基于單片機的氣電式液位遙測裝置的設計

秦珩，陳生春

（ 海軍大連艦艇學院， 遼寧大連116018）

0 引言

在船舶航行過程中，對液位的測量非常重要。這些液位包括淡水艙液位、燃油艙液位和壓載水艙液位等。目前，國內外對液位的測量普遍采用壓力式液位計和微波式液位計兩種方式。

其中，壓力式液位計是將壓力傳感器設置于液體最底部，這種壓力傳感器浸入液體后，測量出液體的壓力，從而計算出液體的液位。壓力式液位計成本較低，價格比較便宜，應用廣泛。

微波式液位計是一種與液體不接觸的測量方式。它通常在液面上方，安裝微波探頭，由微波（含超聲波）發射和微波接收兩部分組成。微波發射部分將微波投射到液體表面，微波接收部分采集反射回來的微波，通過測量發射和反射的時間，計算出液位。微波式液位計具有精度高和使用方便的特點，但是價格比較昂貴。

壓力式測量和微波式測量在液體中均裝有帶電的傳感器，這對于可燃液體測量存在一定得安全隱患。

與壓力式液位計和微波式液位計不同，海軍大連艦艇學院研發的氣電式液位遙測裝置的設計十分巧妙，與液體無任何電信號接觸，只有一根測量氣管與液體接觸。采用氣動元件作為輸入激勵部件，高精度壓力變送器作為測量部件，具有安全可靠、測量準確、抗干擾強等特點，特別適合可燃液體液位的測量。

1 系統設計

氣電式液位遙測裝置主要由氣路和電路兩大部分組成，電路部分起控制和顯示作用，氣路部分起輸入氣壓與液位壓力平衡的作用。

1.1 基本原理

氣電式液位遙測裝置由氣源、換向閥、恒壓調節模塊（恒流器）、氣壓測量模塊、顯示模塊組成。氣源采用船上的氣源，經減壓閥至1 Mpa，提供給氣電式液位遙測裝置使用。基本測量原理見下圖。

從流體靜力學的基本原理可知，對于理論上不可壓縮液體液柱靜壓力P值等于液體密度（r）與液柱高度H乘積，即：P=Hr。

氣電式液位遙測裝置就是利用這個基本原理，通過恒流器的自動調節氣阻值的功能，測出液艙底部測量管內與靜液壓平衡的空氣壓力，然后除以該液艙介質密度，就獲得液艙介質液位高度（即H=P/r）。在系統中通過氣電轉換器即壓力傳感器，將氣壓信號轉化為電信號，進行邏輯判別和運算，在顯示儀上顯示出液位和液體重量。其中液體重量是按設計資料中的艙容積表為根據，經計算處理后在數字顯示儀上顯示。

氣壓調節模塊（恒流器）是一種特殊的調壓閥，它可以自動的將氣壓調節到和液壓一致。它有一段氣體管道插入液艙底部，工作時，它首先吹氣，然后氣路被切斷，氣體管道一端被堵住。使氣壓和液壓處于一種平衡狀態，氣體不會從管道口溢出，管道內的液體液面也不會上升，管道內的氣體壓強等于測量氣管道口深度相等的液體壓強。如圖1所示，氣源氣體進入恒流器輸入端，恒流器能自動調節一定的流量經輸出端輸出，并始終保持液艙測量管底部的氣壓與液艙底部的液壓相等，測量管的另一端接壓力傳感器，壓力傳感器測出的氣壓值就等于該液艙底部的液體壓力值。有了這個壓力值，便可計算出液艙的液位高度和液艙液體的體積和重量。

1.2 電路系統框圖

氣電式液位遙測裝置電路測量部分由單片機作為主控制芯片，外圍電路分為氣路切換模塊、調壓控制模塊、氣壓測量模塊、電源模塊、顯示模塊、設置輸入模塊等組成。系統構成如圖2所示。

氣電式液位遙測裝置由操作面板和主控制電路兩部分組成。操作面板上分布 12個發光二極管、4個數碼管、1個光柱和2個按鍵，發光二極管用于指示該裝置的工作狀態，按鍵用于控制裝置的相關動作，操作面板如圖3所示。

1.3 主要模塊介紹

1.3.1 CPU模塊

STC12C5A60S2是單時鐘（機器周期為1 T）的新一代8051單片機，具有高速低功耗抗干擾能力強的特點。指令代碼完全兼容 MCS-51，但速度比傳統的8051單片機快8～12倍。內部集成兩路PWM，8路高速10位A/D轉換（250 k/s，即25萬次/秒）。工作電壓5.5 ～3.5 V，寬電壓設計，針對電機控制，強干擾場合，有很強的抗干擾能力。內部集成60 k byte Flash程序存儲器，1280 byte RAM，2 k byte EEPROM，可以作為掉電保持寄存器使用；兩個UART串口，有獨立的波特率發生器；有36個通用IO口，復位后可以設置為四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏。

1.3.2 電源模塊

控制電路部分將用到3種電壓：DC 24 V，DC 12 V，DC 5 V。其中，DC 24 V直接使用船上的DC 24V電源，而DC 12 V和DC 5 V則由船上的DC 24 V電源通過DC-DC模塊轉換得來。

1.3.3 顯示和按鍵輸入模塊

顯示和按鍵輸入模塊負責該裝置的人機交互，需要顯示的內容有：當前測量的部位，液體容量，報警信息和工作狀態等。這部分工作主要由HD7279(A)來完成。

HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管(或64只獨立LED)的智能顯示驅動芯片[1]，該芯片同時還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣。

HD7279(A)與單片機通過4根信號線相連，單片機對HD7279(A)完成顯示設置后，HD7279(A)可以執行各種復雜的顯示功能，而不需要單片機干預。操作面板上既有數碼管，又有光柱和發光二級管，顯示時需要不同的顯示模式，采用HD7279(A)的段位獨立控制譯碼功能，一片IC就可以輕松解決問題。

HD7279(A)處理按鍵也很出色，有一根單獨的信號線 KEY連接單片機，當有按鍵按下時，KEY出現一個向下的突跳脈沖，觸發單片機的中斷，可以快速響應按鍵處理程序。

1.3.4 氣路切換模塊

氣路切換是通過多個單電控直動式電磁閥完成的。氣路切換的目的是將氣源通向需要測量的液體容器內，所以，工作時，每次只能有一個電磁閥處于導通狀態。控制電磁閥的線圈通斷電就可以控制氣路的通道。電路上，單片機的一個IO口通過三極管驅動一個繼電器，然后將一個繼電器串接在DC 24 V與電磁線圈之間[2]。這樣單片機通過驅動繼電器控制氣路的切換。

1.3.5 氣壓測量模塊

氣壓測量模塊由氣壓測量元件 MPM281和相關測量電路組成，MPM281安裝在調節模塊后面的管道上，可以將氣體壓力轉換為電壓信號提供給測量電路。

MPM281系列壓阻式OEM產品是一種帶隔離、并經過精密補償的高穩定性硅壓阻式壓力測量元件[3]。其中硅壓阻式敏感元件采用具有專利技術的高穩定性擴散硅元件，外殼采用外徑Ф19 mm的316L全不銹鋼結構進行封裝。被測壓力經過 316L隔離膜片和內部介質傳遞到硅壓阻式敏感元件上，實現了壓力到電信號的精確轉換。

MPM281具有以下特點，非常適合應用在該場合。

1）長期穩定性可達 0.1% FS/年；

2）寬溫度補償范圍 -10℃～+80℃；

3）寬壓力測量范圍 0～35 kPa…70 Mpa；

4）非線性典型值可達 0.1% FS。

MPM 281內部等效電路如圖5所示，應用該器件時，IN+和IN-接入5 mA的恒流源，OUT+和OUT-接ADC電路。外部施加壓力與OUT+和OUT-輸出電壓信號成比例變化。

2 系統軟件設計

該系統程序設計主要有壓力信號測量，數據顯示等內容。軟件開發平臺使用 KEIL C51 IDE集成開發環境，運用C語言進行程序設計。單片機軟件主流程如圖6所示。壓力測量子程序流程如圖7所示。

3 結論

經過一年多的運行試驗，HXG-IS型氣電式液位遙測裝置經受住船上惡劣環境的考驗，工作可靠，運行穩定，表明該裝置完全可以滿足船舶液艙遙測的要求，特別適用可燃液體液位的測量。

:

[1]房鷹，郭青. HD7279在單片機模擬心電發生器中的應用. 醫療衛生裝備，2004，（2）：20-21.

[2]謝宜仁. 單片機實用技術問答. 人民郵電出版社，2003: 275-277.

[3]趙海濤，程杰. 水倉水位自動檢測報警系統的設計.煤礦安全, 2008, (10):72-74.