CN201285305Y

CN201285305Y - 多节点网络式水位测量装置

Info

Publication number: CN201285305Y
Application number: CNU2008201924399U
Authority: CN
Inventors: 范林刚; 陈浩; 田野
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2018-11-14

Abstract

本实用新型涉及一种多节点网络式水位测量装置，它包括一组及以上水位测量节点和上位PC机；每组包括若干个水位测量节点，每个水位测量节点上连接有芯片，所述芯片通过总线型拓扑结构与上位PC机相连，PC机间通过计算机网络实现数据共享；每个水位测量节点包括探针式水位传感器、信号调理电路、单片机和电源，单片机内部预设程序控制探针式水位传感器的探针移动并获得测量数据，将所得数据上传PC机进行处理。本实用新型克服了水体的温度、表面张力等影响，提高了测量精度；每台PC机下连接多台单片机系统，便于近距离的多点测量，并将每台PC构建为基于以太网的测量系统，便于远距离的数据共享与远距离的多点测量。

Description

多节点网络式水位测量装置

技术领域

本实用新型涉及计算机及数字测量技术领域，尤其是涉及一种能实现基于网络结构的快速跟踪、同时进行多点测量的多节点网络式水位测量装置。

背景技术

水位作为指示河流、库区汛情的基本水文要素之一，是水情信息的重要组成部分，为防洪调度及洪水预报的重要依据，也是海岸潮汐试验、船闸及大坝安全监测的重要内容。通过水位的检测，管理人员可以随时掌握渠道水位变化情况，据此进行预测，得出旱涝、汛期等信息，保证堤防安全，还能按照测流断面的水位流量关系进行水量计算，控制开闸时间和程度，实现资源的可持续发展。另外，水位检测也是进行各种水利科学研究的重要基础，是大型水利水电工程、实验模型研究、原型检测的重要内容，在学科研究中的很多水利学参数，如，堰顶、坝顶水头、河流水位坡降等等，均与水位有关联。

快速精准的水位检测不仅能够进行各种水情信息的预测，利用好天然的水利资源，而且为科学研究提供可靠的第一手资料，为进一步的深入分析、促进学科发展打下坚实的基础。

传统的水位测量系统大多是基于浮子式、电阻式、电容式、超声波、雷达式等水位传感器的，这些传感器限于研制时的技术条件，受所测水体的物理特性(如水温、水表面张力等)影响严重，从而导致测量精度不高，适用场合受限等。此外，目前主流的单机的测试也逐渐不能满足实际的需求。传统的水位测量系统都是单机工作模式，从而很难实现同步多点测量，给使用带来了极大的不便，大大降低了系统的实用性。常见的水位测量大多是通过单片机对传感器控制以及对数据进行处理、显示。随着计算机网络技术的发展，分布式测量系统逐渐进入各个测量领域，实时、多点同步的网络式探测逐渐取代了往日的单机处理。一种能克服水体物理性质，如温度、表面张力等影响，实现快速跟踪、高精度、多点同时测量的网络式的水位测量系统具有很大的现实意义和应用价值。

发明内容

本实用新型为解决上述问题而提供多节点网络式水位测量装置，它发明目的之一是克服所测水体物理特性的影响，能快速跟踪液面变化，提高测量精度；

它发明的另一目的是组成网络式结构，实现同时多点测量。

本实用新型是这样实现的：多节点网络式水位测量装置，它包括：一组及以上水位测量节点和上位PC机；每组包括若干个水位测量节点，每个水位测量节点上连接有芯片，所述芯片通过总线型拓扑结构与上位PC机相连，PC机作为数据处理控制核心，对测量数据进行存储、处理和共享，PC机间通过计算机网络实现数据共享；

其中，每个水位测量节点包括：探针式水位传感器、信号调理电路、单片机和电源，探针式水位传感器、信号调理电路、单片机依次电连接，电源分别连接探针式水位传感器和单片机，单片机外围连接有复位电路和晶体振荡电路。

上述探针式水位传感器包括有步进电机驱动器、步进电机、拉线齿轮、测杆、限位开关，步进电机驱动器与单片机电连接，步进电机驱动器与步进电机电连接，步进电机与拉线齿轮的外圈啮合，拉线齿轮次圈上缠绕钢丝拉线，钢丝拉线带动测杆上下运动，测杆底端连接有探针，探针能上下移动并利用探针到达液面瞬间发射信号，测杆的顶端和底端设有限位开关，限位开关与单片机电连接。

上述信号调理电路包括有比较器、调节电位器以及电阻，探针的一个输出端连接上拉电阻输入端，一个输出端连接比较器输入端，比较器一个输出端与调节电位器输入端相连，调节电位器输出端通过电阻连接到比较器的输出端，其输出端与单片机输入端相连。

上述单片机连接有数字显示器。

上述数字显示器包括有并行I/O扩展芯片8255A和若干个LED显示管。

上述芯片为MAX232芯片。

本实用新型的有益效果是：(1)采用探针式液位传感器，利用步进电机精确控制探针上下移动并利用电信号检测触水信号，测量克服水体的温度、表面张力等影响，提高测量精度；(2)每台PC机下用总线型机构连接多台单片机系统，便于近距离的多点测量，并采用网络式结构，将每台PC构建为基于以太网的测量系统，便于远距离的数据共享与远距离的多点测量；(3)强大的数据处理能力。使用PC对所测数据进行存储、处理和共享，实时显示水位曲线；(4)该水位检测系统的测点节点易于扩展，具有很重要的现实意义和推广价值。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型实施例中其中一个水位测量节点的原理框图；

图3为本实用新型实施例中探针式水位传感器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中限位开关中断信号处理电路图；

图5为本实用新型实施例中探针式水位传感器的信号调理电路图；

图6为本实用新型实施例中直流稳压电源实现电路图；

图7为本实用新型实施例中水位测量节点与上位PC机间的串行通信接口电路。

图中：1、PC机，2、MAX232芯片，3、水位测量节点，4、传感器系统，5、步进电机，6、步进电机驱动器，7、探针，8、测杆，9-触顶开关，10-拉线齿轮，11-触底开关，3.1、LED显示装置，3.2、单片机，3.3、单片机电源，4.1、传感器信号调理电路，4.2-探针式水位传感器，4.3-传感器电源。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施例做进一步描述，参见图1至7：

图1中，为了克服目前传统的单机工作模式，本实用新型采用多节点网络式水位测量的方式，包括一组及以上水位测量节点3和上位PC机1，一组包括若干个水位测量节点3通过总线型拓扑结构与上位PC机1相连完成数据传输，PC机1作为数据处理控制核心，对测量数据进行存储、处理和共享，并下达相应命令给水位测量节点3。PC机1间通过以太网连接起来，实现所测数据的共享与远程控制。从而实现同步多点测量，提高了测量的效率，给使用带来了极大的便利，大大提高了系统的实用性。

参见图2、3，水位测量节点3要完成数字测量水位的功能主要包括两个部分，传感器系统4和单片机3.2，传感器系统4包括探针式水位传感器4.2、传感器信号调理电路4.1及传感器电源4.3。信号调理电路采集信号，单片机3.2则起控制信号采集、信号处理及数据传输给PC机1的作用。本实用新型实施例中，单片机3.2采用的型号为AT89C55，其内部预设程序控制探针式水位传感器4.2的探针7移动并获得测量数据，它与探针式水位传感器4.2通过信号调理电路4.1相连接，信号调理电路将水位传感器的测得的水位信息转换为可供单片机3.2接收的电信号。

单片机3.2与上位PC机1的通讯是通过串行通信接口电路实现的，本实施例中采用的是公知的MAX232芯片电路连接单片机3.2和PC机1，将PC机1的控制命令传递给单片机3.2，并将单片机3.2测得的数据通过RS232协议上传给PC机1。为了在下位机即单片机3.2上显示测量数据以增强测量装置使用的灵活性，单片机3.2还连接有LED显示器3.1，由于AT89C55接口资源不足，使用并行I/O扩展芯片8255A对单片机3.2作并口扩展，扩展后与LED显示器3.1电连接实时显示实测的水位，可精确到0.1毫米，用8255A的PA口控制LED显示器3.1的段选，PC口控制位选。当然，要使单片机3.2能正常工作，还必须连接使其工作的最小外围电路系统包括复位电路和晶体振荡电路，以及连接有+5伏单片机电源3.3。

探针式水位传感器4.2是本实用新型中核心部分，为了克服传统传感器受所测水体的物理特性，如水温、水表面张力等影响，探针式水位传感器4.2的结构如图3所示，主要包括有步进电机驱动器6、步进电机5、拉线齿轮10、测杆8、限位开关，步进电机驱动器6与单片机3.2相连，其负责单片机3.2与步进电机5的脉冲控制、信号分配和功率放大，步进电机驱动器6驱动步进电机5，步进电机5只有周期性的误差而无累积误差这一特点能很好的保证测量精度。步进电机5与拉线齿轮10的外圈啮合传动，拉线齿轮10次圈上缠绕钢丝拉线，钢丝拉线带动测杆8上下运动，测杆8的有效长度制作为50厘米也可根据实际长度可以做相应改变，测杆8底端连接有探针7以减少液体表面张力等影响，提高了触水灵敏度。测杆8的顶端和底端设有限位开关包括触顶开关9和触底开关11，限位开关作为测量过程中的辅助工具与单片机3.2连接限制测杆8的位移避免测杆8卡死而损坏传感器。图中11号线是触水信号线，21号线、22号线是测杆8触底信号线，31号线、32号线是测杆8触顶信号线。

在本实用新型的实施中，步进电机5为反应式三相步进电机45BF005-II，工作电压为27V，工作电流为2.5A，要求四微分。这就要求：所述驱动器6电流必须大于2.5A，电压大于27V，有至少四微分功能。为达要求，选用步进电机驱动器型号为DL-3F05M，该驱动可用于驱动常用的三相反应式步进电机，电机的输出转矩范围4～12N.m，位置和速度控制均比较理想，该驱动器6有16档细分数调节，最高128细分，同时具有16档输出电流调节，最大输出电流5A，满足电机的要求。当然，驱动器6还接有使其正常工作的+27伏电源。

图4是实施例中限位开关中断信号处理电路，限位开关既起到避免测杆8卡死的作用又能使步进电机5运行到最顶端时发送中断信号作为计数的起始点，在上升到顶端或下降到底端时，会按压开关使21、22号线或31、32号线导通。将开关的一端21、31号线通过上拉电阻接到+5伏电压，另一端22、32号线接地。平时开关断开，图中A点电平为高；测针到达底端或顶端时开关导通，A点变低。将A点电平接入单片机3.2，作为其中断信号。

如图5，探针7通过11号线与信号调理电路相连，并接一个上拉电阻R13，将数字地通过一根电缆与水体连接。触水之前，电路中LM393输入端点3处电压为+5伏，当探针7触水后，11号线与地导通，相当于图5中虚框中的开关闭合，电阻R14设为被测液体等效电阻，这时电阻R13与R14分压，端点3处电压变为5×R14/(R13+R14)，无论被测水体等效电阻多大，此时端点3的电压一定比触水前低。利用比较器原理，将端口3电压输入比较器正输入，能将比较器的负输入比较电压通过调节电位器RA1，设定在+5～5×R14/(R13+R14)之间。触水前，由于比较器的正端输入为+5伏，负端输入小于正端，输出为高电平；触水时由于正端电压为5×R14/(R13+R14)，比负端小，输出为低电平。将比较器的输出INT3送给单片机3.2系统，即可作为触水中断。

探针式水位传感器4.2的工作原理是：步进电机5在脉冲信号控制下运行，脉冲数据直接反映了电机的转动角度，从而转换计算得到探针7的位移距离。程序中设计了一个用来累计脉冲数据的计数器，当脉冲信号使探针7上升一步，计数器减1，下降一步计数器加1，计数值即表示了探针7针尖的位置。具体测量过程为：在启动时将传感器测杆8上拉至最高点进行复位即导通触顶开关9，当单片机3.2接收到触顶中断后，步进电机5反向，探针7下移开始探测，同时启动计数器对电机脉冲增加计数，当接触液面单片机3.2收到中断后，记录此时计数器数值N，同时将电机反向，计数器改为对脉冲数减，完成一次测量。

根据步数N与测针移动距离ΔH之间的对应关系求得：ΔH＝κN……(1)

其中，k为液位传感器系数，步进电机5步距角为θ，拉线齿轮10半径为k，忽略拉线盘中拉线槽与齿轮槽的误差，则：

H = H_{0} - 2 πr \frac{θ}{360} = \frac{πrθ}{180}

k = 2 πr \frac{θ}{360} = \frac{πrθ}{180} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (2)

假设参考高度为H₀，则实测高度为：

H = H_{0} - ΔH = H_{0} - \frac{πrθ}{180} N \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (3),

由式(3)即可计算出液面实际高度。

图6是实现本实施例直流稳压电源电路图，包括了步进电机驱动电源和单片机系数电源电路图。三相反应式步进电机45BF005-II的正常工作的脉冲正电压为+27伏，那么电机驱动器SD-3F08M的输入即应为此电压。单片机电源3.3为系统中使用的各个芯片工作电压为+5V。由于驱动器SD-3F08M对输入电压的纹波要求不高，故可以直接利用滤波后的输出供给，但单片机系统的工作电压，因为主控器等一些芯片对电源的纹波要求较为苛刻，所以在滤波后，使用三端稳压芯片7805系列进行稳压。该稳压芯片，内部电路利用半导体集成技术将串联式稳压电路及过热保护电路集成在一小块硅片上制成，它只有输入、输出和接地三个引出端，外围电路简单，只需要在输入输出端加上滤波电容即可，方便可行。

图7是本实用新型实施例的串行通信接口电路。结合本设计具体的要求，采用RS-232标准接口。利用支持该标准的MAX232芯片2完成电平转换。MAX232芯片2是由兼容RS232标准的芯片，是双通道的线性驱动/接收器。它只需要单5V供电，使用方便。

Claims

1、多节点网络式水位测量装置，其特征在于，它包括：一组及以上水位测量节点和上位PC机；每组包括若干个水位测量节点，每个水位测量节点上连接有芯片，所述芯片通过总线型拓扑结构与上位PC机相连，PC机间通过计算机网络实现数据共享；

其中，每个水位测量节点包括：探针式水位传感器、信号调理电路、单片机和电源，探针式水位传感器、信号调理电路、单片机依次电连接，电源分别连接探针式水位传感器和单片机。

2、根据权利要求1所述的多节点网络式水位测量装置，其特征在于：所述探针式水位传感器包括有步进电机驱动器、步进电机、拉线齿轮、测杆、限位开关，步进电机驱动器与单片机电连接，步进电机驱动器与步进电机电连接，步进电机与拉线齿轮的外圈啮合，拉线齿轮次圈上缠绕钢丝拉线，钢丝拉线带动测杆上下运动，测杆底端连接有探针，测杆的顶端和底端设有限位开关，限位开关与单片机电连接。

3、根据权利要求1所述的多节点网络式水位测量装置，其特征在于：所述信号调理电路包括有比较器、调节电位器以及电阻，探针的一个输出端连接上拉电阻输入端，一个输出端连接比较器输入端，比较器一个输出端与调节电位器输入端相连，调节电位器输出端通过电阻连接到比较器的输出端，其输出端与单片机输入端相连。

4、根据权利要求1所述的多节点网络式水位测量装置，其特征在于：所述单片机连接有数字显示器。

5、根据权利要求4所述的多节点网络式水位测量装置，其特征在于：所述数字显示器包括有并行I/O扩展芯片8255A和若干个LED显示管。

6、根据权利要求1所述的多节点网络式水位测量装置，其特征在于：所述芯片为MAX232芯片。