专利名称：智能型液位/液压测控仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种仪器，涉及一种测控仪，特别涉及一种适用于城乡给水及现代设施农业领域的节水喷灌环节中的水位自动化监测过程的智能型液位测控仪，它根据蓄水池中的水位变化情况自动启停加压泵和补水泵控制设备。
由

图1的流程图可知，控制装置需要设置上、中、下三个控制限对水位实现区间控制，当水位低于下水位设定值时停止抽水，而当水位高于中水位设定值时再开始抽水；当水位高于上水位设定值时停止补水，当水位低于中水位时再开始补水。
根据申请人进行的资料检索，与本实用新型相关或近似的现有技术均存在一些缺陷或不足。如专利号为97226911.8、982211323.4、98235746.X公开的液位控制器，均无水位测量与显示功能。其所采用的触点式传感器，容易产生氧化而影响电路工作的可靠性。而专利号为CN87203108 U、96111953.5的液位控制器虽有液位显示功能，但电路中需要多个预置电位器、比重电位器、调零电位器，电路结构复杂，调校不便，当电位器内部的触头因灰尘污染被氧化后，往往需要重新对仪表校正。还有公开的专利产品96218704.6虽采用了单片机技术，但电路设计上亦有其缺点与不足，如其采样电路和显示驱动电路使用了较多的阻容分立元件，结构比较复杂。
申请人也对目前普遍使用的同类液位控制器进行了分析与研究，认为一般的数字式同类控制仪表线性化与控制点设定需要多个电位器调节，硬件结构复杂，功能单一，且调校极为不便，很难进行现场调校。而线性化与控制输出方式极易用程序实现，所以，此类数字式仪表无法与同类智能化仪表相媲美。然而，高档通用型智能仪表虽可用来实现液位控制，但一般需要标准电压、电流输入信号，而一般的液位传感器输出多为非标准信号。此类仪表一般价位较高，原有的软硬件资源在使用时不能得到充分利用。其它的专用型液位控制仪表在设计上亦有许多不足。
为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是，该智能型水位/水压测控仪，由带有面板的外壳和安装在外壳内的电源电路、传感器及电路板组成；所述电路板包括一CPU，CPU的输入和输出端上分别连接有按键、时钟电路、A/D转换电路、分频器、显示驱动电路、输出指示电路、控制输出电路和存储器；一用于传递液位信号的液位传感器；一用于供电的恒流源电路；液位传感器经恒流源电路供电后，将液位信号变换为毫伏级的电压信号，该信号以差分形式直接输入到A/D转换器的输入端，并利用其引脚STR的功能产生中断请求信号送入CPU中；CPU采用中断方式采集到表示水位的电信号后，经过数据滤波，线性化校正及水位换算数据处理过程后，将水位值送向LED驱动电路的端口进行水位显示；数据依靠程序自动存储存储器中；并自动从中调出参数至CPU内部的RAM中供使用，CPU将设定的水位参数与采样得到的水位值进行比较，然后按控制方式由输出指示电路输出相应的控制信号或报警信号。
本实用新型的其他一些特点是所述恒流源电路是由基准电压源TL431构成的恒流源电路，其输出电流IL＝βVR/RS，其中β为T管的电流放大系数，VR＝2.5V为TL431的基准电压，调节RS值，可改变IL大小。
所述程序无须配接外部程序存储器，而是依靠电写入方式存储在CPU内部的FLASH ROM中。
所述A/D转换采用高精度双积分型TCL7135 A/D转换器，传感器的信号无须前置放大便可直接输入到TCL7135的信号输入端。
所述CPU采用51系列单片机89C51芯片。
所述存储器采用串行EEPROM 93C46存储器。
所述显示驱动电路采用软件译码，动态扫描方式显示；LED显示的位控和输出驱动共用具有大电流驱动的单一集成块ULN2003。
所述液位传感器配用一般固态压阻电桥式液位传感器。
所述电源电路为用于供电的恒流源电路。
所述外壳的面板上的显示板的左右两侧依靠直角插排分别和电源板、电路板连接，而电路板与电源板的后端的接线端子直接焊接于仪表后壳左右两侧的接线排座上，三个微型按键和4位LED显示器及抽水与补水指示发光二极管直接焊接于显示板上。
本实用新型的特点是电路结构简单，成本低，调校方便。有效的满足了给水过程中的水位测控，提高了给水过程的自动化程度，具有广阔的市场应用前景。
本实用新型包括电源电路、液位传感器与恒流源电路、A/D转换电路、显示驱动电路、控制输出电路及CPU系统几部分。其电路结构框图参见图2所示。
液位传感器经恒流源电路供电后，将液位信号变换为毫伏级的电压信号，该信号以差分形式直接输入到A/D转换器7135的输入端，并利用其引脚STR的功能产生中断请求信号，CPU采用中断方式采集到表示水位的电信号后，经过数据滤波，线性化校正及水位换算等数据处理过程后，将水位值送向LED显示端口进行水位显示。利用触摸式三个微型键开关，可进行水位控制点设定和仪表调校，按下SET键，将自动显示要设定的各种提示符(提示符含义见下表1)，利用NUM键和ENTER键可完成各种参数设定与存储。重复按下NUM键时，数字将从0～9递增循环，可进行各位的数字设定。按下ENTER键，可实现设定位的移动。当4位数字全部设定完毕后，数据依靠程序自动存储在串型EEPROM中。上电后自动从中调出参数至CPU内部的RAM中供使用。CPU将设定的水位参数与采样得到的水位值进行比较，然后按控制方式输出相应的控制信号或报警信号。仪表校正时只需在使用现场将传感器探头深入水下几个不同的位置，并输入相应的水位值即可，程序会自动的将这几个值存储在串型EEPROM中并作为拐点进行线性化校正。对于量程为5米的液位传感器，设定3个拐，线性化可得到很好的校正。上述的一系列过程都是靠软件实现，因而大大的简化了硬件结构。
该实用新型可配用一般固态压阻电桥式液位传感器，为了改善水位于其变换电压之间的线性关系，设计了恒流源电路为传感器供电，图3是由基准电压源TL431构成的恒流源电路，其输出电流IL＝βVR/RS，其中β为T管的电流放大系数，VR＝2.5V为TL431的基准电压，调节RS值，可改变IL大小。
电路中的CPU芯片为价格低廉的51系列单片机89C51，由于该实用新型的设计程序小于4K，无须配接外部程序存储器，程序依靠电写入方式存储在CPU内部的FLASH ROM中。A/D转换采用了高精度双积分型TCL7135 A/D转换器，传感器信号无须前置放大便可直接输入到TCL7135的信号输入端。整个电路设计使用的分立元件较少，集成化程度高，电路设计简练紧凑，增强了电路工作的可靠性。5.2电路与结构特点本实用新型公开的是一种专用型智能液位自动监控装置。给出了电路设计上的优点以供借鉴。
申请人对我国同类型或类同的专利和产品进行了检索，认为本实用新型从实用的角度出发，充分的考虑了成本、制作过程、使用方便等因素。仪表选用工业标准尺寸塑料外壳(96mm×96m×183m)。电路实体采用模块式结构，分为显示面板、主板、电源板三块。显示板的左右两侧依靠直角插排分别和电源板、主板连接，而主板与电源板的后端的接线端子直接焊接于仪表后壳左右两侧的接线排座上。三个微型按键和4位LED显示器及抽水与补水指示发光二极管直接焊接于显示板上，如图4所示。整个实体电路结构紧凑，模块之间无须任何连接软线，装配十分方便。
图5是本实用新型的程序流程图；主程序启动，进入读键值后，便可以分两路运行1)当无键锁时，进行键码输入判断，有键码输入则延迟20ms消抖，如无键码则返回，有键码还需判断键码是否正确，若不正确则返回，正确后进行参数设置、数据处理、存储，然后返回。2)当有键锁时进入运行，读参数、采集子程序、数据处理子程序、显示子程序和控制子程序后再返回采集子程序步骤，重复下一次工作。
图6、图7是依上述原理给出的一具体实施的主单元电原理图和显示驱动电路图，在此不一一赘述。
本实用新型由于采用了单片机技术设计，仪表调校和操作十分简便，且在不改变硬件的情况下容易升级或增添某些特殊功能。而这些是设计者所检索到的同类数字化专利和同类产品所无法实现的。如专利号为97226911.8、982211323.4、98235746.X的液位控制器均无水位测量与显示功能。采用的触点式传感器容易氧化影响电路工作的可靠性。而专利号为CN87203108 U、96111953.5的液位控制器虽有液位显示功能，但电路中需要多个预置电位器、比重电位器、调零电位器，电路结构复杂，调校不便，当电位器内部的触头因灰尘污染被氧化后，往往需要重新对仪表校正。
申请人所检索到的同类智能化专利或产品为数极少。如专利产品96218704.6虽采用了单片机技术，但电路设计上亦有其缺点与不足，如其采样电路和显示驱动电路使用了较多的阻容分立元件，结构比较复杂。而本实用新型在设计上具有下列特点与优点1显示电路部分采用软件译码，动态扫描方式显示。LED显示的位控和输出驱动共用了具有大电流驱动的单一集成块ULN2003，电路结构简单。
2采用了软件消抖的按键工作方式，按键设计精练。
3采用了提示符指引的输入方式(提示符含义见下表)，操作简单透明化。
表1提示符意义表
4A/D转换器TCL7135的时钟信号直接由CPU的ALE引脚提供，该信号经分频器C4518分频后变为150HZ(交流电频率50HZ的整数倍)使A/D转换器时钟信号准确稳定，且增强了对交流电的抗干扰性。
5采样电路使用的高分辨率的双积分型A/D转换器7135，对常用的压阻电桥式传感器信号无须前置放大可直接以差分形式输入，电路结构简单。
6电路中使用了串行EEPROM存储器93C46存储参数，掉电不丢失。
7电路中设置了短接线位于仪表的后面板接线端子上作为键锁开关，当仪表校正完毕后，设置此开关为锁状态，按键不起作用，避免了误操作。5.4实施效果由于程序设计中采用了数字滤波技术和看门狗技术，该仪表具有较强了抗干扰能力。利用交流调压器将供电电压调在170V～250V区间，同时在其附近利用冲击电钻产生干扰，仪表均能正常运行。本实用新型在陕西石泉、西乡等地已试用三年，效果良好，没有出现任何故障。
权利要求1.一种智能型水位/水压测控仪，由带有面板的外壳和安装在外壳内的电源电路[10]、传感器[9]及电路板组成；其特征在于，所述电路板包括一CPU[1]，CPU[1]的输入和输出端上分别连接有按键[2]、时钟电路[3]、A/D转换电路[4]、分频器[5]、显示驱动电路[6]、输出指示电路[7]、控制输出电路[8]和存储器[11]；液位传感器[9]经恒流源电路[10]供电后，将液位信号变换为毫伏级的电压信号，该信号以差分形式直接输入到A/D转换器[4]的输入端，并利用其引脚STR的功能产生中断请求信号送入CPU[1]中；CPU[1]采用中断方式采集到表示水位的电信号后，经过数据滤波，线性化校正及水位换算数据处理过程后，将水位值送向LED驱动电路[6]的端口进行水位显示；数据依靠程序自动存储存储器[11]中；并自动从中调出参数至CPU[1]内部的RAM中供使用，CPU[1]将设定的水位参数与采样得到的水位值进行比较，然后按控制方式由输出指示电路[7]输出相应的控制信号或报警信号。
2.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述恒流源电路[10]是由基准电压源TL431构成的恒流源电路，其输出电流IL＝βVR/RS，其中β为T管的电流放大系数，VR＝2.5V为TL431的基准电压，调节RS值，可改变IL大小。
3.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述程序无须配接外部程序存储器，而是依靠电写入方式存储在CPU[1]内部的FLASHROM中。
4.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述A/D转换[4]采用高精度双积分型TCL7135 A/D转换器，传感器[9]的信号无须前置放大便可直接输入到TCL7135的信号输入端。
5.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述CPU[1]采用51系列单片机89C51芯片。
6.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述存储器[11]采用串行EEPROM 93C46存储器。
7.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述显示驱动电路[6]采用软件译码，动态扫描方式显示；和LED显示的位控和输出驱动共用具有大电流驱动的单一集成块ULN2003。
8.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述液位传感器[9]配用一般固态压阻电桥式液位传感器。
9.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述电源电路[10]为用于供电的恒流源电路。
10.根据权利要求1所述的智能型水位/水压测控仪，其特征在于，所述外壳的面板上的显示板的左右两侧依靠直角插排分别和电源板、电路板连接，而电路板与电源板的后端的接线端子直接焊接于仪表后壳左右两侧的接线排座上，三个微型按键[2]和4位LED显示器及抽水与补水指示发光二极管直接焊接于显示板上。
专利摘要本实用新型公开了一种智能型水位/水压测控仪，由外壳、电源电路、传感器及电路板组成；液位传感器经恒流源电路供电后，将液位信号变换为毫伏级的电压信号，该信号以差分形式直接输入到A/D转换器的输入端，并利用其引脚STR的功能产生中断请求信号送入CPU中；CPU采用中断方式采集到表示水位的电信号后，经过数据滤波，线性化校正及水位换算数据处理过程后，将水位值送向LED驱动电路的端口进行水位显示；数据依靠程序自动存储存储器中；并自动从中调出参数至CPU内部的RAM中供使用，CPU将设定的水位参数与采样得到的水位值进行比较，然后按控制方式由输出指示电路输出相应的控制信号或报警信号。电路结构简单，成本低，调校方便。提高了给水过程的自动化程度。
文档编号G01F23/24GK2580494SQ0226236
公开日2003年10月15日 申请日期2002年10月25日 优先权日2002年10月25日
发明者王国栋, 杨运经, 刘云鹏, 张社奇 申请人:西北农林科技大学