【摘要】: 針對當前液態(tài)施肥機在液肥的精que及定量控制等方面存在的不足，以單片機作為控制核心，采用投入式液位傳感器進(jìn)行數據采集，將液位的變化轉換成電壓變化，再利用A / D 將模擬量轉化成數字量;同時(shí)，通過(guò)單片機處理將電壓值換算成相應的液位高度值及容量值并顯示，并用MatLab 分析試驗數據。結果表明: 液位高度值各容量值測量誤差均滿(mǎn)足實(shí)際要求，可應用于液態(tài)施肥機。RzW壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
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【引言】
液位包括液位信號器和連續液位測量?jì)煞N。液位信號器是對幾個(gè)固定位置的液位進(jìn)行測量，用于液位的上、下限報警等;連續液位測量是對液位連續地進(jìn)行測量，廣泛應用于農田灌溉、定量施量、高爐沖渣水位測量、環(huán)境監測等農業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，具有非常重要的意義［1］。目前，對液位測量的精度要求不僅愈來(lái)愈高，且需要測量?jì)x能夠適應一些特殊環(huán)境，如高溫、高壓、強放射性及強腐蝕性等條件。液態(tài)肥因其生產(chǎn)費用低、肥效高、易吸收、節支增產(chǎn)效果顯著(zhù)及施用過(guò)程中可以根據需要加入土壤所缺少的植物營(yíng)養元素等優(yōu)勢迅速得到了廣泛應用［2］。而變量施穝hou魑寂┮檔鬧匾糠鄭浼際躉【褪嵌砸悍室何壞木伎刂�。臍ぐ手C∩�，液位控制系统椿e驢煞治韻鋁街諿3]：
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1)機械式控制系統。機械式控制系統結構簡(jiǎn)單、成本低廉;但這種控制裝置故障多、誤動(dòng)作多，且只能單好控制，與計算機進(jìn)行通信較難實(shí)現。
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2)交流調壓/ 變頻調速控制系統。該系統是通過(guò)安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、A/D 變換成數字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機運算與給定量的比較，進(jìn)行PID 運算，得出調節參量;經(jīng)由D/A 變換給調壓/變頻調速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來(lái)調節電機的轉速，以達到控制水位的目的。
本文以液態(tài)施肥機為依托，針對一定體積的液肥進(jìn)行液位試驗，通過(guò)以單片機和投入式液位計為主要硬件資源設計硬件電路，畫(huà)出相應的軟件流程圖進(jìn)行測試。數據分析驗證表明:該傳感器在液肥液位測量中安裝維護方便，能適應液肥這種特殊環(huán)境，其容量和液位高度的測量誤差也滿(mǎn)足實(shí)際要求。
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1 系統工作原理及組成
微壓式液位計采用的是壓力敏感元件實(shí)現力－電轉換。傳感器的液位量程是0 ～ 1． 3m，且這段量程液位所對應的深度約合壓力相比其他要小很多，因而稱(chēng)其為“微壓式”。本系統是所選的正是微壓式傳感器，它將液位信號轉換為4 ～ 20mA 標準電信號輸出。
若設所測液體密度為ρ ，液位高度為h ，大氣壓為ρ0，重力加速度為g ，則液體所受壓力p = ρgh + ρ0 。這時(shí)，為抵消大氣壓力變化所帶來(lái)的測量誤差，傳感器變送器部分采用導氣電纜將大氣壓力ρ0引入敏感元件的負壓腔，進(jìn)而使p = ρgh 。顯然，若已知液體密度，通過(guò)測取壓力p 就可換算出相應的液位高度。
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1． 1 單片機選型
該系統結構相對簡(jiǎn)單、運行速度快，考慮到功能和成本兼顧，采用以擴展性51 系列單片機STC12C5412AD 為核心控制元件。該芯片具有12kB用戶(hù)可自行安排的FLASH 及FEPROM 空間比例;在同樣的工作頻率下，平均指令運算速度是普通8051的8 ～ 12 倍［4］，滿(mǎn)足系統對數據處理的要求，且掉電模式可由外部中斷喚醒，適用車(chē)載信息系統。系統設計方案圖如圖1 所示。
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1． 2 投入式液位計選型
對液位的測量選用淮安市三暢儀表有限公司生產(chǎn)的SC-500系列。其基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，再將靜壓轉換為電信號，實(shí)現非電量到電量的變換，利用這一特性來(lái)完成對液位的測量。主要技術(shù)參數如下:量程1． 3m，精度0． 5%Fs，電壓18 ～ 36VDC，輸出4 ～ 20mA。
其優(yōu)點(diǎn)包括:①能實(shí)時(shí)測量罐內各點(diǎn)液位;②直流4 ～ 20mA 標準電流信號輸出;③密封性好，測量元件不與液肥直接接觸，避免了液肥對元件的腐蝕。
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2 硬件電路設計
2． 1 電源電路設計
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電源電路圖如圖2 所示。圖2 中，為了保證液位傳感器能獲得24V 的直流供電，選用具有DC － DC 單片控制電路功能的MC34063 芯片，片內包含有溫度補償帶隙基準源，能輸出1． 5A 的開(kāi)關(guān)電源，且是使用#少的外接元件構成的升壓變換器、降壓變換器和電源反向器［5］。
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本系統電源電路采用具有升壓轉換作用的MC34063 芯片，與電感L、二極管D3、三極管TIP122一起構成電源電路。若TIP122 導通時(shí)，+ 12V 的輸入電壓經(jīng)采樣限流電阻R1、R2，流經(jīng)電感L，隨著(zhù)電感L電流增加，其兩端進(jìn)行儲存能量。此時(shí)，二極管D3是
防止電容C3對地放電，并由電容C3向負載供電;若TIP122 斷開(kāi)時(shí)，電感L 及12V 的輸入電壓對電容C3充電的同時(shí)電容C3對負載供電，負載電壓穩定在+ 24V，穩壓的負反饋信號是電阻R7、R8的分壓輸入到MC36063 的5 腳。
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2． 2 檢測電路設計
硬件部分的核心為STC12C5412AD，工作電壓由LM2576 從24V 轉變?yōu)?V 來(lái)提供。同時(shí)，用MCU 的3 個(gè)輸出引腳P1． 1、P1． 2、P1． 3 連接串并轉換芯片74HC595，就可實(shí)現對系統所有的顯示功能及顯示元件的控制。圖3 中的74HC595 芯片Q0 ～ Q7 共8 位輸出控制8 個(gè)發(fā)光二極管，每個(gè)二極管分為閃、亮2段，共16 段，通過(guò)燈的閃亮和4 個(gè)數碼管顯示的罐內液體容積值來(lái)記錄相關(guān)液位數據。其檢測電路原理圖如圖3 所示。
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3 系統軟件設計
系統軟件是利用51 系列單片機集成開(kāi)發(fā)工具來(lái)進(jìn)行C 語(yǔ)言設計，采用模塊化設計方式，由系統與監控程序一起管理執行。系統軟件主要由主程序、初始化程序、定時(shí)中斷處理程序組成。其中，系統主程序包括A/D 轉換子程序及顯示子程序。系統初始化后進(jìn)入主循環(huán)，定時(shí)中斷處理程序是對74HC595 的輸出進(jìn)行控制。系統主程序流程如圖4 所示。
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4 數據測試及分析
4． 1 測試條件
為驗證本設計的可行性，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例，再將靜壓轉換為電壓的試驗原理，搭建實(shí)際的電路。用現有的播種機儲液罐作為容器可容納近1 000L 的液體。其實(shí)際測量高度如圖5所示。因液肥與水密度相近，所以用水作為測試對象，在正式用液肥時(shí)驗證誤差，算出修正系數，再寫(xiě)入單片機中進(jìn)行校正。
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shou先將液位計正確安裝于儲液罐底部，接通電源后利用串有流量計的電泵開(kāi)始注水，注意觀(guān)察液位的變化，待快到預先暫定的水容量處關(guān)閉電源。此時(shí)，用萬(wàn)用表讀取液位計處理后的電壓值、記錄表示高度顯示的LED 的燈/閃數及流量計顯示的實(shí)約hou⑺萘�，再用脡褔}閃克氖導室何桓叨�。试验结果染c? 所示。
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4． 2 數據分析
觀(guān)察表1 的數據之間存在某種線(xiàn)性關(guān)系，用Mat-Lab 對表1 的壓力與容量及液位高度數據進(jìn)行一次曲線(xiàn)擬合，如圖6 所示。
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根據圖6 的擬合曲線(xiàn)，可得到對應的回歸方程為
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其中，x 代表電壓; y1為容量; y2為液位高度。
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由此可見(jiàn):電壓與容量及液位高度之間確實(shí)存在良好的線(xiàn)性相關(guān)性，且從表1 中也可以看出LED 燈的亮、閃數隨液位高度而變化。因此，一旦配比好定量的液肥，在變量施肥機工作時(shí)，可以根據LED 燈來(lái)判斷其液位高度，用數碼管來(lái)顯示其容量。分析對比表2 的數據可知:液位高度誤差在允許范圍之內，擬合容量的負數除了與傳感器的安裝位置及儲液罐的形狀有關(guān)以外，和換算容量的基點(diǎn)(零點(diǎn))也相關(guān)。因此，可以重新選一個(gè)容量和高度基點(diǎn)來(lái)解決。
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5 結論
以STC12C5412AD 單片機為核心的液肥檢測系統，可以動(dòng)態(tài)地顯示液位及容量的變化，實(shí)用性較強，且成本低廉。在隨機的測量試驗中，節省了人力及物力，同時(shí)也提高了檢測的效率。該投入式液位計體積小巧、使用方便、維護成本不高，優(yōu)于其他如超聲波傳感器。試驗數據分析表明:該微壓傳感器性能指標能滿(mǎn)足較高精度要求的測量，為液肥播種機的進(jìn)一步智能化奠定了一定的實(shí)踐基礎，對其它的液位測量也具有較好的借鑒作用。
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參考文獻:
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