感应式数字水位传感器的工作原理和特点解析

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、信号调理威廉希尔官方网站 、电源威廉希尔官方网站 、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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 通过介质水接收检测信号，由电容耦合检波威廉希尔官方网站 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。它的每个神经元威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 进一步处理。

信号调理威廉希尔官方网站 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 信号调理威廉希尔官方网站

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威廉希尔官方网站 ，该威廉希尔官方网站 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 威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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 滤波威廉希尔官方网站 分析

另外，信号调理威廉希尔官方网站 中还设计滤波威廉希尔官方网站 ，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输出威廉希尔官方网站

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芯片的接口威廉希尔官方网站 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接口威廉希尔官方网站

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，把经过调理威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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。