太原理工大学测控技术研究所在智能传感器、新型传感器领域发展迅速，马福昌教授成功研制发明了感应式数字水位传感器(专利号：ZL96110735．9)，该传感器采用数字化直接取样的信号采样方式，不再采用传统的模拟量检测方法，没有模糊数据。克服了温度、空气压强、电场、磁场等环境分布参数的影响，可在比较复杂的水文环境下，比如黄河泥沙量高的环境下稳定运行，提高了检测的准确性、可靠性，经现场实验，运行良好。
    感应式数字水位传感器在传统应用中，输出的信号是非标准的电流信号，需要配备专门的仪表进行二次处理，成本高，不便于调试组网，很大程度上限制了传感器的应用。
    本文根据感应式数字水位传感器的工作原理和特点，介绍了一种智能变送器的设计方案，重点是输出标准的电流信号(4～20 mA)和增加RS485接口。解决传统应用中组网调试不方便的问题。

1 系统组成及工作原理
    该系统的主要结构框图如图1所示，主要由感应式数字水位传感器、信号调理电路、电源电路、MCU(C8051F020)最小系统、4～20 mA输出(AD421)、RS-485接口(MAX485)，另外还包括PC，通过PC上位机监控软件实现网络通信功能。

    感应式数字水位传感器是按照仿生物学的思路，应用仿神经网络设计思想设计而成的。它的内部布满了神经元电路板，外部由可塑性绝缘材料浇铸而成，一般做成棒状。传感器由超音频发生器和发射头向水中发射检测信号，由若干个取样感应元电路通过介质水接收检测信号，由电容耦合检波电路检波后得到的信号电压实现水位信号的直接取样，成为数字取样传感器。它的每个神经元电路都是以开关脉冲的形式输出数字信号，经过统计后，将开关数字信号调制为模拟信号电流(非标准电流信号)方式输出给信号调理电路进一步处理。
    信号调理电路是将传感器输出的非标准电流信号转化为电压信号，为C8051F020模数转换做准备。经过单片机模数转换后，可以将传感器信号转化为数字信号，然后就可以很方便地进行下面的操作：存储水文数据、通过AD421输出4～20 mA的标准电流信号、RS-485接口输出等。

2 系统硬件设计
2．1 信号调理电路
    由于感应式数字水位传感器输出的是非标准电流信号，而C8051F020单片机的ADC模块要求为电压信号，所以需要对传感器的输出信号进行转换，因此设计了信号调理电路，该电路能够实现将传感器输出的0．1～16 mA电流信号转换为1～2．4 V的电压信号，并且可以实现对传感的供电，其原理图如图2所示。

2．1．1 电路原理分析
    从感应式数字水位传感器的原理可以得出：流入水位传感器的电流与水位是成线性变化的，而且当水位固定不变化时，流入水位传感器的电流是确定值。现假设水位的变化是△L，电流的变化是△I1，于是△I1=K·△L(其中K是比例系数)。在分析带有运算放大器的电路时，总是把它看成理想运放。根据理想运放的分析方法设输出电压变化为△Vo，则可以得到
   

其中
   

    因此可以上式看出：输出电压的变化△Vo与水位的变化△L成正比例线性变化。其中调节电位器R6和电位器R2可以保证输出电压Vo在1～2．4 V范围内变化。R6是调节零点电位器，R2是调节满度电位器。
2．1．2 滤波电路分析
    另外，信号调理电路中还设计滤波电路，是为了滤去测量现场的干扰，例如电气干扰、电磁干扰，使系统的信噪比增加。如图2所示，电阻R2和电容C1组成简单的无源RC低通滤波器。电阻R3、R7，电容C2及运放组成一阶反相输入RC有源低通滤波器，有源滤波器比无源滤波器具有更优越的性能，提高了频率特性值，改善了选择性。
2．2 4～20mA输出电路
    AD421是ADI公司推出的一款单片高性能数模转换器(DAC)。它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4～20 mA电流输出，在智能仪表方面应用广泛。AD421与单片机的连接主要有串行数据输入端和控制端，在时钟CLOCK作用下，输入移位寄存器把DATA引脚上的数据逐位读入，LATCH锁存脉冲把寄存器中的数据锁存到DAC中。根据其工作原理，AD421与C8051F020芯片的接口电路如图3所示。AD421的数据接口和单片机P3．0口相连，用来接收16位的串行数据。单片机P3．6口用来产生时钟信号，而P3．5口用来产生锁存信号。在实际应用中，为了保证信号的传输，一般要在单片机和AD421之间加入隔离器件，实现通讯的隔离，常用的方法有使用ADI推出的ADUM系列隔离器件，比如ADuM 1310，或者使用光耦。在这里，采用光耦来实现通讯的隔离。

2．3 RS485接口电路
    单片机C8051F020的P2．0、P2．1及P3．7通过MAX485与PC机相连，进行串行通信，如图4所示。P3．7控制MAX485的状态，接收或发送，用软件控制。P2．1为单片机的串行输入端，接收PC机通过MAX485向单片机发送的数据，P2．0为单片机的串行输出端，通过MAX485发送给PC机。

3 系统软件设计
    本系统采用C8051F020单片机为核心处理器件，把经过调理电路处理的感应式数字传感器的电流信号经模数转换数字化，存入单片机内部存储器，并转化为16位的数字信号，一路送AD421转化为4～20 mA标准电流信号，进行传输或控制；另外一路通过MAX485，在上位机查询命令到达的时候发送上位机，实现实时的监控。本传感器变送器系统软件包括以下几个部分：主程序、AD采集子程序、数据处理子程序、AD421转化子程序、MAX485通信子程序，另外，根据需要可以加入报警子程序和其他的辅助程序等。整个系统主程序流程图如图5所示。

4 结论
    该系统在进行了各个部分的仿真及电路板搭建试验后，实验证明是可行的，可以实现原传感器的改进和升级，增强了原有传感器的功能，节约了成本，组网更加方便。