論單片機油水界面測量系統的設計與實現

摘要：隨著科學技術的發展，在測量工業中不斷的產生出新一代的產品，特別是高自動化、高智能化的測量工具的不斷產生使整個社會的測量技術有了很大的提高。對現代的測量工具，其要求是很高的，它們應具有精度高，抗干擾能力強，操作方便，使用靈活等特點。在本次設計中也正是以這幾個特點為指標而進行的。本文針對這些問題，提出了單片機在油水界面測量系統開發中的應用。

關鍵詞：單片機 有水界面 測量 系統

雖然測量工業得到了一定的發展，但是在惡劣環境下的測量還不能適應高科技發展的需要，首先表現在精度的保證上，這是一個致命的弱點；其次是儀器體積大，不方便操作，笨重等缺點。從這里可以看出，這些儀器顯然已經不能滿足電子計算機高速發展的今天。現代的測量技術中引進了計算機的控制，正向著機、電、光相結合的方向發展。特別是利用微控制器控制的儀器越來越受到人們的關注，顯示其特有的優越性。之所以這樣，其主要原因有兩個：柔性自動化和智能化。所謂柔性自動化是指通過微控制器可以靈活的按照人們編定的程序自動的完成測量操作，采集數據，自動計算，控制外部設備輸出數據。而所謂智能化是指它們能按照人們第一遍的操作自動進行以后的操作。這樣我們通過使用這種儀器就可以做到實時自動測量，以避免人為因素而造成的不必要的損失。

一、基本設計思路

在本次設計中，開始的方法是利用一些密密麻麻的電阻呈上下排列，然后加上電壓，測其所達到的電壓值而確定其高度，但電阻在那種環境下工作，其電阻值也會隨之改變，這樣的誤差太大，所以這種方法不被采納。后來，想到利用干簧管和多路選擇開關測量各接口部分的高低信號，這樣避免了上面的缺點，但是新的問題也出現了，因為干簧管是機械裝置，它具有彈簧片能夠感應磁場，但是彈簧具有一定的疲勞度，時間長了，彈簧片將導致干簧管閉合上的錯誤，所以這種方法也不能被采用。后來，我采用了霍爾開關，它是新型的磁敏傳感元件，是一種雙穩開關型霍爾傳感器，它集成磁敏霍爾效應片和集成電路為一體，具有靈敏可靠、體積小巧、無觸點、無磨損、使用壽命長、功耗低以及不怕塵土、油污、濕熱等優點。這樣，問題就解決了。

在輸入信號方面，這里采用了16個多路選擇開關74150控制16*16個霍爾開關傳感器，并利用譯碼器74154選通16個多路選擇開關的任何一路。當然，我們也可以再加些片子，這就用到擴展方面的知識了，但是對本設計不需要太多的選擇開關，所以用不到擴展。

輸入信號被送到8031單片機后，8031需要進行存儲，因為8031存儲空間不夠，所以要加上 2764和 6264擴展存儲空間，而且還要用到 74LS373進行鎖存。如果利用單片機80C552，我們就可以省略以上操作，但是考慮到80C552是種比較新的單片機，對它的了解不如 8031，所以本設計還是采用了比較熟悉的8031單片機。

同時，我們在顯示器方面選擇了LED進行顯示，這里我們利用移位寄存器的方法，由于74LS164移位寄存器無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態會不斷變化，故在某些應用場合，在74LS164的輸出端應加接輸出三態門控制，以便保證串行輸入結束后再輸出數據。還有要指出的是串行口的工作方式0為移位寄存器輸入輸出方式，可外接移位寄存器，以擴展I/O口，也可外接同步輸入輸出設備。方式0輸出時，串行數據通過RXD引腳輸出，而TXD引腳輸出移位時鐘，作移位脈沖輸出端。經過以上各個方面的考慮我們現在可以將系統的框圖得出，框圖1如下所示。

圖1：結構圖

二、 系統實現

在石油生產中需要大量的儲油罐，而在儲油罐中油水界面和油液面的測量，是非常重要的工作。這關系到油田生產的安全性和對原油生產、加工、外輸量的精確計量。以前的油水界面或油液面的測量是利用超聲波的原理或是電磁波的原理來測量。這種方法存在的問題是油罐液面頂部是一個凸凹不平凝結固體塊表面，對波產生不同方向的散射而油水界面兩種液體之間沒有嚴格區分，存在油水混合層，發射，接收效果不好，帶來測量誤差，迫使儀器加大發射功率，儀器的生產難度和成本高，造成這類儀器價格昂貴。當然人們也曾設計過采用串聯一系列電阻通過求出不同位置的電阻分壓，然后在進行A／D轉換求出油水界面的位置或者是測量油液面的位置。這種設置，當需要高精度測量時，整個儀器的價格比較高，同時，用一個傳感器不能實現對油水界面和油液面的同時量。并且儀器的長期穩定性差，針對這些問題這里提出一種浮子式油水界面，油液面測量儀。它只有一個傳感器測量的兩個參數，數字量傳輸，儀器成本低，抗干擾能力強，測量精度高，長期穩定性好的特點。

油水界面測量系統以INTEL公司單片機 8031為核心，如圖所示，首先根據不同的比重配制油水界面浮子和油界面浮子，浮子內置環行磁鐵，它們套在裝有霍爾開關的立柱上，利用霍爾開關對磁場的敏感特性，由浮子的位置不同而確定油水界面和油界面的高度。油水界面測量系統的傳感器由256個霍爾開關等距離的排列在一個立柱上，霍爾開關具有三個管腳，它的一端按電源，另兩端當感受到磁場時開關導通，輸出端為低電平，感受磁場減小時，輸出端為高電平。當浮子停在那里，則相應置所對的霍爾開關的導通，輸出端接入到多路選擇開關的數據輸入端。譯碼器的16個輸出端分別作為16個數據選擇器的片選控制端。P1口的高四位對16個數據選擇器完成片選。通過P1的低四位對每一個數據選擇器的16位數據完成位選通，這樣單片機通過兩級譯碼循檢過程逐個選通16個數據選擇器的256個選擇開關，當出現低電平時，將產生中斷，執行中斷程序后，單片機可以記錄低電平的位置，即兩個浮子的位置，并通過顯示程序將數據顯示在LED顯示器上。由于油水界面總是在油界面的下面，所以單片機通過一次巡檢就可以精確的確定油水界面和油液面的位置。此種設計省去A／D轉換或復雜的編碼電路，實現傳感器到2次儀表的數字兩側量傳輸，具有很強的靠干擾能力。

油水界面測量系統在采集信號方面利用了感磁非常敏感的霍爾傳感器，避免了干簧管由于長時間使用而產生疲勞度的缺點。采用二級譯碼選通循檢的方式，測量油水界面和油界面儀器，直接采用數字量傳輸省去A/D轉換過程或復雜的編碼過程，通過單片機的控制使多路選擇開關在感受到信號時產生中斷，同時單片機將液面位置記錄并顯示出來，并且能在LED顯示器上清楚顯示液位的高度。