CN103900656A

CN103900656A - 智能水位水温传感器

Info

Publication number: CN103900656A
Application number: CN201210578685.9A
Authority: CN
Inventors: 王春麟; 李存荣; 王斌
Original assignee: SHAANXI DUOQI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHAANXI DUOQI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02

Abstract

智能水位水温传感器，其特征是：水位传感器输出与信号调理电路输入相连，恒流源为水位传感器提供电源，信号调理电路输出与单片机内A/D转换器输入相连，数字温度传感器接口与单片机对应接口相连，时钟芯片接口与单片机对应接口相连，分压电路输出与单片机内A/D转换器输入相连，RS485通信模块输入与单片机对应接口相连，其输出与地面无线模块对应接口相连，光耦输入与单片机对应接口相连，其输出与地面无线模块对应接口相连，单片机和时钟芯片由稳压电路供电，其它受控电子元件通过电子开关供电，电子开关通断由单片机控制；本发明整体封装在不锈钢管内，输出水位、水温、电池电压数字信号且稳定无噪声干扰，传输距离大于一千米并具有节能功能。

Description

智能水位水温传感器

技术领域

本发明涉及一种数字化传感器，尤其是需要进行远距离测量和传输水位水温数据的智能传感器。

背景技术

煤矿矿区地下水的水位和水温变化数据是重要的水文资料，需要长期测量和保存。地下水距地表面的距离长达几百米至一千米不等，测量方式是通过打井，用电缆将测量设备放至水中。传统的测量方法是分别采用水位和水温两套测量设备，并且从井下到地面传输的是模拟信号，其缺点是安装不方便，传输距离近且模拟信号易受噪声干扰、不稳定，降低了测量数据的可靠性。许多矿区只测量水位，不测量水温，导致水文资料不全面。另外，矿区对测量仪器还有2点要求：

1、所有的传感器都是采用电池供电，要求测量仪器具有节能和延长电池使用时间的功能。

2、要求测量仪器具有随时更改定时测量时间的功能，并要求发送测量数据时同时发送测量时间及电池电压信息。

传统的测量设备不具备上述功能。

发明内容

为了克服现有设备安装不方便、测量数据单一、传输距离近且传输模拟信号易受噪声干扰、不稳定的缺点，以及矿区对测量仪器的功能要求，本发明提供了一种智能化的水位水温传感器，其整体用环氧树脂封装在外径25mm长140mm的不锈钢管内，直接输出数字信号，不仅克服了传输模拟信号易受噪声干扰、不稳定的缺点，传输距离可达一千米以上，还具有节能和延长电池使用时间的功能，能够随时更改定时测量时间并发送实时时间和电池电压信息。

本发明所采用的技术方案是：智能水位水温传感器，主要由单片机、水位传感器、数字温度传感器、恒流源、信号调理电路、RS485通信模块、时钟芯片、分压电路、电子开关、光耦组成，单片机内部至少含有2个A/D转换器。水位传感器输出端与信号调理电路输入端相连，信号调理电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连，数字温度传感器接口与单片机对应接口相连，恒流源输出端与水位传感器电源端相连，时钟芯片接口与单片机对应接口相连，

分压电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连，RS485通信模块输入端与单片机对应接口相连，RS485通信模块输出端与地面无线模块对应接口相连，光耦输入端与单片机对应接口相连，光耦输出端与地面无线模块对应接口相连，单片机和时钟芯片由稳压电路供电，其它受控电子元件通过电子开关供电，电子开关控制端与单片机对应接口相连。

智能水位水温传感器，其特征是：水位传感器由恒流源供电，不受电池电压变化的影响，性能更稳定，精度更高；水位传感器输出信号经过信号调理电路放大滤波后，信噪比得到提高，该信号送至单片机内部A/D转换器的输入端，单片机通过A/D转换器将模拟水位信号转换为数字信号，再经过数字滤波，得到更加稳定可靠的数字化水位信号；单片机对水温的测量是直接采用高精度数字温度传感器，并对温度信号进行数字滤波，得到更加稳定可靠的数字化水温信号；单片机通过RS485通信模块将数字化的水位水温信号送至地面的无线模块，无线模块则将井下传来的测量数据通过电信网络发送到数据中心；由于RS485通信总线具有传输距离远且抗干扰能力强的特点，本发明传输的数字水位水温信号不仅克服了传输模拟信号噪声干扰大、不稳定的缺点，而且传输距离可达一千米以上，传输信号的可靠性更高。

分压电路为单片机监测电池电压提供信息，单片机通过片内A/D转换器对电池电压进行监测，当电压过低时，及时通知使用者更换电池。

时钟芯片为单片机提供实时时间，方便单片机记录每次测量的时间，当需要定时测量时，时钟芯片可以为单片机提供定时复位信号。

为了在定时工作方式下节能，除了单片机和时钟芯片由稳压电路供电外，其它受控电子元件的电源输入端均通过电子开关与稳压电路输出端相连，单片机在非测量时间断开电子开关并进入休眠状态，时钟芯片的定时复位信号可唤醒单片机进入测量状态。

单片机通过光耦控制地面无线模块电源的通断，在测量周期，单片机接通无线模块电源，以便将井下传来的测量数据通过电信网络发送到数据中心，在非测量周期，单片机关断地面无线模块的电源，起到节能和延长电池使用时间的作用。

在软件设计上，利用地面无线模块搜索电信网络的时间，延时3分钟等待接收手持仪的放传感器命令；利用每次上传测量数据后，延时5分钟等待接收数据中心是否有更新定时测量时间和实时时间的命令，确保传感器能够随时收到数据中心和手持仪的命令。

本发明的有益效果是：测量水位水温的电路集成在一块电路板上，电路板连同传感器一起用环氧树脂封装在外径25mm长140mm的不锈钢管内，通过RS485通信总线输出数字信号，不仅克服了传输模拟信号易受噪声干扰、不稳定的缺点，而且集水位水温测量于一体，传输距离可达一千米以上，并且安装方便；同时，在非测量周期单片机通过电子开关切断除单片机和时钟芯片以外所有消耗电能的电子元件的电源，通过光耦切断地面无线模块的电源，并进入休眠状态，此时整个传感器的电流消耗小于0.1mA，具有明显的节能效果，也延长了电池的使用时间；通过设置分压电路，单片机可以监测电池容量，并将电池容量信息传送到数据中心；由于采用了时钟芯片ISL1208，单片机可以获得每次的测量时间，并能够随时根据数据中心的要求更改定时测量时间；软件设计上，在每次上传测量数据后，延时5分钟等待接收数据中心是否有更新定时测量时间和实时时间的命令；另外，地面无线模块搜索电信网络需要2分钟左右的时间，每次单片机复位后延时3分钟，并利用这段等待时间接收手持仪是否有命令，确保传感器能够随时收到数据中心和手持仪的命令；本发明具有智能化的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的电子开关原理图

图3是本发明的安装结构图

图4是本发明的光耦电路图

图5是本发明的主程序软件流程图

具体实施方式

具体实施方案参照图1-图5进行说明：图中的箭头表示信号或电源的流向。智能水位水温传感器，主要由单片机、水位传感器、数字温度传感器、恒流源、信号调理电路、RS485通信模块、时钟芯片、分压电路、电子开关、光耦组成，单片机内部含有2个及以上的A/D转换器。水位传感器输出端与信号调理电路输入端相连，信号调理电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连，数字温度传感器接口与单片机对应接口相连，恒流源输出端与水位传感器电源端相连，时钟芯片接口与单片机对应接口相连，分压电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连，RS485通信模块输入端与单片机对应接口相连，RS485通信模块输出端与地面无线模块对应接口相连，光耦输入端与单片机对应接口相连，光耦输出端与地面无线模块对应接口相连，单片机和时钟芯片由稳压电路供电，其它受控电子元件通过电子开关供电，电子开关控制端与单片机对应接口相连。

在图1的实施例中，水位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件组成桥式压力传感器，给水位传感器供电的恒流源采用恒流源芯片LM334，该芯片具有大电压范围内输出电流基本不变的特点,可以保证水位传感器工作的稳定性及精度不受电池电压变化的影响；合理选择桥臂电阻阻值和LM334的输出电流，可使功耗、测量精度及稳定性达到最佳组合；本实施例中，桥臂电阻为4KΩ，LM334的电流调节电阻为68Ω，输出电流为1mA。

信号调理电路中的放大器采用仪表放大器LTC2053，该放大器具有高精度、低噪声、极低漂移的特点，能够确保水位测量数据的精确度；在信号调理电路中采用一阶有源低通滤波器对水位信号进行滤波，极大的降低了高频噪声干扰。

水温传感器采用集成芯片18B20，该芯片具有测量精度高、直接输出数字信号的特点。

RS485通信模块采用ISL83485，该芯片具有低功率及限斜率功能，能提高数据传输质量。

单片机采用C8051F125，该芯片包含8路12位A/D转换器、多种形式串行接口、I/O接口及128KB闪存，完全能满足与其它芯片接口及控制的要求，也能满足大量测量数据存储的要求。

时钟芯片采用ISL1208，该芯片可随时设置、修改、读取实时时间，该芯片还具有可设置的定时报警功能，报警时自动产生可供单片机休眠时复位用的脉冲信号，在本实施例中，将ISL1208的脉冲输出端与C8051F125的复位端相连；由于采用了ISL1208，单片机可以获得每次的测量时间，并能够随时根据数据中心的要求更改定时测量时间。

光耦采用TLP521-1，图4是具体电路，TLP521-1的光电二极管正极通过电阻R1与电子开关2的输出端相连，光电二极管负极与单片机对应接口相连，光电三极管的集电极与电子开关1的输出端相连，光电三极管发射极通过电阻R2与地面无线模块电源开关的控制端相连，电阻R1和R2都是限流电阻；光耦采用发射极输出驱动地面无线模块电源控制开关的通断，其优点是相当于恒流源输出，即使线路电阻值发生变化，也能确保可靠控制；在测量周期，单片机接通无线模块电源，以便将井下传来的测量数据通过电信网络发送到数据中心，在非测量周期，单片机通过光耦关断地面无线模块电源，起到节能和延长电池使用时间的作用。

分压电路采用电阻分压，分压电路的输入电压由电子开关提供，分压后的输出电压接至单片机A/D转换器输入端，单片机根据A/D转换的数据可以计算出电池容量。

图2是电子开关原理图，电子开关由电子开关1和电子开关2组成，电子开关1采用PNP型三极管，电子开关2采用NPN型三极管，电池正极与稳压电路输入端及电子开关1输入端相连，稳压电路输出端与单片机、时钟芯片电源端及电子开关2输入端相连，电子开关1控制端与单片机对应接口相连，电子开关1输出端与分压电路输入端、电子开关2控制端及恒流源输入端相连，恒流源输出端与水位传感器电源端相连，电子开关2输出端与其它受控电子元件的电源端相连，分压电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连。

从图2可以看到，单片机只需控制电子开关1就可控制其它受控电子元件电源的通断，在非测量周期，单片机关断电子开关1并进入休眠状态，此时整个传感器的电流消耗小于0.1mA，大大延长了电池的使用时间，时钟芯片的定时复位信号可唤醒单片机进入测量状态。

图3是本发明的安装结构图，传感器整体封装在外径25mm长140mm的不锈钢管内，钢管一个端面安装压力传感器，钢管壁上小圆孔安装温度传感器，钢管内安装传感器电路板，钢管另一个端面封装5芯电缆连接传感器电路板和地面无线模块对应接口，整个传感器用环氧树脂灌装，5芯电缆分别是2根电源线，2根通信线，1根控制线。

图5是主程序软件流程图，下面说明程序工作过程：

1．单片机复位，对系统进行初始化；

2．接通电子开关和光耦，使整个系统处于工作状态；

3．延时3分钟，等待地面无线模块搜索电信网络，同时接收人工通过手持仪器发送的放传感器命令，有命令则执行放传感器程序，无命令则执行下面程序；

放传感器命令是指首次在现场安装传感器时，需要调节传感器下放至水中的深度，手持仪命令传感器连续发送水位数据，使用者边放传感器边根据手持仪显示的水位确定合适深度。

4．测量水位、水温、电池电压及实时时间数据，保存本次测量数据并上传数据；

5．延时5分钟接收数据中心发送的更新定时测量时间及实时时间的命令，有更新命令则更新定时测量时间及实时时间，无更新命令则执行下面程序；

6．关断电子开关和光耦，单片机进入休眠状态，系统处于待机状态；

7．定时时间到，时钟芯片产生复位信号，单片机复位后，重复上述过程。

Claims

1.智能水位水温传感器，主要由单片机、水位传感器、数字温度传感器、恒流源、信号调理电路、RS485通信模块、时钟芯片、分压电路、电子开关、光耦组成，单片机内部至少含有2个A/D转换器，其特征是：水位传感器输出端与信号调理电路输入端相连，信号调理电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连，数字温度传感器接口与单片机对应接口相连，恒流源输出端与水位传感器电源端相连，时钟芯片接口与单片机对应接口相连，分压电路输出端与单片机内部A/D转换器输入端相连，RS485通信模块输入端与单片机对应接口相连，RS485通信模块输出端与地面无线模块对应接口相连，光耦输入端与单片机对应接口相连，光耦输出端与地面无线模块对应接口相连，单片机和时钟芯片由稳压电路供电，其它受控电子元件通过电子开关供电，电子开关控制端与单片机对应接口相连，传感器整体封装在外径25mm长140mm的不锈钢管内。

2.根据权利要求1所述的智能水位水温传感器，其特征是：对照图2，电子开关由电子开关1和电子开关2组成，电子开关1采用PNP型三极管，电子开关2采用NPN型三极管，电池正极与稳压电路输入端及电子开关1输入端相连，稳压电路输出端与单片机、时钟芯片的电源端及电子开关2的输入端相连，电子开关1控制端与单片机对应接口相连，电子开关1输出端与分压电路输入端、电子开关2控制端及恒流源输入端相连，电子开关2输出端与其它受控电子元件的电源端相连。

3.根据权利要求1所述的智能水位水温传感器，其特征是：对照图3，传感器整体封装在外径25mm长140mm的不锈钢管内，钢管一个端面安装压力传感器，钢管壁上小圆孔安装温度传感器，钢管内安装传感器电路板，钢管另一个端面封装5芯电缆连接传感器电路板和地面无线模块对应接口，整个传感器用环氧树脂灌装，5芯电缆分别是2根电源线，2根RS485通信线，1根控制线。

4.根据权利要求1所述的智能水位水温传感器，其特征是：水位传感器采用隔离型扩散硅敏感元件组成桥式压力传感器，每个桥臂电阻阻值均为4KΩ，给水位传感器供电的恒流源采用恒流源芯片LM334，LM334电流调节电阻为68Ω，输出电流为1mA。

5.根据权利要求1所述的智能水位水温传感器，其特征是：传感器与地面无线模块之间的数据传输采用RS485通信总线。

6.根据权利要求1所述的智能水位水温传感器，其特征是：对照图5，单片机复位，对系统进行初始化，接通电子开关和光耦使系统处于工作状态；延时3分钟，等待地面无线模块搜索电信网络，同时接收人工通过手持仪器发送的放传感命令，有命令则执行放传感器程序，无命令则执行下面程序；测量水位、水温、电池电压及实时时间数据，保存本次测量数据并上传数据；延时5分钟接收数据中心发送的更新定时测量时间及实时时间命令，有更新命令则更新定时测量时间及实时时间，无更新命令则执行下面程序；关断电子开关和光耦，单片机进入休眠状态，系统处于待机状态；定时时间到，时钟芯片产生复位信号，单片机复位后，重复上述过程。