付存謂1，費美芬1，李軍1，孫睿嚀2，李炫志2，黃旭銘2,周晉怡2,陳光樂2
(1.浙江比華麗電子科技有限公司,浙江 桐鄉314500；2.中國計量大學 機電工程學院 求是電子科技協會，浙江 杭州 310000)
摘要：主要從系統原理的簡單描述，硬件、軟件的設計和介紹，數據采集處理方式及創新點幾個方面介紹了一種新型水位檢測系統。該系統采用非接觸式測量，針對接觸式水位檢測系統的測量電路測量速度慢、測量精度低、要與水接觸、測高溫液體時會產生誤差等不足之處進行了改善，利用新型的壓力傳感器，能在傳感器不接觸到水的情況下對水位進行測量，延長了系統壽命。并且添加了溫度補償的功能來減小誤差，提高了系統測量高溫液體液位時的測量精度。該系統結構簡單，成本較低，速度比接觸式測溫更快且使用壽命較長，適用于對液位測量精度要求較高的場合。
關鍵詞：水位監測；溫度補償；壓力傳感器
0引言
目前，水位檢測系統已被廣泛地應用于檢測地下、河道、水庫等水位的變化情況，以便人們在水位過高或過低時及時地進行調整。水位檢測系統可分為接觸式測量系統和非接觸式測量系統，接觸式水位檢測系統檢測電路（包括傳感器）需放在水下，與水接觸，這就導致了傳感器壽命變短，并且大部分水位檢測系統不含有溫度補償功能，當待測水的溫度隨天氣的變化而變化時，不能對溫度變化進行補償以減小溫漂，降低對水壓的影響，會對水位的測量結果產生一定影響。本文對一種應用了HM1600B型壓力傳感器的水位檢測系統進行了詳細描述。此系統針對上述缺陷一一進行了解決。本系統采用將軟管放入水中，根據管內氣壓變化來反映液位變化的方法來進行液位測量，當水溫變化時軟管內氣壓也會發生變化，傳感器不與待測液體直接接觸，增長了系統使用壽命，并添加了溫度補償功能，提高了水位測量的精度。整個系統結構簡單，測量速度更快，適合于大規模的普及應用。
1系統簡介
本系統應用了STM32單片機、2.8英寸TFTLCD顯示、HM1600B型壓力傳感器，還應用了精度較高的熱電偶溫度計，以便于采集待測液體溫度數據并進行溫度補償。將傳感器采集到的壓力信號轉化為液位高度值傳到液晶顯示屏顯示并傳到上位機進行處理，實現歷史水位值查詢、水位變化曲線圖的繪制等功能。壓力水位檢測系統的總體框圖如圖1。
測量過程：將一根軟管一端與壓力傳感器連接，另一端放入水槽中，此時管內的氣壓會隨著容器中液位的增加或減少而產生變化，由傳感器采集氣壓的數據并經溫度補償等處理后轉化為線性規律的電壓信號輸出，電壓信號由STM32單片機的12位ADC進行采集并對采集到的信號進行進一步處理，將其轉換為水位值在液晶顯示屏上顯示，同時將處理好的數據通過串口發送到上位機，得到水位變化的曲線圖，并可實現歷史水位數據的查詢。溫度補償已包含在壓力傳感器內部，因此不做詳細介紹。系統結構如圖2，系統原理如圖3。
2系統硬件
2.1HM1600B型傳感器模塊
傳感器的選擇是系統制作的核心部分。目前測水位的液位傳感器主要有浮子式水位傳感器、水位跟蹤式傳感器、超聲波水位傳感器、雷達激光水位傳感器、壓力式水位傳感器等。其中，壓力傳感器可將壓力轉化為電流或電壓從而對其進行測量。本系統中使用的傳感器為應用較為普遍且體積較小的硅壓阻式傳感器。它是一個由4個等值電阻構成的惠斯通電橋，當受到壓力時，其中一對橋臂電阻值增大，另一對則減小，根據惠斯通電橋的基本原理，電橋輸出電壓與所受到的壓力成正比，通過對電橋輸出電壓的測量即可得出電橋所受的壓力［1］。本系統使用的是由深圳恒敏傳感科技有限公司生產的HM1600B型壓力傳感器，針對傳統的硅壓阻式傳感器進行進一步的改進。以下是該傳感器的一些參數：
測量范圍：0~7 kPa（G）
供電：5 V DC
輸出：0.5~4.5 V DC
靜態精度：±2.5％FSO（即誤差17.5 mm水位）
綜合誤差：±5％FSO（包括在0~70℃的溫度誤差）
由于此傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成，氣壓阻系數隨溫度的變化而變化，壓阻效應原理本身就會引起傳感器輸出的溫度漂移［2］。所以要對傳感器進行溫度補償。本傳感器中已包含溫度補償部分。安裝時，只需將本傳感器直接焊接在電氣PCB主板上即可，注意對傳感器加的電壓不宜過大，否則易導致傳感器損壞。此壓力傳感器輸出的電壓曲線公式如下：
其中,Vout為壓力傳感器輸出電壓，Vin為采集到的電壓信號,Vin=2.8~5.4 V DC。
傳感器結構如圖4。
本傳感器為減小誤差、提高精度而加入了溫度補償部分，通過采用熱電偶溫度計對液體溫度進行測量并對得到的溫度信號進行采集，通過計算對溫度進行補償，從而提高了測量的精度。傳感器規范配置如圖5。
2.2單片機模塊
本系統采用STM32F103RCT6單片機，芯體為32 bit，是一種嵌入式微控制器，采用2~3.6 V電壓對其進行供電，內核采用ARM CortexM3，工作頻率最高為72 MHz，1.25 Mips/MHz（如果CPU運行在1 MHz的頻率下，每秒可執行125萬條指令），單片機支持3種低功耗模式：睡眠模式、停機模式和待機模式。
本實驗應用了單片機中的ADC模塊，將采集到的模擬信號（線性變化的電壓值）轉換為便于微處理器處理的數字信號，再由系統根據一定規律進行處理來間接地得到待測液體的液位值。單片機應用12位ADC,其為一種逐次逼近型模擬數字轉換器。有18個通道，通道的A/D轉換有4種執行模式，分別為單次、連續、掃描和間斷。其結果將以左對齊或右對齊的方式存儲在16位數據寄存器中。
2.3液晶顯示模塊
本系統中采用TFTLCD來對待測液體的液位高度進行顯示。TFTLCD即薄膜場效應晶體管LCD，主要構成包括：螢光管、導光板、偏光板、濾光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜晶體管等部分。每個像素節點都相對獨立，并可以連續控制，可在提高顯示屏反應速度的同時精確控制顯示色階，使顯示效果更加逼真。
2.4電源模塊
對STM32單片機供電電壓一般在2~3.6 V之間，不能過大，否則單片機容易被損壞。本系統中單片機直接通過電腦USB接口供電，并未單獨設立電源模塊，使操作更方便，系統結構更簡單，且電腦USB端口供電較穩定，單片機不易被燒壞。由于HM1600B型傳感器工作電壓為5 V，所以應單獨使用一個5 V電源為其供電，保證壓力傳感器和STM32單片機均可正常使用。
3系統軟件設計
系統軟件設計包含以下幾個部分：各個模塊初始化；壓力傳感器采集氣壓數據并轉換成電壓；單片機ADC對傳感器電壓數據進行接收；單片機對接收到的數據進行處理；LCD顯示。
3.1系統工作過程
將一根軟管的一端與壓力傳感器連接，另一端放入水槽中，軟管內的氣壓隨容器內液位的升高或降低而產生變化，各模塊初始化后，壓力傳感器通過感受軟管內氣壓的變化，進而在OUT口產生電壓，單片機通過ADC來接收壓力傳感器OUT口產生的電壓。STM32F103RCT6的ADC模塊可檢測0~3.3 V的電平，OUT口連接單片機的PA1引腳，接收到電壓后，通過轉換，將電壓值轉換成水位值在LCD屏幕上進行顯示并將轉化后的數據發送給上位機進行處理。系統程序流程如圖6。
圖6系統程序流程圖
3.2上位機設計
上位機應用QT軟件編程制作而成。在上位機中，操作者可根據單片機的需要來改變連接的串口號和波特率，經過轉化后的水位值可在“水位高度”處進行顯示，并且可利用QT自帶的數據庫對歷史檢測的水位值進行查詢，還可根據水位的變化自動繪制出水位隨時間的變化曲線圖，便于操作人員對水位的變化趨勢進行進一步的了解和研究，并及時對因水位變化而帶來的問題進行警戒和解決。還可根據需要在上位機中添加報警系統，當水位超過某一設定值時，可通過添加的提示燈的亮滅情況來判定水位是否符合標準需求。
4數據的采集及處理
當傳感器向單片機輸出線性電壓信號時（電壓信號由傳感器的OUT口輸出），由單片機的ADC模塊對電壓信號進行采集，ADC模塊將采集到的模擬信號（線性變化的電壓值）轉換為便于微處理器處理的數字信號，OUT口接單片機的PA1腳，再由單片機對轉換后的數據進行處理，將采集到的電壓信號轉換為待測液位的高度，并將其在液晶顯示屏上輸出和傳入上位機進行處理。
將電壓信號轉化為液位高度的公式如下：
其中h為液位高度，Vin為采集到的電壓信號,Vin=2.8～5.4 V DC。
由實際測量可知，盡管傳感器內部進行了溫度補償，溫度的變化對測量值的準確性還是有一定影響，所以在進行水位測量時，要對環境的溫度有所限制，在不同的環境下，測量時所要求的溫度應有所改變，以保證液位顯示值的準確性。
5結論
本文詳細介紹了一種新型的液位檢測系統，該系統采用非接觸測量的方式，對插入水中的軟管內隨水位而變化的氣壓進行測量采集并將其轉化為線性變化的電壓信號，再用STM32單片機的ADC對電壓信號進行采集，并對其進行處理后將液位值顯示在LCD和上位機上，解決了接觸式測量的測量速度慢、測量精度低、傳感器壽命短等問題，同時傳感器中加入了溫度補償，使測量結果更精確，充分利用了STM32單片機強大的控制功能和通信接口［3］，使得測量結果的精確度大大提高。HM1600B型傳感器性能優良，設計獨特且使用方便［4］，使系統可應用性更強。本系統結構簡單，測量精度較高，具有很高的應用價值和很大的普及性，發展前景可觀。
參考文獻
［1］ 謝少偉，劉吉來.基于MPX系列壓力傳感器的智能水位實時檢測系統［J］.紹興文理學院學報:自然科學版, 2007, 27(10):58-62.
［2］ 郭鳳儀，李斌，馬文龍，等.深水水位檢測用壓力傳感器補償方法研究［J］.儀表技術與傳感器, 2010(6):6-8.
［3］ 馬俊，陳靖.基于單片機的水塔水位檢測控制系統仿真設計［J］.電子設計工程, 2009, 17(4):85-86.
［4］ 祝勉.MPX系列X型橫向壓阻式硅壓力傳感器［J］.儀表技術與傳感器, 1994(1):39-41.