引言
為了用較低的成本完成大量程液位的長(zhǎng)期可靠測(cè)量，筆者利用MSP430單片機(jī)的低功耗特性結(jié)合光電液位的絕對(duì)位置測(cè)量功能設(shè)計(jì)了一種新型液位計(jì)—磁光液位計(jì)，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下。
1 機(jī)械工作原理
本液位計(jì)同普通光電液位計(jì)一樣有一個(gè)光電碼盤(pán)(如圖1所示)，碼盤(pán)白色部分反射光線，而黑色部分吸收光線，圖2所示的光耦和圖1所示的碼盤(pán)間距約2mm，并采用圓心安裝。光耦隨電路板固定在液位計(jì)外殼上，液位變化時(shí)浮子牽引水位輪轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在同一軸上的碼盤(pán)也隨水位輪作圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤(pán)就會(huì)吸收或反射來(lái)自光耦的光線，從而使8位光耦根據(jù)碼盤(pán)和光耦的相對(duì)位置輸出8位格雷碼編碼，傳統(tǒng)的光電液位計(jì)用一個(gè)減速齒輪帶動(dòng)另一個(gè)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)從而獲得高位編碼，而本液位計(jì)摒棄了所有的齒輪減速機(jī)構(gòu)，用安裝角度為120°的三只干簧管來(lái)計(jì)算碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據(jù)這一次序就可以判斷液位是以液位上升的方向增加圈數(shù)還是以液位下降的方向減少圈數(shù)。這樣一來(lái)單圈的絕對(duì)位置可以通過(guò)碼盤(pán)的編碼得到，而旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以由干簧管的吸合次序得到，綜合起來(lái)就可以得到液位高程，從而完成液位的測(cè)量。
2 MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介
MSP430系列是TI公司的超低功耗單片機(jī)，它有多種低功耗模式，在LPM4模式時(shí)的典型工作電流僅為0.1μA，并能在6μs內(nèi)響應(yīng)外部中斷；另外它還有特別寬的工作電壓范圍：1.8～3.6V，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)：常溫下即便電源電壓為1.2V，該器件仍能全速正常工作。MSP430F133的性能特征見(jiàn)表1。
表1 MSP430F133的性能特征
設(shè)計(jì)時(shí)選用一只1F的電容來(lái)儲(chǔ)存電能，假設(shè)加上12V電源后電路充電電流為100mA，充電時(shí)間為2s，則按0.5μA(實(shí)際放電電流不大于此數(shù)據(jù)值)放電可持續(xù)110小時(shí)。因此只要液位測(cè)量間隔不大于110小時(shí)就能保證單片機(jī)在掉電期間正常工作。在本電路中MSP430平時(shí)以內(nèi)部RC振蕩器作為主時(shí)鐘，以鐘表晶體振蕩器(32768Hz)作為通信時(shí)鐘，最高通信速率可達(dá)9600bps，低功耗LPM4時(shí)關(guān)閉所有時(shí)鐘源。
3 電路工作原理
圖3所示是本液位計(jì)電路的工作原理圖，當(dāng)測(cè)量當(dāng)前液位時(shí)，首先由上位控制器給電路加12V電源，此時(shí)繼電器JD1吸合，一方面由R28、U3組成的穩(wěn)壓電路給電容C46進(jìn)行恒流限壓充電，以補(bǔ)充斷電后單片機(jī)工作所需電能，另一方面將Wake信號(hào)由“0”切換到“1”，喚醒單片機(jī)進(jìn)入全速正常工作狀態(tài)，通過(guò)測(cè)量8只光電耦合器電平可得到碼盤(pán)在一個(gè)圓周內(nèi)的具體位置編碼(8bit格雷碼)，再加上正(反)向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以計(jì)算出實(shí)際液位，也可換算成格雷碼輸出以兼容其它浮子式液位計(jì)，同時(shí)還通過(guò)485總線按要求的協(xié)議輸出液位以滿足自動(dòng)測(cè)量的要求。6位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源由單片機(jī)的口線來(lái)提供，目的也是便于在掉電時(shí)關(guān)閉液晶顯示器的電源。
一旦外部+12V電源撤去，Wake信號(hào)將消失，單片機(jī)立即將口線切換到合適的電平，并進(jìn)入低功耗狀態(tài)LPM4，此時(shí)CPU的功耗只有0.1μA，碼盤(pán)上的磁鐵隨碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)到三只干簧管附近時(shí)，干簧管吸合并立即引起單片機(jī)引腳電平的變化，MSP430單片機(jī)能在6μs的時(shí)間內(nèi)在低功耗狀態(tài)響應(yīng)這一變化，記錄下變化過(guò)程后又立即回到低功耗狀態(tài)以最大限度地節(jié)省電能。研究中發(fā)現(xiàn)，干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開(kāi)狀態(tài)有一個(gè)遲滯過(guò)程，正好可以防止液位在某一點(diǎn)輕微波動(dòng)時(shí)使干簧管頻繁動(dòng)作，從而避免單片機(jī)退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管以120°的間隔均勻地分布在同一圓周上，允許液位計(jì)以盡可能大的角速度旋轉(zhuǎn)。假定MSP430F133響應(yīng)并處理一個(gè)外圍中斷的時(shí)間(與中斷程序復(fù)雜程度和時(shí)鐘速度有關(guān))為200μs，則CPU能夠響應(yīng)的最大角速度為120°/200μs。在筆者的一個(gè)制作實(shí)例中電路(含干簧管部分)經(jīng)過(guò)了120圈/秒的測(cè)試。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收3.0V/20M=0.15μA電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機(jī)待機(jī)電流最小0.1μA，最大0.25μA，若電容充滿電可保證單片機(jī)在掉電后仍能正常工作一個(gè)月以上。
由于舍棄了機(jī)械減速裝置，液位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)只需克服兩只固定軸承的阻力，因此，大大加強(qiáng)了機(jī)械靈活性和可靠性。當(dāng)傳動(dòng)輪周長(zhǎng)為256mm時(shí)，液位計(jì)的分辨率為1mm，能滿足大部分測(cè)量要求。圖3中采用16位格雷碼輸出，量程可達(dá)65.535m，若用軟件將液位分辨率設(shè)置為1cm，則輸出量程可達(dá)655.35m，實(shí)際上只要引出線足夠多，量程并沒(méi)有限制，可根據(jù)要求做成任意量程的液位計(jì)。圖3的電路圖只是原理示意圖，實(shí)際應(yīng)用中還要考慮抗干擾、野外使用的防雷處理等。
液位計(jì)的軟件設(shè)計(jì)也非常簡(jiǎn)單，限于篇幅不多贅述，只需注意的是：在進(jìn)入LPM4前將口線置成合適的電平，如格雷碼輸出置成低電平、485接口芯片U10置成低功耗狀態(tài)、液晶口線和電源置成低電平，以便使口線不消耗電流，從而使整機(jī)的低功耗得到保證。
4 結(jié)束語(yǔ)
在野外水位自動(dòng)測(cè)量中，為了降低功耗，傳感器采用間歇上電方式，由于傳感器輸出應(yīng)為絕對(duì)量編碼，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用很多齒輪變換和凸輪進(jìn)位，這樣做帶來(lái)了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并降低了傳感器的穩(wěn)定可靠性。
WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)為國(guó)內(nèi)第一只分辨率為毫米的浮子式水位編碼器。水位信息自動(dòng)采集系統(tǒng)中通常使用兩個(gè)字節(jié)表示水位信息，最大可表示65535mm。而對(duì)浮子式磁光液位計(jì)而言，其量程很大，可滿足所有液位測(cè)量要求。
利用本文所述原理和方法研制出的WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)具有相對(duì)量軸角編碼器的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價(jià)格低廉、使用方便等，利用MSP430F133單片機(jī)的低功耗特點(diǎn)，使WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)能滿足絕對(duì)量編碼輸出的要求。
激光水位計(jì)和超聲波水位計(jì)的分辨率為毫米，但其誤差為相對(duì)誤差，量程稍大時(shí)，水位測(cè)量的絕對(duì)誤差甚至可能會(huì)超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)(±2cm)。浮子水位計(jì)原理簡(jiǎn)單、誤差來(lái)源少，為水利部門(mén)常用水位測(cè)量?jī)x器，但當(dāng)前只有厘米級(jí)分辨率的浮子水位計(jì)，用于集水面積較大的水庫(kù)水位觀測(cè)時(shí)，使水庫(kù)流量計(jì)算過(guò)程產(chǎn)生鋸齒狀變化。
經(jīng)過(guò)兩年實(shí)踐證明，WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計(jì)不僅降低了浮子式液位計(jì)的成本，還大大提高了水位觀測(cè)精度和儀器可靠性。