给排水系统中水位检测技术的研究

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：
　　　　　　
　　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τ1 = ( Ra + Rb) Cln2 ;放电时间为τ2 = Rb Cln2。当Rb>>Ra 时，τ1 近似等于τ2 ， 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
　　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128×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示7.5×2个(16×16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字符集图形点阵液晶显示器。
按键的初步设置为3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
　　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。