周文娟，歐陽斌林，雷冬閣，趙健評，任　雪，孫文峰

(東北農(nóng)業(yè)大學 a.電氣與信息學院；b.工程學院，哈爾濱　150030)

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投入式液位計在液肥液位檢測中的應用

周文娟a，歐陽斌林a，雷冬閣a，趙健評a，任雪a，孫文峰b

(東北農(nóng)業(yè)大學 a.電氣與信息學院；b.工程學院，哈爾濱150030)

摘要：針對當前液態(tài)施肥機在液肥的精確及定量控制等方面存在的不足，以單片機作為控制核心，采用投入式液位傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將液位的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，再利用A/D將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量；同時，通過單片機處理將電壓值換算成相應的液位高度值及容量值并顯示，并用MatLab分析試驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：液位高度值各容量值測量誤差均滿足實際要求，可應用于液態(tài)施肥機。

關鍵詞：液態(tài)肥；單片機；液位計；投入式

0引言

液位包括液位信號器和連續(xù)液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量 , 用于液位的上、下限報警等；連續(xù)液位測量是對液位連續(xù)地進行測量, 廣泛應用于農(nóng)田灌溉、定量施量、高爐沖渣水位測量、環(huán)境監(jiān)測等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，具有非常重要的意義[1]。目前，對液位測量的精度要求不僅愈來愈高，且需要測量儀能夠適應一些特殊環(huán)境，如高溫、高壓、強放射性及強腐蝕性等條件。液態(tài)肥因其生產(chǎn)費用低、肥效高、易吸收、節(jié)支增產(chǎn)效果顯著及施用過程中可以根據(jù)需要加入土壤所缺少的植物營養(yǎng)元素等優(yōu)勢迅速得到了廣泛應用[2]。而變量施肥作為精準農(nóng)業(yè)的重要部分，其技術基礎就是對液肥液位的精準控制。目前市場上，液位控制系統(tǒng)大致可分為以下兩種[3]：

1)機械式控制系統(tǒng)。機械式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；但這種控制裝置故障多、誤動作多，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。

2)交流調(diào)壓/變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、A/D變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機運算與給定量的比較，進行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由D/A變換給調(diào)壓/變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，以達到控制水位的目的。

本文以液態(tài)施肥機為依托，針對一定體積的液肥進行液位試驗，通過以單片機和投入式液位計為主要硬件資源設計硬件電路，畫出相應的軟件流程圖進行測試。數(shù)據(jù)分析驗證表明：該傳感器在液肥液位測量中安裝維護方便，能適應液肥這種特殊環(huán)境，其容量和液位高度的測量誤差也滿足實際要求。

1系統(tǒng)工作原理及組成

微壓式液位計采用的是壓力敏感元件實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換。傳感器的液位量程是0～1.3m, 且這段量程液位所對應的深度約合壓力相比其他要小很多, 因而稱其為“微壓式”。本系統(tǒng)是所選的正是微壓式傳感器，它將液位信號轉(zhuǎn)換為4～20mA標準電信號輸出。

若設所測液體密度為ρ，液位高度為h，大氣壓為ρ0，重力加速度為g，則液體所受壓力p=ρgh+ρ0。這時，為抵消大氣壓力變化所帶來的測量誤差，傳感器變送器部分采用導氣電纜將大氣壓力ρ0引入敏感元件的負壓腔，進而使p=ρgh。顯然，若已知液體密度，通過測取壓力p就可換算出相應的液位高度。

1.1單片機選型

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、運行速度快，考慮到功能和成本兼顧，采用以擴展性51系列單片機STC12C5412AD為核心控制元件。該芯片具有12kB用戶可自行安排的FLASH及FEPROM空間比例；在同樣的工作頻率下，平均指令運算速度是普通8051的8～12倍[4]，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的要求，且掉電模式可由外部中斷喚醒，適用車載信息系統(tǒng)。系統(tǒng)設計方案圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設計方案圖

1.2投入式液位計選型

對液位的測量選用南京順來達測控設備有限公司生產(chǎn)的SLDTB-B02系列。其基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，再將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)非電量到電量的變換，利用這一特性來完成對液位的測量。主要技術參數(shù)如下：量程1.3m，精度0.5%Fs，電壓18～36VDC，輸出4～20mA。

其優(yōu)點包括：①能實時測量罐內(nèi)各點液位；②直流4～20mA標準電流信號輸出；③密封性好，測量元件不與液肥直接接觸，避免了液肥對元件的腐蝕。

2硬件電路設計

2.1電源電路設計

電源電路圖如圖2所示。圖2中，為了保證液位傳感器能獲得24V的直流供電，選用具有DC-DC單片控制電路功能的MC34063芯片，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源，能輸出1.5A的開關電源，且是使用最少的外接元件構(gòu)成的升壓變換器、降壓變換器和電源反向器[5]。

本系統(tǒng)電源電路采用具有升壓轉(zhuǎn)換作用的MC34063芯片，與電感L、二極管D3、三極管TIP122一起構(gòu)成電源電路。若TIP122導通時，+12V的輸入電壓經(jīng)采樣限流電阻R1、R2，流經(jīng)電感L，隨著電感L電流增加，其兩端進行儲存能量。此時，二極管D3是防止電容C3對地放電，并由電容C3向負載供電；若TIP122斷開時，電感L及12V的輸入電壓對電容C3充電的同時電容C3對負載供電，負載電壓穩(wěn)定在+24V，穩(wěn)壓的負反饋信號是電阻R7、R8的分壓輸入到MC36063的5腳。

圖2　電源電路圖

2.2檢測電路設計

硬件部分的核心為STC12C5412AD，工作電壓由LM2576從24V轉(zhuǎn)變?yōu)?V來提供。同時，用 MCU的3個輸出引腳P1.1、P1.2、P1.3連接串并轉(zhuǎn)換芯片74HC595，就可實現(xiàn)對系統(tǒng)所有的顯示功能及顯示元件的控制。圖3中的74HC595芯片Q0～Q7共8位輸出控制8個發(fā)光二極管，每個二極管分為閃、亮2段，共16段，通過燈的閃亮和4個數(shù)碼管顯示的罐內(nèi)液體容積值來記錄相關液位數(shù)據(jù)。其檢測電路原理圖如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件是利用51系列單片機集成開發(fā)工具來進行C語言設計，采用模塊化設計方式，由系統(tǒng)與監(jiān)控程序一起管理執(zhí)行。系統(tǒng)軟件主要由主程序、初始化程序、定時中斷處理程序組成。其中，系統(tǒng)主程序包括A/D轉(zhuǎn)換子程序及顯示子程序。系統(tǒng)初始化后進入主循環(huán)，定時中斷處理程序是對74HC595的輸出進行控制。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖3　檢測電路原理圖

圖4　系統(tǒng)主程序流程圖

4數(shù)據(jù)測試及分析

4.1測試條件

為驗證本設計的可行性，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例，再將靜壓轉(zhuǎn)換為電壓的試驗原理，搭建實際的電路。用現(xiàn)有的播種機儲液罐作為容器可容納近1 000L的液體。其實際測量高度如圖5所示。因液肥與水密度相近，所以用水作為測試對象，在正式用液肥時驗證誤差，算出修正系數(shù)，再寫入單片機中進行校正。

圖5　儲液罐示意圖

首先將液位計正確安裝于儲液罐底部，接通電源后利用串有流量計的電泵開始注水，注意觀察液位的變化，待快到預先暫定的水容量處關閉電源。此時，用萬用表讀取液位計處理后的電壓值、記錄表示高度顯示的LED的燈/閃數(shù)及流量計顯示的實際注水容量，再用米尺丈量水的實際液位高度。試驗結(jié)果如表1所示。

表1　隨機容量處測試結(jié)果

續(xù)表1

4.2數(shù)據(jù)分析

觀察表1的數(shù)據(jù)之間存在某種線性關系，用MatLab對表1的壓力與容量及液位高度數(shù)據(jù)進行一次曲線擬合，如圖6所示。

圖6　電壓與容量及液位實際高度擬合圖

根據(jù)圖6的擬合曲線，可得到對應的回歸方程為

其中，x代表電壓；y1為容量；y2為液位高度。

由此可見：電壓與容量及液位高度之間確實存在良好的線性相關性，且從表1中也可以看出LED燈的亮、閃數(shù)隨液位高度而變化。因此，一旦配比好定量的液肥，在變量施肥機工作時，可以根據(jù)LED燈來判斷其液位高度，用數(shù)碼管來顯示其容量。

分析對比表2的數(shù)據(jù)可知：液位高度誤差在允許范圍之內(nèi)，擬合容量的負數(shù)除了與傳感器的安裝位置及儲液罐的形狀有關以外，和換算容量的基點(零點)也相關。因此，可以重新選一個容量和高度基點來解決。

表2　測量與擬合數(shù)據(jù)對比表

5結(jié)論

以STC12C5412AD單片機為核心的液肥檢測系統(tǒng)，可以動態(tài)地顯示液位及容量的變化，實用性較強，且成本低廉。在隨機的測量試驗中，節(jié)省了人力及物力，同時也提高了檢測的效率。該投入式液位計體積小巧、使用方便、維護成本不高，優(yōu)于其他如超聲波傳感器。試驗數(shù)據(jù)分析表明：該微壓傳感器性能指標能滿足較高精度要求的測量，為液肥播種機的進一步智能化奠定了一定的實踐基礎，對其它的液位測量也具有較好的借鑒作用。

參考文獻：

[1]安宗權,冷護基,林宗良.儲罐液位檢測技術的現(xiàn)狀與展望[J].蕪湖職業(yè)技術學院報,2005,7(4):9-10.

[2]郞春玲,王金武,王金峰,等.深施型液態(tài)變量施肥控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(2):43-47.

[3]陳霞,白小軍.基于單片機的液位監(jiān)控系統(tǒng)[J].武漢理工大學報：信息與管理工程版,2007,29(3):38-41.

[4]史小楠.STC12C5410/12C2052系列單片機簡介[J].實用電子制作,2007(1):24-25.

[5]郭忠銀,高飛燕.基于MC34063的開關電源設計[J].工業(yè)控制計算機,2001,23(2):100-101.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0218-EA

Application of Input Level Gauge in Liquid Fertilizer of the Liquid Detection

Zhou Wenjuana, Ouyang Binlina, Lei Donggea, Zhao Jianpinga, Ren Xuea, Sun Wenfengb

(a.College of Electrical and Information ;b. College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Aiming at the shortage of liquid fertilizer in agricultural machinery currently, liquid fertilizer precise, quantitative control is one of the limiting factors. This paper takes the microcontroller as the control core, using input liquid level to acquire data sensor, convert changed liquid level into voltage variation, then use A/D transform analog quantity into digital quantity, at the same time, processing through the MCU to convert voltage values into the corresponding capacity value and display. Finally using MATLAB analysis of test data, the results show that the measuring capacity value and the height of liquid level value error are concerned with the container, but the error meets the actual requirements, can be applied to the liquid fertilizer applicator.

Key words：liquid fertilizer; microcomputer; liquid level meter; input type

文章編號：1003-188X(2016)02-0218-04

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

作者簡介：周文娟(1985-)，女，陜西榆林人，碩士研究生，(E-mail)122128714@qq.com。通訊作者：歐陽斌林(1956-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，碩士生導師，(E-mail)ouyangbl@162.com。

基金項目：黑龍江省應用技術研究與開發(fā)技術項目(GC13B307)

收稿日期：2015-01-27