感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器智能變送器設(shè)計(jì)

摘要：針對感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器在實(shí)際應(yīng)用中遇到的輸出信號非標(biāo)準(zhǔn)信號問題，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器的智能變送器。該智能變送器以C8051F020單片機(jī)為主控芯片，高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421輸出4～20mA電流信號，MAX485芯片實(shí)現(xiàn)RS485通信。介紹了一種集RS485通信和4～20 mA輸出的智能液位變送器，給出了具體的軟硬件設(shè)計(jì)方案，解決了原傳感器輸出信號非標(biāo)準(zhǔn)信號的問題，且增加了RS485接口。
關(guān)鍵詞：自動化儀器儀表與裝置；智能變送器；C8051F020；AD421；RS485

由于所處地理位置和氣候影響，我國是一個水旱災(zāi)害頻繁的國家，尤其是洪澇災(zāi)害，長期影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。為了提高洪水的有效預(yù)見期，及時準(zhǔn)確地掌握各主要河流的水位變化情況，自20世紀(jì)70年代，我國開始建設(shè)水情自動測報(bào)系統(tǒng)，特別是發(fā)展水深測量技術(shù)，主要向更可靠、更先進(jìn)、更現(xiàn)代化的方向發(fā)展，這對于防汛減災(zāi)和水資源的合理利用具有十分重要的意義。
水情自動測報(bào)系統(tǒng)的關(guān)鍵是水深的測量，而水深測量技術(shù)的關(guān)鍵則是傳感器，傳感器穩(wěn)定工作，準(zhǔn)確檢測水位，并通過變送器把有效的數(shù)據(jù)傳送給觀測人員。因此傳感器能否穩(wěn)定工作、準(zhǔn)確檢測水位、有效傳輸數(shù)據(jù)則成為水情自動測報(bào)的關(guān)鍵。
目前應(yīng)用較多的浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等都有一定的局限性。近年來，太原理工大學(xué)測控技術(shù)研究所在智能傳感器、新型傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速，馬福昌教授成功研制發(fā)明了感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器(專利號：ZL96110735．9)，該傳感器采用數(shù)字化直接取樣的信號采樣方式，不再采用傳統(tǒng)的模擬量檢測方法，沒有模糊數(shù)據(jù)?？朔藴囟?、空氣壓強(qiáng)、電場、磁場等環(huán)境分布參數(shù)的影響，可在比較復(fù)雜的水文環(huán)境下，比如黃河泥沙量高的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，提高了檢測的準(zhǔn)確性、可靠性，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行良好。
感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器在傳統(tǒng)應(yīng)用中，輸出的信號是非標(biāo)準(zhǔn)的電流信號，需要配備專門的儀表進(jìn)行二次處理，成本高，不便于調(diào)試組網(wǎng)，很大程度上限制了傳感器的應(yīng)用。
本文根據(jù)感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器的工作原理和特點(diǎn)，介紹了一種智能變送器的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)是輸出標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(4～20 mA)和增加RS485接口。解決傳統(tǒng)應(yīng)用中組網(wǎng)調(diào)試不方便的問題。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器、信號調(diào)理電路、電源電路、MCU(C8051F020)最小系統(tǒng)、4～20 mA輸出(AD421)、RS-485接口(MAX485)，另外還包括PC，通過PC上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。

感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器是按照仿生物學(xué)的思路，應(yīng)用仿神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)而成的。它的內(nèi)部布滿了神經(jīng)元電路板，外部由可塑性絕緣材料澆鑄而成，一般做成棒狀。傳感器由超音頻發(fā)生器和發(fā)射頭向水中發(fā)射檢測信號，由若干個取樣感應(yīng)元電路通過介質(zhì)水接收檢測信號，由電容耦合檢波電路檢波后得到的信號電壓實(shí)現(xiàn)水位信號的直接取樣，成為數(shù)字取樣傳感器。它的每個神經(jīng)元電路都是以開關(guān)脈沖的形式輸出數(shù)字信號，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)后，將開關(guān)數(shù)字信號調(diào)制為模擬信號電流(非標(biāo)準(zhǔn)電流信號)方式輸出給信號調(diào)理電路進(jìn)一步處理。
信號調(diào)理電路是將傳感器輸出的非標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，為C8051F020模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。經(jīng)過單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，可以將傳感器信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后就可以很方便地進(jìn)行下面的操作：存儲水文數(shù)據(jù)、通過AD421輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號、RS-485接口輸出等。