水位循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙文軍

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，測(cè)試與傳感技術(shù)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。水位檢測(cè)是進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視水位是否安全的主要手段之一，采用電接點(diǎn)水位檢測(cè)方法，來(lái)判斷水位的高底，從而在數(shù)碼管中顯示出相應(yīng)的高度值，并通過(guò)雙色發(fā)光二極管LED陣列對(duì)水位高度進(jìn)行模擬顯示。這種水位檢測(cè)和顯示系統(tǒng)，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，是一種低成本檢測(cè)裝置。利用PIC單片機(jī)特殊的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、輸出，能夠使執(zhí)行速度提高許多，滿足了對(duì)于任務(wù)不繁忙的場(chǎng)合進(jìn)行精確的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：水位檢測(cè);雙色二極管

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，測(cè)試與傳感技術(shù)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。在科學(xué)研究瞬間物理過(guò)程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段，數(shù)據(jù)采集與處理越及時(shí)，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越大。

本設(shè)計(jì)采用電接點(diǎn)水位檢測(cè)方法，在每一個(gè)預(yù)定水位檢測(cè)點(diǎn)處，將兩個(gè)電極安裝在容器壁，使其一端能夠與沒(méi)過(guò)該點(diǎn)的水充分接觸，另一端引出到容器外面同檢測(cè)電路相連，兩個(gè)電極等高度并間隔一定距離。當(dāng)水位沒(méi)有達(dá)到該檢測(cè)定點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)電極間電阻為無(wú)窮大;而一旦水位上升到該點(diǎn)高度，則兩個(gè)電極同時(shí)沒(méi)于水中，由于水的導(dǎo)電性，兩個(gè)電極導(dǎo)通。通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)電極是否導(dǎo)通就可以檢測(cè)水位的高度了。對(duì)15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)相應(yīng)有15個(gè)檢測(cè)通道，本設(shè)計(jì)運(yùn)用兩片8通道的多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051，對(duì)各通道循環(huán)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。模擬水位高度由15個(gè)雙色發(fā)光二極管（LED）來(lái)完成，共分為4組。在某一特定時(shí)刻，每組LED與一個(gè)數(shù)碼管一起被選通（4組LED對(duì)應(yīng)4個(gè)數(shù)碼管），兩個(gè)8位的移位寄存器74LS164級(jí)聯(lián)，將單片機(jī)送出的2個(gè)字節(jié)串行數(shù)據(jù)化為16位并行數(shù)據(jù)，分別送選通的LED和數(shù)碼管。在不同時(shí)刻，系統(tǒng)對(duì)4組LED和數(shù)碼管快速地循環(huán)掃描，最后完成顯示功能。

本系統(tǒng)是參照對(duì)小型鍋爐中的水位進(jìn)行檢測(cè)和溫度檢測(cè)，然后將帶符號(hào)的水位值（低于或高于零點(diǎn)）用數(shù)碼管顯示出來(lái)，并通過(guò)雙色發(fā)光二極管LED陣列對(duì)水位高度進(jìn)行模擬顯示。整個(gè)系統(tǒng)主要包括檢測(cè)和顯示兩個(gè)部分。水位檢測(cè)：在0mm、±10mm、±25mm、±50mm、±80mm、±120mm、±160mm、±240mm共15點(diǎn)基礎(chǔ)上，檢測(cè)水位偏離零點(diǎn)的大小。水位顯示：將檢測(cè)結(jié)果用數(shù)碼管顯示出來(lái)，顯示值以比實(shí)際水位的最近點(diǎn)為準(zhǔn)。同時(shí)，用15個(gè)豎直排列的雙色LED陣列直觀的模擬當(dāng)前水位高度，當(dāng)水位沒(méi)有達(dá)到某點(diǎn)時(shí)相應(yīng)的LED顯示紅色，達(dá)到或超過(guò)則顯示綠色。當(dāng)水位低于-240mm時(shí)報(bào)警燈顯示綠色，高于+240mm時(shí)報(bào)警燈顯示紅色，當(dāng)水位恢復(fù)正常值時(shí)報(bào)警燈熄滅。自動(dòng)給水：通過(guò)對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如果水位沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的高度，那么可以進(jìn)行給水;當(dāng)水位達(dá)到預(yù)定的高度時(shí)，給水停止，信號(hào)燈亮。自動(dòng)退水：如果水位檢測(cè)結(jié)果，超過(guò)了預(yù)定的水位，則進(jìn)行退水;當(dāng)水位退到預(yù)定的水位時(shí)，停止退水，且相應(yīng)的信號(hào)燈亮。

水位檢測(cè)采用電接點(diǎn)水位檢測(cè)方法，在每一個(gè)預(yù)定水位檢測(cè)點(diǎn)處，將兩個(gè)電極安裝在容器壁，使其一端能夠與淹沒(méi)該點(diǎn)的水充分接觸，另一端引出到容器外面同檢測(cè)電路相連，兩個(gè)電極等高度并間隔一定距離。當(dāng)水位沒(méi)有達(dá)到該檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)電極間電阻為無(wú)窮大;而一旦水位上升到該點(diǎn)高度，則兩個(gè)電極同時(shí)淹沒(méi)于水中，由于水的導(dǎo)電性，兩個(gè)電極導(dǎo)通，通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)電極是否導(dǎo)通就可以檢測(cè)水位的高度。對(duì)于15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)相應(yīng)就有15個(gè)檢測(cè)通道，本設(shè)計(jì)運(yùn)用兩片8通道的多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051，對(duì)各通道循環(huán)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

盡管水位檢測(cè)原理很簡(jiǎn)單，但應(yīng)用時(shí)卻不能僅僅用每路的通斷來(lái)判斷水位是否淹沒(méi)該路的電極。實(shí)際上，水的電阻因水中所含成分不同有很大的差異，例如蒸餾水就不導(dǎo)電，就不能用這種方法來(lái)檢測(cè)，而本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的場(chǎng)合經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得水阻在幾kΩ到幾十kΩ不等;另一方面，空氣電阻也不是無(wú)窮大，也跟其成分有關(guān)，例如飽和蒸汽的阻值就大概在1MΩ左右。所以，不能通過(guò)判斷單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集引腳輸入電平高低來(lái)判斷水位是否到達(dá)某點(diǎn)，否則，對(duì)介于高、低電平之間的電平狀態(tài)就無(wú)法做出判斷，而這種情況是可能存在的。

LED顯示模擬水位高度由15個(gè)雙色發(fā)光二極管LED來(lái)完成，共分為4組。在某一特定時(shí)刻，每組LED與一個(gè)數(shù)碼管一起被選通（4組LED對(duì)應(yīng)4個(gè)數(shù)碼管），兩個(gè)8位的移位寄存器74LS164級(jí)聯(lián)，將單片機(jī)送出的2個(gè)字節(jié)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為16位并行數(shù)據(jù)，分別送選通的LED和數(shù)碼管。在不同時(shí)刻，系統(tǒng)對(duì)4組LED和數(shù)碼管快速地循環(huán)掃描，就完成了面板顯示的功能。本設(shè)計(jì)中使用的LED是雙色二極管。1個(gè)雙色二極管有3個(gè)引腳，引腳1、2均為信號(hào)“+”端，引腳3為GND端（信號(hào)“-”端）。數(shù)碼管及LED顯示電路如圖所示。

結(jié)論：在課題設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要進(jìn)行了如下的工作：首先，在明確設(shè)計(jì)任務(wù)后，查閱了許多的相關(guān)資料，結(jié)合本系統(tǒng)的功能要求，制定出了一整套的設(shè)計(jì)方案，繪制出了電路圖，選購(gòu)了相應(yīng)的元器件。其次，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，制訂了水位檢測(cè)與溫度測(cè)量的總體軟件設(shè)計(jì)方案，并按照模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，繪制了軟件總體流程圖及各軟件模塊的流程圖。在仿真調(diào)試過(guò)程中對(duì)硬件電路和軟件程序進(jìn)行修改。最后，根據(jù)修改的電路圖定制電路板，在電路板上焊接好各相關(guān)器件，用仿真器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)?shù)匦薷牧塑浖绦蛑械南嚓P(guān)參數(shù)，以完善系統(tǒng)的整體程序。