感應式數字水位傳感器智能變送器設計

摘要：針對感應式數字水位傳感器在實際應用中遇到的輸出信號非標準信號問題，設計了一種應用于感應式數字水位傳感器的智能變送器。該智能變送器以C8051F020單片機為主控芯片，高性能數模轉換器AD421輸出4～20mA電流信號，MAX485芯片實現(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計方案，解決了原傳感器輸出信號非標準信號的問題，且增加了RS485接口。
關鍵詞：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，我國是一個水旱災害頻繁的國家，尤其是洪澇災害，長期影響經濟的發(fā)展，并給國家和人民生命財產造成重大損失。為了提高洪水的有效預見期，及時準確地掌握各主要河流的水位變化情況，自20世紀70年代，我國開始建設水情自動測報系統(tǒng)，特別是發(fā)展水深測量技術，主要向更可靠、更先進、更現(xiàn)代化的方向發(fā)展，這對于防汛減災和水資源的合理利用具有十分重要的意義。
水情自動測報系統(tǒng)的關鍵是水深的測量，而水深測量技術的關鍵則是傳感器，傳感器穩(wěn)定工作，準確檢測水位，并通過變送器把有效的數據傳送給觀測人員。因此傳感器能否穩(wěn)定工作、準確檢測水位、有效傳輸數據則成為水情自動測報的關鍵。
目前應用較多的浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等都有一定的局限性。近年來，太原理工大學測控技術研究所在智能傳感器、新型傳感器領域發(fā)展迅速，馬福昌教授成功研制發(fā)明了感應式數字水位傳感器(專利號：ZL96110735．9)，該傳感器采用數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，沒有模糊數據。克服了溫度、空氣壓強、電場、磁場等環(huán)境分布參數的影響，可在比較復雜的水文環(huán)境下，比如黃河泥沙量高的環(huán)境下穩(wěn)定運行，提高了檢測的準確性、可靠性，經現(xiàn)場實驗，運行良好。
感應式數字水位傳感器在傳統(tǒng)應用中，輸出的信號是非標準的電流信號，需要配備專門的儀表進行二次處理，成本高，不便于調試組網，很大程度上限制了傳感器的應用。
本文根據感應式數字水位傳感器的工作原理和特點，介紹了一種智能變送器的設計方案，重點是輸出標準的電流信號(4～20 mA)和增加RS485接口。解決傳統(tǒng)應用中組網調試不方便的問題。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
該系統(tǒng)的主要結構框圖如圖1所示，主要由感應式數字水位傳感器、信號調理電路、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上位機監(jiān)控軟件實現(xiàn)網絡通信功能。

感應式數字水位傳感器是按照仿生物學的思路，應用仿神經網絡設計思想設計而成的。它的內部布滿了神經元電路板，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，由若干個取樣感應元電路通過介質水接收檢測信號，由電容耦合檢波電路檢波后得到的信號電壓實現(xiàn)水位信號的直接取樣，成為數字取樣傳感器。它的每個神經元電路都是以開關脈沖的形式輸出數字信號，經過統(tǒng)計后，將開關數字信號調制為模擬信號電流(非標準電流信號)方式輸出給信號調理電路進一步處理。
信號調理電路是將傳感器輸出的非標準電流信號轉化為電壓信號，為C8051F020模數轉換做準備。經過單片機模數轉換后，可以將傳感器信號轉化為數字信號，然后就可以很方便地進行下面的操作：存儲水文數據、通過AD421輸出4～20 mA的標準電流信號、RS-485接口輸出等。