無(wú)線(xiàn)水位檢測系統與壓力傳感器補償方法的研究

　　一種基于ATmega16和FC222-CH的無(wú)線(xiàn)水位檢測系統。該系統由無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源模塊、AD轉換模塊、上位機模塊組成，實(shí)現了水位的無(wú)線(xiàn)檢測、運行故障報警等功能，并配以自行設計的LabVIEW 8.5上位機顯示界面，使整套開(kāi)發(fā)系統兼備可視化與實(shí)時(shí)性的雙重要求。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)我國地質(zhì)勘探水平的不斷提高，水位檢測、溫度檢測、金屬含量檢測等技術(shù)已日趨成熟。但是，當進(jìn)行具體工程應用時(shí)，還需要考慮很多因素。本文根據地質(zhì)勘探隊在勘探礦井等自然環(huán)境惡劣、不適合機動(dòng)車(chē)駛入以及工作人員長(cháng)期駐留的情況，提出了無(wú)線(xiàn)遠程檢測方法。檢測系統中的壓力傳感器多選用單晶硅壓力傳感器。因為此種傳感器是利用單晶硅的壓阻效應制成，其壓阻系數隨溫度變化而變化，且壓阻效應原理本身即可引起傳感器輸出的溫度漂移[1]。另外，半導體敏感元件的制作工藝也會(huì )帶來(lái)傳感器的整體溫漂，這就需要有一套行之有效的方法來(lái)解決壓力傳感器自身易受溫度影響所帶來(lái)的缺陷。于是提出了一種基于拉格朗日插值的補償方法，大大提高了檢測的可靠性。上位機顯示界面采用LabVIEW 8.5設計，界面友好、易于操作，不僅能顯示數據變化曲線(xiàn)，而且能對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)和分時(shí)存儲，當發(fā)生故障時(shí)，還可以及時(shí)進(jìn)行聲光報警。

　　1 水位檢測系統整體結構

　　水位檢測系統采用了模塊化設計思想,由無(wú)線(xiàn)通信模塊、信號采集模塊、AD轉換模塊、電源模塊等組成。系統結構框圖如圖1所示。

　　系統以顯示端控制器為主機，信號采集端控制器為從機。主機發(fā)送開(kāi)始信號，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺傳遞給從機，從機接到信號后，開(kāi)始進(jìn)行數據采集，經(jīng)阻抗變換(電壓跟隨)將采集到的數據傳給12 bit精度的AD574進(jìn)行AD轉換，再由AVR16使用拉格朗日插值原理進(jìn)行數據處理，然后經(jīng)Max232把這些信號傳遞給上位機LabVIEW進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　2 水位檢測系統的硬件設計

　　2.1 ATmega16 的結構和性能特點(diǎn)

　　ATmega16是ATMEL公司在2002年推出的一款新型AVR高檔單片微處理器。其主要優(yōu)點(diǎn)是芯片本身自帶16 KB FLASH程序存儲器、512 B EEPROM、1 KB SRAM 數據存儲器、看門(mén)狗電路以及8通道10 bit A/D轉換;附帶SPI同步串口、UART異步串口，在軟件上有效支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。

　　2.2 AD模塊

　　AD574A是美國模擬器件公司(ANALOG Devices)推出的單片高速12 bit逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個(gè)完整的A/D轉換器。其主要功能特性：分辨率為12 bit、非線(xiàn)性誤差小于±1/2 LBS或±1 LBS、轉換速率25 μs、模擬電壓輸入范圍0 V～10 V和0 V～20 V或0 V～±5 V和0 V～±10 V兩檔四種、電源電壓±15 V和5 V、數據輸出格式為12 bit/8 bit、芯片工作模式全速工作模式和單一工作模式。

　　2.3 電源模塊

　　另外，還要求電源尺寸盡量小，能使電源部分與AVR系統中的控制與驅動(dòng)部分放在同一個(gè)控制盒內。整個(gè)電路結構簡(jiǎn)單、工作可靠，各路輸出之間相互電氣隔離，其中要求控制電源的主輸出功率大，穩壓精度為±5%，用作驅動(dòng)的各路輸出功率較小，穩壓精度為±10%。

　　2.4 無(wú)線(xiàn)通信模塊

　　主機采用FC222-CH與從機通信。FC222-CH是深圳友訊達公司利用先進(jìn)的單片機技術(shù)、無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)、數字處理技術(shù)和語(yǔ)音處理技術(shù)設計的雙向數據傳輸及低功耗模塊化電臺。它具有頻點(diǎn)可調、帶寬可調、功率可調、多信道、高編碼效率、接收靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，并提供了RS-232、RS-485和TTL 3種數據接口。該系統采用此設備可以滿(mǎn)足泵房供水遠程控制的需要。在該系統中FC222-CH選擇RS-232數據接口。

　　2.5 鍵盤(pán)模塊和顯示模塊

　　通過(guò)鍵盤(pán)模塊設置實(shí)際大氣壓和水的密度、存取數據時(shí)間間隔等系統工作參數，并將這些工作參數存儲于A(yíng)tmega16的EEPROM中，下次使用時(shí)，無(wú)需用戶(hù)再次輸入這些參數，從而使深水水位檢測系統具有記憶功能。采用PC機進(jìn)行水位實(shí)時(shí)顯示，正常運行時(shí)顯示水位、溫度、電源供電情況、串口使用以及波特率的設置情況。發(fā)生故障時(shí)以模塊化進(jìn)行顯示，如AD模塊是否工作、電源模塊是否供電、通訊模塊是否正常等，以便于在出錯的情況下進(jìn)行維修，并且在串口線(xiàn)接觸不良時(shí)采用聲光報警，以提醒人們進(jìn)行連接。

　　3 水位檢測系統的軟件設計

　　3.1 系統的主程序設計

　　水位檢測系統的軟件設計采用模塊化的設計思想，用C語(yǔ)言編程實(shí)現。軟件的各個(gè)功能模塊之間通過(guò)入口和出口參數相互聯(lián)系，可以縮短開(kāi)發(fā)周期。圖3為主程序結構圖。

　　3.2 數傳電臺的參數設置

　　數傳電臺的參數設置包括地址碼、版本號、功率等級、信道選擇、空中波特率、串口波特率、數據位、校驗方式、頻率逆變模式、帶寬等參數的設置。2個(gè)電臺的參數設置如圖4(a)、圖4(b)所示。

　　3.3 利用拉格朗日插值法進(jìn)行數據處理

　　壓阻式傳感器的測量精確度很大程度上受非線(xiàn)性和環(huán)境溫度的影響,如何對傳感器所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補償就成為設計中的關(guān)鍵環(huán)節。在硬件上，一般補償方法都是修正橋路電阻的差異性以及橋臂電阻的漏電流、裝配應力等，但由于其外圍元件較多會(huì )導致穩定性差、精確度不高，在復雜的工況下很難達到理想的預期效果。隨著(zhù)微處理器技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的應用,使得通過(guò)設計軟件算法實(shí)現傳感器工作特性的自動(dòng)補償成為可能。本設計著(zhù)重分析了單晶硅壓阻式壓力傳感器工作特性曲線(xiàn)的變化,給出了一種對其誤差進(jìn)行修正的軟件算法，可在很寬的溫度范圍內保證傳感器的精確度幾乎不變,并可廣泛移植于其他壓阻式壓力傳感器的補償設計。

　　隨著(zhù)壓強的增大電壓逐漸增大，經(jīng)多次實(shí)驗，可測得如下有效數據，見(jiàn)表1。

　　由于實(shí)驗測得的數據存在一定的微小的誤差，所以應該使用濾波手段，去偽存真，得到所需要的近似值。在此采用冒泡法進(jìn)行處理，去掉最大最小值，然后取算數平均值(注：0.1 Mpa即在地面測的電壓值，對應1個(gè)標準大氣壓)。

　　U0：第一組測得的電壓值。

　　U1：第二組測得的電壓值。

　　U2：第五組測得的電壓值。

　　x(n)：濾波后的電壓值，n取1、2、3、4、5分別對應5個(gè)壓強采集點(diǎn)。

　　利用拉格朗日插值算法對其進(jìn)行解析：

　　4 上位機LabVIEW顯示模塊

　　LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，類(lèi)似于C和BASIC。但是LabVIEW與其他計算機語(yǔ)言的顯著(zhù)區別是：其他計算機語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序為框圖形式。

　　主機端的上位機程序由LabVIEW軟件編寫(xiě)，可對從現場(chǎng)采集到的各種實(shí)時(shí)信號進(jìn)行處理，界面友好、易于操作，對因故障引起的斷路問(wèn)題可實(shí)現聲光報警，安全可靠。

　　5 系統可靠性設計

　　5.1 測試實(shí)驗時(shí)出現的問(wèn)題

　　實(shí)驗環(huán)境：

　　(1)將探頭接到300 m鎧裝電纜上，放進(jìn)室外5 m深鐵質(zhì)水管中，環(huán)境適宜。

　　(2)在電臺測試時(shí)采用12 V的直流電源，電臺的功率為5 W，實(shí)驗距離為1 000 m，并且電臺2的天線(xiàn)高度保持在3.4 m不變。

　　這種情況下會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題：

　　(1)有時(shí)會(huì )出現電路接觸不可靠、微處理器復位、死機、外殼漏電。

　　(2)上位機顯示信號抖動(dòng)，失真嚴重。

　　(3)無(wú)線(xiàn)通信的信號質(zhì)量差。

　　5.2 問(wèn)題的解決方案

　　根據以上問(wèn)題提出了如下解決方案：

　　(1)針對電路接觸不可靠的問(wèn)題，采用PCB板代替銅模實(shí)驗板，并在PCB制板過(guò)程中采取了抗干擾措施，例如布線(xiàn)時(shí)電源線(xiàn)和地線(xiàn)盡量寬;數字地和模擬地分開(kāi)布線(xiàn);合理配置去耦電容;電路板進(jìn)行覆銅等。

　　(2)針對微處理器死機、復位等問(wèn)題，采取軟硬件相結合的抗干擾措施。在硬件上采用光電隔離技術(shù);軟件上設置標志位;關(guān)鍵出口驗證;對通信發(fā)送指令等重要指令采用指令冗余技術(shù);在RAM中設定上電復位標志。

　　(3)針對不潔凈電源以及電源間的互相干擾，采用開(kāi)關(guān)電源分別供電的方法進(jìn)行處理。

　　(4)由于電纜長(cháng)度為300 m，會(huì )在導線(xiàn)間形成分布電容，并且多余的電纜纏繞在卷筒上，等效一個(gè)大電感，會(huì )對電路穩定性造成影響，因此采用軟件濾波(冒泡法)的方法進(jìn)行彌補。