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　　摘要：在對傳統(tǒng)浮子式液位計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，介紹了采用TI公司MSP430F133單片機(jī)改進(jìn)傳統(tǒng)浮子式液位計(jì)液位測量的方法，給出了具體電路的設(shè)計(jì)方法和軟件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

   關(guān)鍵詞：浮子；液位計(jì)；單片機(jī)；超低功耗

　　水文測量中zui常用的測量終端莫過于液位計(jì)，按測量方式大致可分為機(jī)械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī)械浮子式和光電浮子式都是來用機(jī)械齒輪減速產(chǎn)生進(jìn)位和退位的辦法來形成編碼，為了產(chǎn)生可靠編碼，一般都用格雷碼輸出，這種液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對較低，缺點(diǎn)是機(jī)械加工復(fù)雜、運(yùn)行阻力大、使用壽命短；超聲波液位計(jì)和激光液位計(jì)測量精度較高且沒有機(jī)械部件，故可靠性較高，但使用中發(fā)現(xiàn)它對反射目標(biāo)有一定的要求，受環(huán)境因素影響較大，zui關(guān)鍵的一點(diǎn)是因?yàn)閺?fù)雜的信號處理電路導(dǎo)致其成本居高不下，目前還難以推廣；振弦式液位計(jì)主要用于小量程液位的測量。為了用較低的成本完成大量程液位的長期可靠測量，筆者利用ＭＳＰ４３０單片機(jī)的低功耗特性結(jié)合光電液位的位置測量功能設(shè)計(jì)了一種新型液位計(jì)—磁光液位計(jì)，現(xiàn)簡要介紹如下。

１ 機(jī)械工作原理

　　本液位計(jì)同普通光電液位計(jì)一樣有一個光電碼盤（如圖１所示），碼盤白色部分反射光線，而黑色部分吸收光線，圖２所示的光耦和圖１所示的碼盤間距約２ｍｍ，并采用圓心安裝。光耦隨電路板固定在液位計(jì)外殼上，液位變化時(shí)浮子牽引水位輪轉(zhuǎn)動，安裝在同一軸上的碼盤也隨水位輪作圓周運(yùn)動，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤就會吸收或反射來自光耦的光線，從而使８位光耦根據(jù)碼盤和光耦的相對位置輸出８位格雷碼編碼，傳統(tǒng)的光電液位計(jì)用一個減速齒輪帶動另一個碼盤轉(zhuǎn)動從而獲得高位編碼，而本液位計(jì)摒棄了所有的齒輪減速機(jī)構(gòu)，用安裝角度為１２０°的三只干簧管來計(jì)算碼盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據(jù)這一次序就可以判斷液位是以液位上升的方向增加圈數(shù)還是以液位下降的方向減少圈數(shù)。這樣一來單圈的位置可以通過碼盤的編碼得到，而旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以由干簧管的吸合次序得到，綜合起來就可以得到液位高程，從而完成液位的測量。

２ ＭＳＰ４３０單片機(jī)簡介

　　ＭＳＰ４３０系列是ＴＩ公司的超低功耗單片機(jī)，它有多種低功耗模式，在ＬＰＭ４模式時(shí)的典型工作電流僅為０．１μＡ，并能在６μｓ內(nèi)響應(yīng)外部中斷；另外它還有特別寬的工作電壓范圍：１．８～３．６Ｖ，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)：常溫下即便電源電壓為１.２Ｖ，該器件仍能全速正常工作。ＭＳＰ４３０Ｆ１３３的性能特征見表１。

　　表1 MSP430F133的性能特征

　　設(shè)計(jì)時(shí)選用一只１Ｆ的電容來儲存電能，假設(shè)加上１２Ｖ電源后電路充電電流為１００ｍＡ，充電時(shí)間為２ｓ，則按０．５μＡ（實(shí)際放電電流不大于此數(shù)據(jù)值）放電可持續(xù)１１０小時(shí)。因此只要液位測量間隔不大于１１０小時(shí)就能保證單片機(jī)在掉電期間正常工作。在本電路中ＭＳＰ４３０平時(shí)以內(nèi)部ＲＣ振蕩器作為主時(shí)鐘，以鐘表晶體振蕩器（３２７６８Ｈｚ）作為通信時(shí)鐘，zui高通信速率可達(dá)９６００ｂｐｓ，低功耗ＬＰＭ４時(shí)關(guān)閉所有時(shí)鐘源。

３ 電路工作原理

　　圖３所示是本液位計(jì)電路的工作原理圖，當(dāng)測量當(dāng)前液位時(shí)，首先由上位控制器給電路加１２Ｖ電源，此時(shí)繼電器ＪＤ１吸合，一方面由Ｒ２８、Ｕ３組成的穩(wěn)壓電路給電容Ｃ４６進(jìn)行恒流限壓充電，以補(bǔ)充斷電后單片機(jī)工作所需電能，另一方面將Ｗａｋｅ信號由“０”切換到“１”，喚醒單片機(jī)進(jìn)入全速正常工作狀態(tài)，通過測量８只光電耦合器電平可得到碼盤在一個圓周內(nèi)的具體位置編碼（８ｂｉｔ格雷碼），再加上正（反）向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以計(jì)算出實(shí)際液位，也可換算成格雷碼輸出以兼容其它浮子式液位計(jì)，同時(shí)還通過４８５總線按要求的協(xié)議輸出液位以滿足自動測量的要求。６位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源由單片機(jī)的口線來提供，目的也是便于在掉電時(shí)關(guān)閉液晶顯示器的電源。

　　一旦外部＋１２Ｖ電源撤去，Ｗａｋｅ信號將消失，單片機(jī)立即將口線切換到合適的電平，并進(jìn)入低功耗狀態(tài)ＬＰＭ４，此時(shí)ＣＰＵ的功耗只有０．１μＡ，碼盤上的磁鐵隨碼盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動到三只干簧管附近時(shí)，干簧管吸合并立即引起單片機(jī)引腳電平的變化，ＭＳＰ４３０單片機(jī)能在６μｓ的時(shí)間內(nèi)在低功耗狀態(tài)響應(yīng)這一變化，記錄下變化過程后又立即回到低功耗狀態(tài)以zui大限度地節(jié)省電能。研究中發(fā)現(xiàn)，干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開狀態(tài)有一個遲滯過程，正好可以防止液位在某一點(diǎn)輕微波動時(shí)使干簧管頻繁動作，從而避免單片機(jī)退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管以１２０°的間隔均勻地分布在同一圓周上，允許液位計(jì)以盡可能大的角速度旋轉(zhuǎn)。假定ＭＳＰ４３０Ｆ１３３響應(yīng)并處理一個外圍中斷的時(shí)間（與中斷程序復(fù)雜程度和時(shí)鐘速度有關(guān)）為２００μｓ，則ＣＰＵ能夠響應(yīng)的zui大角速度為１２０°／２００μｓ。在筆者的一個制作實(shí)例中電路（含干簧管部分）經(jīng)過了１２０圈／秒的測試。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收３．０Ｖ／２０Ｍ＝０．１５μＡ電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機(jī)待機(jī)電流zui?。埃宝蹋粒瑉ui大０．２５μＡ，若電容充滿電可保證單片機(jī)在掉電后仍能正常工作一個月以上。

　　由于舍棄了機(jī)械減速裝置，液位計(jì)轉(zhuǎn)動時(shí)只需克服兩只固定軸承的阻力，因此，大大加強(qiáng)了機(jī)械靈活性和可靠性。當(dāng)傳動輪周長為２５６ｍｍ時(shí)，液位計(jì)的分辨率為１ｍｍ，能滿足大部分測量要求。圖３中采用１６位格雷碼輸出，量程可達(dá)６５．５３５ｍ，若用軟件將液位分辨率設(shè)置為１ｃｍ，則輸出量程可達(dá)６５５．３５ｍ，實(shí)際上只要引出線足夠多，量程并沒有限制，可根據(jù)要求做成任意量程的液位計(jì)。圖３的電路圖只是原理示意圖，實(shí)際應(yīng)用中還要考慮抗干擾、野外使用的防雷處理等。

　　液位計(jì)的軟件設(shè)計(jì)也非常簡單，限于篇幅不多贅述，只需注意的是：在進(jìn)入ＬＰＭ４前將口線置成合適的電平，如格雷碼輸出置成低電平、４８５接口芯片Ｕ１０置成低功耗狀態(tài)、液晶口線和電源置成低電平，以便使口線不消耗電流，從而使整機(jī)的低功耗得到保證。

４ 結(jié)束語

　　在野外水位自動測量中，為了降低功耗，傳感器采用間歇上電方式，由于傳感器輸出應(yīng)為量編碼，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用很多齒輪變換和凸輪進(jìn)位，這樣做帶來了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并降低了傳感器的穩(wěn)定可靠性。

　　利用本文所述原理和方法研制出的ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)具有相對量軸角編碼器的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價(jià)格低廉、使用方便等，利用ＭＳＰ４３０Ｆ１３３單片機(jī)的低功耗特點(diǎn)，使ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)能滿足量編碼輸出的要求。

　　激光水位計(jì)和超聲波水位計(jì)的分辨率為毫米，但其誤差為相對誤差，量程稍大時(shí)，水位測量的誤差甚至可能會超過規(guī)范所規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)(±２ｃｍ)。浮子水位計(jì)原理簡單、誤差來源少，為*門常用水位測量儀器，但當(dāng)前只有厘米級分辨率的浮子水位計(jì)，用于集水面積較大的水庫水位觀測時(shí)，使水庫流量計(jì)算過程產(chǎn)生鋸齒狀變化。因此，研制出毫米級浮子式液位計(jì)是水文工作者多年的愿望。

　?。祝冢伲笮透∽邮酱殴庖何挥?jì)為國內(nèi)*只分辨率為毫米的浮子式水位編碼器。水位信息自動采集系統(tǒng)中通常使用兩個字節(jié)表示水位信息，zui大可表示６５５３５ｍｍ。而對浮子式磁光液位計(jì)而言，其量程很大，可滿足所有液位測量要求。

　　經(jīng)過兩年實(shí)踐證明，ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)不僅降低了浮子式液位計(jì)的成本，還大大提高了水位觀測精度和儀器可靠性，不失為一個改造量光電編碼液位計(jì)和替換機(jī)械編碼液位計(jì)的好產(chǎn)品。