基于C8051的射頻導納長線料位儀的研制

連城

(大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江 大慶 163001)

1 引言

物位檢測技術在現代工業過程控制中占有重要的地位，通過對物位的精確高度測量，實現對物位的處理以及加工過程的最優化控制，并且對現有物位的儲藏管理提供有用的信息。目前應用于生產實踐的物位儀表種類繁多，按測量方式有接觸式測量和非接觸式測量，因傳感器索取一次信號方式方法的不同決定著物位儀表的應用領域和使用范圍。射頻導納物位儀表具有結構簡單，工作可靠，測量準確，維護方便的優點得到廣泛應用[1]。

本文提出的射頻導納長線料位儀，是為適應檢測裝置發展趨勢，結合廠家應用的實際情況，設計的適用于大直徑、長距離、厚倉壁、封閉式容器內的頂端物位測量，該儀表的應用可提高工作效率，減輕勞動強度，使物位檢測工作又實現了一次新的飛躍。

2 測量原理

射頻導納物位儀表是由電容式物位測量原理發展起來的[2]。由于被測容器壁與探測極之間存在電容特性，在理想情況下，當倉內無物料時其探測極與倉壁間存在的分布電容為C0：

C0＝ε0S/D ε0≈1：空氣介電常數；S：兩極板面積；D：兩極板間距離

當物料高于探測極時:

CW＝εS/D ε:被測物料的介電常數

ΔC=CW-C0通過推導可得出：

ΔC=S/D(ε-ε0)對于特定的料倉來說 S、D 為常數，可取S/D=a，

ΔC=a(ε-ε0)即物料的有無對應電容 ΔC 的變化。

儀表工作時由探測極的分布電容去調制工作頻率:C0對應 f，CW對應 fW，取(C0+ΔC)/2 對應的頻率(f0+fW)/2為判定閾值，通過運算即可判斷物料的空滿狀態。

3 結構設計

樣機結構設計的基本要求是體積小，重量輕，安裝調試方便、防腐蝕、防震、密封、抗電磁干擾。

3.1 儀表組成

射頻導納長線料位儀由棒式探測極、連接桿、二次儀表和手持控制器組成。棒式探測極的作用是索取介質的變化量，由不銹鋼加工而成；連接桿主要是將探測極與主機二次儀表進行連接，進行介質變化量的傳輸，將探測信號傳輸給二次儀表；二次儀表把介質變化量進行數字化分析計算處理后，得到介質變化的結果，并進行計算判斷，顯示和輸出測量結果。數據處理部分置于主機密封殼體內，通過殼體上的航空插頭進行RS485數據線引出，連接到手持控制器和程控柜上。

3.2 測量電路的設計

測量電路的設計要求是力求簡單、適用、穩定、可靠、抗干擾能力強、溫度性能好。

測量電路包括信號采集和數據處理兩大部分。信號采集電路是將來自于探測極的脈沖信號放大、整形和消除靜電干擾，產生可進行數據分析處理的脈沖信號。數據分析處理部分由單片機來完成，單片機采用C8051F410，主要實現輸入信號的分析處理并由數模轉換，顯示料位狀態。

3.2.1 數據采集。儀表設計中運算放大器的選用和放大電路的設計是數據采集的核心內容，直接影響到儀表的技術參數和抗干擾性。本設計中采用集成運算放大器TLV2624為核心元件構成振蕩器電路，該放大器工作溫度范圍是-40℃～125℃，電壓溫度漂移3uV/℃，帶寬8MHz。

3.2.2 數據處理。采用具有片內上電復位、VDD監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的SOC單片機器件C8051F410為儀表的數據處理和控制核心[3]。C8051F410實現儀表的控制運算功能：獲取探測器信號并進行計算處理；提供精確的定時器和計數器；實現數據存儲和修改、參數設置；控制繼電器輸出狀態；實現掉電保護、溫度保護；驅動顯示芯片和控制實時時鐘。

圖1 CPU控制結構框圖

3.2.3 LED顯示單元。顯示部分采用ZLG7289芯片做為核心，實現LED譯碼、驅動電路功能，采用同步串行外設接口，與單片機相連接，可同時驅動8位LED，實現數據顯示和面板指示燈的報警。此芯片具有高度的穩定性，可保障裝置在環境條件惡劣的情況下穩定工作。

4 編程思想及軟件功能

4.1 編程思想：根據智能儀器的設計原則，采用自頂向下的程序設計思路，模塊化編程和結構化編程相結合的思想，檢測儀在功能上實現了自診斷、自修復等一些實用性操作，在自診斷程序中涵蓋了ROM、RAM、插件、開機、總線、輸入通道、鍵控自檢以及周期性自檢等多方面的檢測，保證了儀表的可靠性使用[4]。在數據處理方面，采用數字濾波，以保證測量的準確性。

圖2 主函數流程圖

4.2 軟件功能

4.2.1 運行功能。探測極測得的采樣信號以秒中斷的方式經運算放大器放大后傳輸到單片機T0計數器中，計數器進行累加計算，取算術平均值，結果作為此周期內測量的信號，計算得出結果與判斷基值相比較，確定繼電器輸出狀態，大于判斷基值，輸出"空"指示，小于判斷基值，輸出"滿"指示。為確保測量過程的穩定性，當信號幅度或頻率超出T0計數器工作范圍時，裝置將自行判斷信號合理性，符合條件的信號可被裝置正確識別，不符合條件的信號會被認定當前周期內信號無效而重新進行采樣。

4.2.2 參數設置功能。在裝置位于運行狀態時，可進行參數設置功能操作。預設增減鍵、移位鍵、確認鍵等功能按鍵。按住確定鍵三秒鐘后，進入參數設置，默認顯示菜單P-1，再按下確定鍵進入具體參數調整。移位鍵功能實現數位之間的切換操作，增減鍵可設置參數數值大小。

4.2.3 檢測功能。此功能運行于通電自檢，主要包括ROM、RAM、插件、開機、總線、輸入通道、鍵控自檢。檢測完畢后，如某項出現問題會給出固定字符提示，提示使用者某檢測項出現問題，需斷電處理解決。

4.2.4 復位功能。恢復參數出廠設置，即所有參數值均為默認初始值。

5 結束語

基于射頻導納技術的射頻導納長線料位儀經現場試驗達到了預期的使用效果，儀表的各項性能達到了設計目的。我們還在進行進一步的研究，以解決影響頻率穩定因素，如電源電壓、溫度等，這些因素都要仔細加以考慮，以提高儀表測量的準確性，使得本文提出儀表的功能更加完善，應用更加廣泛。

[1]吳智.物位測量綜述[J].應用與實踐.2002.

[2]DE公司上海代表辦事處.射頻導納式物位測量.醫藥工程設計[J].1994(4)：43-47.

[3]C8051F410/1/2/3混合信號ISPFLASH微控制器數據手冊[Z].新華龍電子有限公司Rev0.7 2006.02.

[4]王克義，王均.硬件、軟件及接口技術教程[M].北京：清華大學出版社，1998.