CN105403346A - 一种基于高精度水箱压力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高精度水箱压力测量系统，包括压力传感器、通信接口、信号调理电路、A/D转换器、单片机、U/I转换器和水泵控制器，所述压力传感器设置在水箱内部，压力传感器通过信号调理电路与A/D转换器相连接，所述A/D转换器与单片机连接，单片机连接若干并行的通信接口，通信接口和单片机之间设置有U/I转换器，所述通信接口与水泵控制器连接。其产生的有益效果是，可进行各种校正和补偿，并不受外界干扰，对测量有选择性地进行，提高稳定度，具有自我诊断功能，对故障部位能准确锁定，故障状态迅速识别。

Description

一种基于高精度水箱压力测量系统

技术领域

本发明涉及水箱压力的监测控制过程，尤其涉及一种基于高精度水箱压力测量系统。

背景技术

在生产和生活中经常需要对储液罐或蓄水的液位进行测量控制，液位的测量实际上可以转化为对深度压强的测量。智能供水系统的给水能力是非常重要一个方面，在系统设计中离不开对水箱压力、压强、液位等数据的测量与传输。随着物联网概念的提出与实现，有关供水系统及液位测量的智能化要求越来越高，是我们需要解决的关键问题之一。目前对水箱各种参数的检测已有很多种方法，然而现有的液位测量仪方案中，有不少测量仪因价格问题、安装问题或环境问题不易为人们接收(如液位测量控制的浮球，因自身的体积和环境问题经常失灵，使其应用受限)，测量精度及数据传输与处理难以达到要求，总体上还不能适应快速发展的建筑行业要求，特别是智能化的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的水箱压力、压强测量及传输电路，即一种基于高精度水箱压力测量系统。

为实现上述目的，本发明的基于高精度水箱压力测量系统，包括压力传感器、通信接口、信号调理电路、A/D转换器、单片机、U/I转换器和水泵控制器，所述压力传感器设置在水箱内部，压力传感器通过信号调理电路与A/D转换器相连接，所述A/D转换器与单片机连接，单片机连接若干并行的通信接口，通信接口和单片机之间设置有U/I转换器，所述通信接口与水泵控制器连接。

进一步的，对输入信号进行处理的的信号调理电路包括对电信号滤波、放大、隔离、变换及非线性化处理。

进一步的，在信号调理电路与A/D转换器之间还设置电路开关，用于接通多路模拟信号。

一个优选的压力传感器选择方案是选择桥式荷重压力传感器，传感器的信号输出端设置有调零电路。

为了对系统进行保护，在A/D转换器与单片机之间还设置有报警和断电保护电路。

通信接口连接的外接设备主要包括键盘和显示器。

本专利的优点是：1、选用灵敏度和测量范围较大及稳定性较好的压力传感器，压力范围可达1-20Psig，还可进行各种校正和补偿；2、采用线性稳压器及运算放大器，使电路工作电压保持高稳定度和高精度，以达到高精度测量的目的，并不受外界干扰，对测量有选择性地进行；3、运用匹配的运算放大器组成桥式放大器，对压力传感器的输出进行放大，适合远距离控制与传输；4、为适应长距离传输，将0-5V模拟电压转换为0-5kHz的频率输出。电路将采用温度补偿，进一步提高稳定度；5、具有自我诊断功能，对故障部位能准确锁定，故障状态迅速识别；6、有较多的数字通信接口，具有多样性；7、软件部分根据系统功能进行模块化编程。可以国家法律规定的具体数据的不同来设置存取测量数据，满足不同安全管理操作方便的需要。

附图说明

图1是基于高精度水箱压力测量系统的硬件连接结构图；

图2是基于高精度水箱压力测量系统的控制原理图。

具体实施方式

本发明的一种基于高精度水箱压力测量系统，主要由压力传感器、通信接口、信号调理电路、A/D转换器、单片机、U/I转换器和水泵控制器组成，压力传感器设置在水箱的底部，压力传感器和A/D转换器相连接，在压力传感器和A/D转换器之间设置有信号调理电路，信号调理电路主要由前置放大电路、滤波器和主放大电路组成，能够对传感器的输出电信号进行滤波、放大、隔离、变换及非线性化处理，A/D转换器与单片机信号输入端连接，单片机信号输出端连接通信接口，单片机的输出信号通过U/I转换器转换后传达到通信接口，通信接口连接显示器，键盘和水泵控制器，另外，在A/D转换器与单片机之间还设置有报警和断电保护电路。

在压力传感器和信号调理电路之间还设置有调零电路，调零电桥串接在传感器输出和放大器之间，通过调零电桥内的变电位器改变桥路不平衡输出电压，使之与传感器空载输出电压大小相等，极性相反。

该系统主要包括五个模块，分别是数据采集模块、主机电路及通信接口模块、模拟输入通道模块、模拟输出通道模块和软件模块。

数据采集模块包括压力传感器的设计和选用，这里采用了桥式荷重压力传感器，即4片电阻应变计粘于弹性体上，组成全桥平衡检测电路。当传感器受到外加载荷作用时，弹性体发生应变，桥臂失去平衡，在外界供桥电源作用下，电桥输出一不平衡直流电压信号，该信号与传感器所受载荷大小成正比，从而实现力电转换，同时该压力传感器采用全不锈刚焊接梁式结构，机械密封性能好，防腐、防气体污染。有高精度的电阻应变计可确保测量精度。广泛用于各种工业，特别适用于恶劣的场合。

主机电路即为单片机，主要包括微处理器，存储器和I/O接口电路。程序存储器和数据存储器容量的大小同仪器数据处理和控制功能有关，本程序存储器容量为8K（选用一片2764），数据存储器容量为2K（选用一片6116）。

通信接口为485接口，实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

模拟输入通道模块即为前置放大电路、滤波器、主放大电路和A/D转换器，将信号滤波，放大，隔离，变换以及非线化处理等，使之成为适合A/D转换的电压信号，再通过A/D转换器进行转换。

同时在多路数据采集系统中还设置有多路开关，其作用是用来接通多路模拟信号中某一路，其性能的优劣回直接影响系统的精度和速度。

模拟输出通道模块由U/I转换器和隔离电路组成。其中U/I转换器选用AD694，其集成精度高，可用单电源或双电源供电，具有高精度参考电压，及输出断路报警等功能。

软件模块是根据系统功能对单片机进行模块化编程。分别由控制程序、数据处理程序和辅助程序三个方面构成。控制程序包括掉电扫描程序、键盘程序。数据处理程序由内部功能控制程序协调，外部信号的接收通过485通信方式进行，控制指令由单片机发出，再通过自校、跟踪、越限报警、输出打印、键盘、显示、A/D转换等电路，从而保证高精度水箱压力测量电路有序的进行工作。

在所述的基于高精度水箱压力测量系统中，调零电路保证传感器空载输出电压大小相等，极性相反。

水箱压力通过数据采集模块的压力传感器将水箱中的压力进行信号转换，再通过模拟输入通道模块将模拟信号转换成适合单片机识别的数字信号，即当水箱(水塔)的液位发生变化时，气压传感器把变化量转化成电压信号；该信号经过滤波，放大，隔离，变换以及非线化处理后，变成一个幅度为0～5V标准信号，将该信号送入A/D转换器，A/D转换器把模拟信号变成数字信号量，进行实时数据采集。

然后将处理好的数据传入单片机，单片机上预设的软件模块对输入数据进行数据处理，实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较和处理后，再将信号通过模拟输出通道模块将信号进行处理，主要过程是将U/I转换器将信号处理输出至各并行通信接口，再将信号输出至各外接设备，包括水泵控制器、键盘和显示器，其中水泵控制器控制水箱的水位，当检测值若高于上限设定值时，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，控制水泵开始上水，显示器现场实时显示测量值，直观地显示，并任意控制水位高度。

同时该系统中还设置有报警和断电保护电路，对整个系统进行必要的保护，以及对突发情况进行报警。

上述过程中，由于A/D转换器都需要有一定时间来完成量化及编码操作，因此，在转换过程中，模拟量不能发生变化，否则，将直接影响转换精度。可实现这一功能的电路就是采样保持器。当输入的模拟量信号变化缓慢时，也可省去采样保持器。

Claims (6)

1.一种基于高精度水箱压力测量系统，其特征在于：包括压力传感器、通信接口、信号调理电路、A/D转换器、单片机、U/I转换器和水泵控制器，所述压力传感器设置在水箱内部，压力传感器通过信号调理电路与A/D转换器相连接，所述A/D转换器与单片机连接，单片机连接若干并行的通信接口，通信接口和单片机之间设置有U/I转换器，所述通信接口与水泵控制器连接。

2.根据权利要求1所述的基于高精度水箱压力测量系统，其特征在于：所述信号调理电路包括前置放大、滤波和主放大电路。

3.根据权利要求1所述的基于高精度水箱压力测量系统，其特征在于：所述信号调理电路与A/D转换器之间还设置有电路开关。

4.根据权利要求1所述的基于高精度水箱压力测量系统，其特征在于：所述压力传感器为桥式荷重压力传感器，传感器的信号输出端设置有调零电路。

5.根据权利要求1所述的基于高精度水箱压力测量系统，其特征在于：所述的A/D转换器与单片机之间还设置有报警和断电保护电路。

6.根据权利要求1所述的基于高精度水箱压力测量系统，其特征在于：所述通信接口还连接有键盘和显示器。