CN101281033A - 无线电解液倾角传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线电解液倾角传感器装置，它包括一个电解液倾角传感器单元电路，该电路经一个微处理器单元电路连接一个射频芯片单元电路，射频芯片单元电路连接天线，有一个电源为所述各单元提供工作电源。本装置适合应用于无线传感器网络中。

Description

无线电解液倾角传感器装置

技术领域

本发明涉及一种无线倾角传感器装置，特别是一种应用电解液倾角传感器来测量倾角的无线传感器装置。

背景技术

古老的测斜仪多为气泡式的，只能凭肉眼去辨别倾斜度，精度差，且不方便；而现在的电子倾角仪往往是把倾斜度转化为数字信号后，现场显示或通过有线方式(例如，采用RS-232，CAN总线等)来传输，它比传统的气泡式测斜仪的更精确、更方便，但是，有线传输方式在大规模布线时，存在着布线成本高，某些场合布线困难等缺点。

电解液倾角传感器是由电解液、电极和封闭装置组成，在重力的作用下，电解液总是保持水平，使电解液的分布电参数(例如，电阻、电容)发生变化，在电极处测得电参数，并且此电参数与倾角成一定关系，从而计算出倾角。

无线传感器网络(WSN)，是由大规模的低功耗、低数据速率、低成本的短距离射频无线节点，组成一种多跳的自组织网络，其目的是协作地获取和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者，被广泛用于军事、工业、环境、交通、安全、家庭、医疗等多种场合中。无线传感器网络有着广阔的应用前景，已经成为国内外研究的热门技术之一。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种无线电解液倾角传感器装置，适合应用于无线传感器网络中，在土木设施(例如，桥梁、隧道等)、大型建筑物和设备的健康监测等方面，可以很方便地长期监控，对其健康维护都起着重要的作用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种无线电解液倾角传感器装置，包括一个电解液倾角传感器单元电路，其特征在于所述电解液倾角传感器单元电路，经一个微处理器单元电路连接一个射频芯片单元电路，所述射频芯片单元电路连接天线，有一个电源为所述各单元提供工作电源。

上述的电解液倾角传感器单元电路，包括交流激励电路和信号调理电路，交流激励电路的目的在于给电解液倾角传感器提供交流激励信号，将电解液倾角传感器输出的电压信号送到信号调理电路中，调理好的电压信号被送入微处理器ATMEGA128L芯片集成的8通道10位模数(AD)转换器中。其中，交流激励为微处理器ATMEGA128L产生两路PWM波来提供，两路PWM波相位相差180度，为电解液倾角传感器的两个输入电极供电。交流激励的目的在于防止电极被极化，从而延长了电解液倾角传感器的寿命。

上述的微处理器单元电路，包括型号为ATMEGA128L的微处理器、晶振电路、LED灯、JTAG接口、ISP接口、串口接口。该微处理器除了拥有高效率RISC指令以外，片上资源也十分丰富，包括4个定时器、4KB SRAM、128KB Flash和4KB EEPROM；拥有2个UART、SPI、I2C、JTAG接口、8通道10位ADC；多达35种中断源，其中，外部中断有8个；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。

上述的射频(RF)单元电路，包括符合ZigBee/IEEE802.15.4标准的，工作于ISM频段的射频芯片CC2420、微带巴伦(Microstrip Balun)电路、2.4G天线。其中，射频芯片CC2420功耗低(RX：19.7mA，TX：17.4mA)、传输速率高达250kb/s、接收灵敏度高达-99dBm；微带巴伦电路是CC2420和天线之间的传输线，是经过匹配计算的。微处理器ATMEGA128L通过SPI总线与CC2420连接，实现对CC2420的寄存器进行配置，读写收发信息等功能。

上述的电源电路，包括两节AA电池、滤波电容，为整个节点装置提供电压为3V的直流电源。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本装置的设计考虑了无线传感网络节点的低成本特性，只使用了一个微处理器和少量的其他元器件，降低了系统设计的复杂度，降低了成本。本装置的设计考虑了无线传感网络节点的低功耗特性，微处理器ATMEGA128L，电解液倾角传感器，及射频芯片CC2420，都为低功耗芯片，且节点可以间歇性进入休眠状态，此时节点的功耗很小的，延长了节点的服役寿命。本装置在土木设施、大型建筑物和设备的健康监测等方面，可以很方便地长期监控，对其安全维护都起着重要的作用。

附图说明

图1是无线电解液倾角传感器装置总体框图；

图2是电解液测角传感器向左倾斜Φ时的剖面结构示意图；

图3是电解液测角传感器的两路交流激励电压示意图；

图4是无线电解液倾角传感器装置电路原理图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

参见图1，本无线电解液倾角传感器装置，包括一个电解液倾角传感器单元电路1，其特征在于所述电解液倾角传感器单元电路1，经一个微处理器单元电路2连接一个射频芯片单元电路3，所述射频芯片单元电路3连接天线4，有一个电源5为所述各单元提供工作电源。

上述的电解液测角传感器1(以下简称传感器)，如图2所示，在玻璃或陶瓷容器内装有一定粘度的电解液，并有电极1、电极2、电极3与外部连接，三个电极之间相互平行且距离相等，如果在两根电极之间加上等幅的交流电压时，电极之间会形成离子电流，假设，电极1、3之间的电阻为R13，假设电极2、3之间的电阻为R23。当传感器水平时，电极浸入电解液内的深度相同，则R13＝R23；当传感器向左倾斜，由于重力的作用，右边电极2浸入深度浅，电极2、3之间的导电离子数也少，其电阻R23较大，而左边电极1浸入深度深，电极2、3之间的导电离子数多，其电阻R13较小，此时R23＞R13；反之，如果当传感器向右倾斜，则有R23＜R13。则计算R13/R23的值，就可以知道传感器倾斜的角度和方向。

由微处理器2产生两路PWM波，激励电极1、2。如图3所示，两路交流激励电压都是锋值分别为电源电压VCC(以下简称VCC)和0V的方波，且频率为50HZ，占空比为50％，相位差为180度，假设分别被称为激励电压1和激励电压2。如图4所示，电极1、2和电极3的经过RC滤波电路后输出平稳电压，假设分别称为U1、U2，则U1＝1/2VCC，即VCC＝2U1。如图3所示，在A阶段，激励电压1为VCC，激励电压2为0V，则R13/R23＝U2/(VCC-U2)＝U2/(2U1-U2)；在B阶段，激励电压1为0V，激励电压2为VCC，则R13/R23＝(2U1-U2)/U2。为了减小系统误差，取A、B阶段R13/R23的算术平均值。

如图4所示，传感器的1、2脚分别连接微处理器2的14、15管脚，且传感器的1、2、3脚都接有RC滤波，分别为电阻R21、R22、C29和R23、C30，且滤波后的电压值分别被送入微处理器2的59、58管脚。

上述的微处理器2，其外围包括；晶振电路、三个LED指示灯(红、黄、绿)、JTAG接口、ISP接口，串口接口，RC复位电路等。具体的电气连接，如图4所示，晶振电路，电容C25、C26配合8M的无源晶振工作，连接到微处理器2的23、24管脚；红、黄、绿三个LED指示灯分别串联限流电阻R14、R13、R6，连接到微处理器2的49、50、51管脚；JTAG接口的1、3、5、9管脚分别上拉电阻R11、R10、R9、R8后连接到微处理器2的57、55、56、54：ISP接口的1、5、7、9分别连接到微处理器2的2、20、11、3管脚；串口接口的1、2、3分别连接微处理器2的27、28管脚和接地；RC复位电路由R7和C15组成，连接到微处理器2的20管脚。

上述的射频芯片3，其外围包括：与微处理器2的接口，晶振电路，供电电路，巴伦电路以及天线。具体的电气连接，如图4所示，与微处理器2的接口，用于交换数据与控制信号，其中，两者SPI口对接，用于收发数据交换，而射频芯片3的27、28、29、30、21、41管脚与微处理器2间传输控制信号；晶振电路，电容C10、C11配合四脚16M无源晶振连接到射频芯片3的39、38管脚，考虑射频芯片对晶振稳定性能要求高，选择四脚无源晶振；供电电路，装置电源提供的3V电源，接入射频芯片3的43管脚，经过芯片的变压成1.8V后由43管脚输出，为芯片的1.8V管脚供电。3V和1.8V电源都要使用电容去耦，去耦电容须采用高品质的陶瓷电容，介电类型最好是“NP0”，“XR7”；巴伦电路以及天线4，由电感L2、L3、L4、电容C12和2.4G天线组成，用于微波信号的传输。

上述的电源5，使用两节AA电池供电，使用开关S1控制节点装置电源，并联电容C27滤波，使用LED指示灯指示电源供电状况。

Claims (4)

1.一种无线电解液倾角传感器装置，包括一个电解液倾角传感器单元电路(1)，其特征在于所述电解液倾角传感器单元电路(1)，经一个微处理器单元电路(2)连接一个射频芯片单元电路(3)，所述射频芯片单元电路(3)连接天线(4)，有一个电源(5)为所述各单元提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的无线电解液倾角传感器装置，其特征在于所述的微处理器单元电路(2)中采用型号为ATMEGA128L的微处理器。

3.根据权利要求1所述的无线电解液倾角传感器装置，其特征在于所述的射频芯片单元电路(3)中采用射频芯片CC2420。

4.根据权利要求1所述的无线电解液倾角传感器装置，其特征在于所述的电解液倾角传感器单元电路(1)的电解液倾角传感器是在一个玻璃或陶瓷容器内装有一定粘度的电解液，并有电极1、电极2、电极3与外部连接，三个电极之间相互平行且距离相等。

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