智能型液位/液壓測控儀的製作方法
2023-12-04 15:02:01 1
專利名稱：智能型液位/液壓測控儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種儀器，涉及一種測控儀，特別涉及一種適用於城鄉給水及現代設施農業領域的節水噴灌環節中的水位自動化監測過程的智能型液位測控儀，它根據蓄水池中的水位變化情況自動啟停加壓泵和補水泵控制設備。
由
圖1的流程圖可知，控制裝置需要設置上、中、下三個控制限對水位實現區間控制，當水位低於下水位設定值時停止抽水，而當水位高於中水位設定值時再開始抽水；當水位高於上水位設定值時停止補水，當水位低於中水位時再開始補水。
根據申請人進行的資料檢索，與本實用新型相關或近似的現有技術均存在一些缺陷或不足。如專利號為97226911.8、982211323.4、98235746.X公開的液位控制器，均無水位測量與顯示功能。其所採用的觸點式傳感器，容易產生氧化而影響電路工作的可靠性。而專利號為CN87203108 U、96111953.5的液位控制器雖有液位顯示功能，但電路中需要多個預置電位器、比重電位器、調零電位器，電路結構複雜，調校不便，當電位器內部的觸頭因灰塵汙染被氧化後，往往需要重新對儀表校正。還有公開的專利產品96218704.6雖採用了單片機技術，但電路設計上亦有其缺點與不足，如其採樣電路和顯示驅動電路使用了較多的阻容分立元件，結構比較複雜。
申請人也對目前普遍使用的同類液位控制器進行了分析與研究，認為一般的數字式同類控制儀表線性化與控制點設定需要多個電位器調節，硬體結構複雜，功能單一，且調校極為不便，很難進行現場調校。而線性化與控制輸出方式極易用程序實現，所以，此類數字式儀表無法與同類智能化儀表相媲美。然而，高檔通用型智能儀表雖可用來實現液位控制，但一般需要標準電壓、電流輸入信號，而一般的液位傳感器輸出多為非標準信號。此類儀表一般價位較高，原有的軟硬體資源在使用時不能得到充分利用。其它的專用型液位控制儀表在設計上亦有許多不足。
為了實現上述目的，本實用新型所採用的技術方案是，該智能型水位/水壓測控儀，由帶有面板的外殼和安裝在外殼內的電源電路、傳感器及電路板組成；所述電路板包括一CPU，CPU的輸入和輸出端上分別連接有按鍵、時鐘電路、A/D轉換電路、分頻器、顯示驅動電路、輸出指示電路、控制輸出電路和存儲器；一用於傳遞液位信號的液位傳感器；一用於供電的恆流源電路；液位傳感器經恆流源電路供電後，將液位信號變換為毫伏級的電壓信號，該信號以差分形式直接輸入到A/D轉換器的輸入端，並利用其引腳STR的功能產生中斷請求信號送入CPU中；CPU採用中斷方式採集到表示水位的電信號後，經過數據濾波，線性化校正及水位換算數據處理過程後，將水位值送向LED驅動電路的埠進行水位顯示；數據依靠程序自動存儲存儲器中；並自動從中調出參數至CPU內部的RAM中供使用，CPU將設定的水位參數與採樣得到的水位值進行比較，然後按控制方式由輸出指示電路輸出相應的控制信號或報警信號。
本實用新型的其他一些特點是所述恆流源電路是由基準電壓源TL431構成的恆流源電路，其輸出電流IL＝βVR/RS，其中β為T管的電流放大係數，VR＝2.5V為TL431的基準電壓，調節RS值，可改變IL大小。
所述程序無須配接外部程序存儲器，而是依靠電寫入方式存儲在CPU內部的FLASH ROM中。
所述A/D轉換採用高精度雙積分型TCL7135 A/D轉換器，傳感器的信號無須前置放大便可直接輸入到TCL7135的信號輸入端。
所述CPU採用51系列單片機89C51晶片。
所述存儲器採用串行EEPROM 93C46存儲器。
所述顯示驅動電路採用軟體解碼，動態掃描方式顯示；LED顯示的位控和輸出驅動共用具有大電流驅動的單一集成塊ULN2003。
所述液位傳感器配用一般固態壓阻電橋式液位傳感器。
所述電源電路為用於供電的恆流源電路。
所述外殼的面板上的顯示板的左右兩側依靠直角插排分別和電源板、電路板連接，而電路板與電源板的後端的接線端子直接焊接於儀表後殼左右兩側的接線排座上，三個微型按鍵和4位LED顯示器及抽水與補水指示發光二極體直接焊接於顯示板上。
本實用新型的特點是電路結構簡單，成本低，調校方便。有效的滿足了給水過程中的水位測控，提高了給水過程的自動化程度，具有廣闊的市場應用前景。
本實用新型包括電源電路、液位傳感器與恆流源電路、A/D轉換電路、顯示驅動電路、控制輸出電路及CPU系統幾部分。其電路結構框圖參見圖2所示。
液位傳感器經恆流源電路供電後，將液位信號變換為毫伏級的電壓信號，該信號以差分形式直接輸入到A/D轉換器7135的輸入端，並利用其引腳STR的功能產生中斷請求信號，CPU採用中斷方式採集到表示水位的電信號後，經過數據濾波，線性化校正及水位換算等數據處理過程後，將水位值送向LED顯示埠進行水位顯示。利用觸摸式三個微型鍵開關，可進行水位控制點設定和儀表調校，按下SET鍵，將自動顯示要設定的各種提示符(提示符含義見下表1)，利用NUM鍵和ENTER鍵可完成各種參數設定與存儲。重複按下NUM鍵時，數字將從0～9遞增循環，可進行各位的數字設定。按下ENTER鍵，可實現設定位的移動。當4位數字全部設定完畢後，數據依靠程序自動存儲在串型EEPROM中。上電後自動從中調出參數至CPU內部的RAM中供使用。CPU將設定的水位參數與採樣得到的水位值進行比較，然後按控制方式輸出相應的控制信號或報警信號。儀表校正時只需在使用現場將傳感器探頭深入水下幾個不同的位置，並輸入相應的水位值即可，程序會自動的將這幾個值存儲在串型EEPROM中並作為拐點進行線性化校正。對於量程為5米的液位傳感器，設定3個拐，線性化可得到很好的校正。上述的一系列過程都是靠軟體實現，因而大大的簡化了硬體結構。
該實用新型可配用一般固態壓阻電橋式液位傳感器，為了改善水位於其變換電壓之間的線性關係，設計了恆流源電路為傳感器供電，圖3是由基準電壓源TL431構成的恆流源電路，其輸出電流IL＝βVR/RS，其中β為T管的電流放大係數，VR＝2.5V為TL431的基準電壓，調節RS值，可改變IL大小。
電路中的CPU晶片為價格低廉的51系列單片機89C51，由於該實用新型的設計程序小於4K，無須配接外部程序存儲器，程序依靠電寫入方式存儲在CPU內部的FLASH ROM中。A/D轉換採用了高精度雙積分型TCL7135 A/D轉換器，傳感器信號無須前置放大便可直接輸入到TCL7135的信號輸入端。整個電路設計使用的分立元件較少，集成化程度高，電路設計簡練緊湊，增強了電路工作的可靠性。5.2電路與結構特點本實用新型公開的是一種專用型智能液位自動監控裝置。給出了電路設計上的優點以供借鑑。
申請人對我國同類型或類同的專利和產品進行了檢索，認為本實用新型從實用的角度出發，充分的考慮了成本、製作過程、使用方便等因素。儀表選用工業標準尺寸塑料外殼(96mm×96m×183m)。電路實體採用模塊式結構，分為顯示面板、主板、電源板三塊。顯示板的左右兩側依靠直角插排分別和電源板、主板連接，而主板與電源板的後端的接線端子直接焊接於儀表後殼左右兩側的接線排座上。三個微型按鍵和4位LED顯示器及抽水與補水指示發光二極體直接焊接於顯示板上，如圖4所示。整個實體電路結構緊湊，模塊之間無須任何連接軟線，裝配十分方便。
圖5是本實用新型的程序流程圖；主程序啟動，進入讀鍵值後，便可以分兩路運行1)當無鍵鎖時，進行鍵碼輸入判斷，有鍵碼輸入則延遲20ms消抖，如無鍵碼則返回，有鍵碼還需判斷鍵碼是否正確，若不正確則返回，正確後進行參數設置、數據處理、存儲，然後返回。2)當有鍵鎖時進入運行，讀參數、採集子程序、數據處理子程序、顯示子程序和控制子程序後再返回採集子程序步驟，重複下一次工作。
圖6、圖7是依上述原理給出的一具體實施的主單元電原理圖和顯示驅動電路圖，在此不一一贅述。
本實用新型由於採用了單片機技術設計，儀表調校和操作十分簡便，且在不改變硬體的情況下容易升級或增添某些特殊功能。而這些是設計者所檢索到的同類數位化專利和同類產品所無法實現的。如專利號為97226911.8、982211323.4、98235746.X的液位控制器均無水位測量與顯示功能。採用的觸點式傳感器容易氧化影響電路工作的可靠性。而專利號為CN87203108 U、96111953.5的液位控制器雖有液位顯示功能，但電路中需要多個預置電位器、比重電位器、調零電位器，電路結構複雜，調校不便，當電位器內部的觸頭因灰塵汙染被氧化後，往往需要重新對儀表校正。
申請人所檢索到的同類智能化專利或產品為數極少。如專利產品96218704.6雖採用了單片機技術，但電路設計上亦有其缺點與不足，如其採樣電路和顯示驅動電路使用了較多的阻容分立元件，結構比較複雜。而本實用新型在設計上具有下列特點與優點1顯示電路部分採用軟體解碼，動態掃描方式顯示。LED顯示的位控和輸出驅動共用了具有大電流驅動的單一集成塊ULN2003，電路結構簡單。
2採用了軟體消抖的按鍵工作方式，按鍵設計精練。
3採用了提示符指引的輸入方式(提示符含義見下表)，操作簡單透明化。
表1提示符意義表
4A/D轉換器TCL7135的時鐘信號直接由CPU的ALE引腳提供，該信號經分頻器C4518分頻後變為150HZ(交流電頻率50HZ的整數倍)使A/D轉換器時鐘信號準確穩定，且增強了對交流電的抗幹擾性。
5採樣電路使用的高解析度的雙積分型A/D轉換器7135，對常用的壓阻電橋式傳感器信號無須前置放大可直接以差分形式輸入，電路結構簡單。
6電路中使用了串行EEPROM存儲器93C46存儲參數，掉電不丟失。
7電路中設置了短接線位於儀表的後面板接線端子上作為鍵鎖開關，當儀表校正完畢後，設置此開關為鎖狀態，按鍵不起作用，避免了誤操作。5.4實施效果由於程序設計中採用了數字濾波技術和看門狗技術，該儀表具有較強了抗幹擾能力。利用交流調壓器將供電電壓調在170V～250V區間，同時在其附近利用衝擊電鑽產生幹擾，儀表均能正常運行。本實用新型在陝西石泉、西鄉等地已試用三年，效果良好，沒有出現任何故障。
權利要求1.一種智能型水位/水壓測控儀，由帶有面板的外殼和安裝在外殼內的電源電路[10]、傳感器[9]及電路板組成；其特徵在於，所述電路板包括一CPU[1]，CPU[1]的輸入和輸出端上分別連接有按鍵[2]、時鐘電路[3]、A/D轉換電路[4]、分頻器[5]、顯示驅動電路[6]、輸出指示電路[7]、控制輸出電路[8]和存儲器[11]；液位傳感器[9]經恆流源電路[10]供電後，將液位信號變換為毫伏級的電壓信號，該信號以差分形式直接輸入到A/D轉換器[4]的輸入端，並利用其引腳STR的功能產生中斷請求信號送入CPU[1]中；CPU[1]採用中斷方式採集到表示水位的電信號後，經過數據濾波，線性化校正及水位換算數據處理過程後，將水位值送向LED驅動電路[6]的埠進行水位顯示；數據依靠程序自動存儲存儲器[11]中；並自動從中調出參數至CPU[1]內部的RAM中供使用，CPU[1]將設定的水位參數與採樣得到的水位值進行比較，然後按控制方式由輸出指示電路[7]輸出相應的控制信號或報警信號。
2.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述恆流源電路[10]是由基準電壓源TL431構成的恆流源電路，其輸出電流IL＝βVR/RS，其中β為T管的電流放大係數，VR＝2.5V為TL431的基準電壓，調節RS值，可改變IL大小。
3.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述程序無須配接外部程序存儲器，而是依靠電寫入方式存儲在CPU[1]內部的FLASHROM中。
4.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述A/D轉換[4]採用高精度雙積分型TCL7135 A/D轉換器，傳感器[9]的信號無須前置放大便可直接輸入到TCL7135的信號輸入端。
5.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述CPU[1]採用51系列單片機89C51晶片。
6.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述存儲器[11]採用串行EEPROM 93C46存儲器。
7.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述顯示驅動電路[6]採用軟體解碼，動態掃描方式顯示；和LED顯示的位控和輸出驅動共用具有大電流驅動的單一集成塊ULN2003。
8.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述液位傳感器[9]配用一般固態壓阻電橋式液位傳感器。
9.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述電源電路[10]為用於供電的恆流源電路。
10.根據權利要求1所述的智能型水位/水壓測控儀，其特徵在於，所述外殼的面板上的顯示板的左右兩側依靠直角插排分別和電源板、電路板連接，而電路板與電源板的後端的接線端子直接焊接於儀表後殼左右兩側的接線排座上，三個微型按鍵[2]和4位LED顯示器及抽水與補水指示發光二極體直接焊接於顯示板上。
專利摘要本實用新型公開了一種智能型水位/水壓測控儀，由外殼、電源電路、傳感器及電路板組成；液位傳感器經恆流源電路供電後，將液位信號變換為毫伏級的電壓信號，該信號以差分形式直接輸入到A/D轉換器的輸入端，並利用其引腳STR的功能產生中斷請求信號送入CPU中；CPU採用中斷方式採集到表示水位的電信號後，經過數據濾波，線性化校正及水位換算數據處理過程後，將水位值送向LED驅動電路的埠進行水位顯示；數據依靠程序自動存儲存儲器中；並自動從中調出參數至CPU內部的RAM中供使用，CPU將設定的水位參數與採樣得到的水位值進行比較，然後按控制方式由輸出指示電路輸出相應的控制信號或報警信號。電路結構簡單，成本低，調校方便。提高了給水過程的自動化程度。
文檔編號G01F23/24GK2580494SQ0226236
公開日2003年10月15日 申請日期2002年10月25日 優先權日2002年10月25日
發明者王國棟, 楊運經, 劉雲鵬, 張社奇 申請人:西北農林科技大學