徐慶富

（桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院,廣西 桂林 541004）

1 引言

液體燃料是一種使用很廣泛的能源。燃料的存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)陌踩珕?wèn)題一直是人們關(guān)注的問(wèn)題，因此對(duì)其進(jìn)行液位的實(shí)時(shí)測(cè)量顯得尤為重要。油罐作為一個(gè)特殊環(huán)境，對(duì)電子測(cè)量要求很苛刻，必須具備很高的防火、防爆等級(jí)，普通的電子測(cè)量并不滿足這一功能[1]。

目前，大多采用靜壓投入式液位測(cè)量，超聲波液位測(cè)量等。靜壓投入式測(cè)量無(wú)法很精確的測(cè)量動(dòng)態(tài)液位，超聲波受幻境影響很大，不具備很好的抗干擾能力[2]?；诠饫w檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)，采用光纖探頭在不同的介質(zhì)中具有不同的反射強(qiáng)度，測(cè)量反射光強(qiáng)來(lái)檢測(cè)液位高度。

2 系統(tǒng)組成

基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)由漫反射式光纖頭、步進(jìn)電機(jī)、光電轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成。如圖1所示。

圖1 基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)組成

在測(cè)量中，MCU控制捆綁在步進(jìn)電機(jī)鏈帶上的光纖頭進(jìn)行向下（或向上）運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光纖頭到達(dá)液位時(shí)，反射光的強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，MCU通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的計(jì)算來(lái)顯示當(dāng)時(shí)的液位高度。液位的探測(cè)過(guò)程就是單片機(jī)根據(jù)A/D采集模塊電路采集到的光照強(qiáng)度的不同來(lái)判斷液位與光纖探頭相對(duì)位置，從而對(duì)步進(jìn)電機(jī)下達(dá)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的指令。

2.1 漫反射式光纖頭

漫反射式光纖頭具有以下特性：當(dāng)光線在液位上面1cm以?xún)?nèi)時(shí)，因?yàn)槁瓷渥饔?，光照?qiáng)度會(huì)很高，在液位上面1cm以外光強(qiáng)會(huì)很?。划?dāng)光纖探頭浸入液體中時(shí)，光照強(qiáng)度基本上是一個(gè)恒定的值。

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)選用一臺(tái)東風(fēng)二相六線0.9度步進(jìn)角的步進(jìn)電機(jī)，并了作用直徑10mm的步進(jìn)電機(jī)輪軸與專(zhuān)業(yè)的步進(jìn)電機(jī)鏈帶，盡可能的減少運(yùn)動(dòng)誤差。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用美國(guó)德州儀器公司制作的一款微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路L293D芯片。該芯片工作電壓為4.5V-36V,單通道電流600MA，峰值輸出電流1.2A。

2.3 MCU

基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F051單片機(jī)作為主控芯片。該芯片是ARM核的32位微處理器，工作頻率為48MHz，具有高速的嵌入式閃存，并廣泛集成增強(qiáng)型和IO口，所有器件提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口（最多2個(gè)I2C，2個(gè)SPI，1個(gè)HDMO CEC 2個(gè)USART）1個(gè)12 位ADC，1個(gè)12位DAC, 最多5個(gè)通用16位定時(shí)器,1個(gè)32位定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)控制PWM定時(shí)器。以上這些特點(diǎn)使得STM32F051微控制器廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域[4]。

STM32F051集成12位ADC，因此直接利用片上ADC，節(jié)省相應(yīng)的硬件資源，同時(shí)也減少外部干擾。

2.4 光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換采用光電二極管，光電二極管將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成光電流，再通過(guò)I-V變換電路將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，供ADC進(jìn)行模數(shù)采集。由于光電流較微弱，需要進(jìn)行前置放大。前置放大器采用ICL7650斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器，該器件是Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放, 它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[5]。

3 軟件組成

圖2 基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示，MCU對(duì)ADC采集回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行判斷，判斷是否到達(dá)液面，如到達(dá)液面立即停止步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)記錄步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算即可得出液位高度。

4 系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量范圍在5cm—100cm，測(cè)量精度是2mm以?xún)?nèi)，精度較好。測(cè)試數(shù)據(jù)如下表所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

檢測(cè)結(jié)果表明，基于光纖檢測(cè)的油罐液位監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量精度較高，穩(wěn)定性較好，具有一定抗干擾能力，且操作簡(jiǎn)單。具有廣闊的市場(chǎng)前景。

測(cè)試數(shù)據(jù)

[1]賈麗,袁小平,陳燁,鄧?yán)?張繼森.常用液位檢測(cè)方法的研究[J].能源技術(shù)與管理,2009(01):120-122.

[2]楊朝虹,李煥.新型液位檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工礦自動(dòng)化,2009(06):61-64.

[4]趙娜,李斌,謝衛(wèi)彬.基于STM32F051控制的太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北工業(yè)科技,2014(05):441-446.

[5]吳祖國(guó).ICL7650斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器的原理及應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件,2003(04):41-42.