基于单片机的气电式液位遥测装置的设计

秦珩，陈生春

（ 海军大连舰艇学院， 辽宁大连116018）

0 引言

在船舶航行过程中，对液位的测量非常重要。这些液位包括淡水舱液位、燃油舱液位和压载水舱液位等。目前，国内外对液位的测量普遍采用压力式液位计和微波式液位计两种方式。

其中，压力式液位计是将压力传感器设置于液体最底部，这种压力传感器浸入液体后，测量出液体的压力，从而计算出液体的液位。压力式液位计成本较低，价格比较便宜，应用广泛。

微波式液位计是一种与液体不接触的测量方式。它通常在液面上方，安装微波探头，由微波（含超声波）发射和微波接收两部分组成。微波发射部分将微波投射到液体表面，微波接收部分采集反射回来的微波，通过测量发射和反射的时间，计算出液位。微波式液位计具有精度高和使用方便的特点，但是价格比较昂贵。

压力式测量和微波式测量在液体中均装有带电的传感器，这对于可燃液体测量存在一定得安全隐患。

与压力式液位计和微波式液位计不同，海军大连舰艇学院研发的气电式液位遥测装置的设计十分巧妙，与液体无任何电信号接触，只有一根测量气管与液体接触。采用气动元件作为输入激励部件，高精度压力变送器作为测量部件，具有安全可靠、测量准确、抗干扰强等特点，特别适合可燃液体液位的测量。

1 系统设计

气电式液位遥测装置主要由气路和电路两大部分组成，电路部分起控制和显示作用，气路部分起输入气压与液位压力平衡的作用。

1.1 基本原理

气电式液位遥测装置由气源、换向阀、恒压调节模块（恒流器）、气压测量模块、显示模块组成。气源采用船上的气源，经减压阀至1 Mpa，提供给气电式液位遥测装置使用。基本测量原理见下图。

从流体静力学的基本原理可知，对于理论上不可压缩液体液柱静压力P值等于液体密度（r）与液柱高度H乘积，即：P=Hr。

气电式液位遥测装置就是利用这个基本原理，通过恒流器的自动调节气阻值的功能，测出液舱底部测量管内与静液压平衡的空气压力，然后除以该液舱介质密度，就获得液舱介质液位高度（即H=P/r）。在系统中通过气电转换器即压力传感器，将气压信号转化为电信号，进行逻辑判别和运算，在显示仪上显示出液位和液体重量。其中液体重量是按设计资料中的舱容积表为根据，经计算处理后在数字显示仪上显示。

气压调节模块（恒流器）是一种特殊的调压阀，它可以自动的将气压调节到和液压一致。它有一段气体管道插入液舱底部，工作时，它首先吹气，然后气路被切断，气体管道一端被堵住。使气压和液压处于一种平衡状态，气体不会从管道口溢出，管道内的液体液面也不会上升，管道内的气体压强等于测量气管道口深度相等的液体压强。如图1所示，气源气体进入恒流器输入端，恒流器能自动调节一定的流量经输出端输出，并始终保持液舱测量管底部的气压与液舱底部的液压相等，测量管的另一端接压力传感器，压力传感器测出的气压值就等于该液舱底部的液体压力值。有了这个压力值，便可计算出液舱的液位高度和液舱液体的体积和重量。

1.2 电路系统框图

气电式液位遥测装置电路测量部分由单片机作为主控制芯片，外围电路分为气路切换模块、调压控制模块、气压测量模块、电源模块、显示模块、设置输入模块等组成。系统构成如图2所示。

气电式液位遥测装置由操作面板和主控制电路两部分组成。操作面板上分布 12个发光二极管、4个数码管、1个光柱和2个按键，发光二极管用于指示该装置的工作状态，按键用于控制装置的相关动作，操作面板如图3所示。

1.3 主要模块介绍

1.3.1 CPU模块

STC12C5A60S2是单时钟（机器周期为1 T）的新一代8051单片机，具有高速低功耗抗干扰能力强的特点。指令代码完全兼容 MCS-51，但速度比传统的8051单片机快8～12倍。内部集成两路PWM，8路高速10位A/D转换（250 k/s，即25万次/秒）。工作电压5.5 ～3.5 V，宽电压设计，针对电机控制，强干扰场合，有很强的抗干扰能力。内部集成60 k byte Flash程序存储器，1280 byte RAM，2 k byte EEPROM，可以作为掉电保持寄存器使用；两个UART串口，有独立的波特率发生器；有36个通用IO口，复位后可以设置为四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。

1.3.2 电源模块

控制电路部分将用到3种电压：DC 24 V，DC 12 V，DC 5 V。其中，DC 24 V直接使用船上的DC 24V电源，而DC 12 V和DC 5 V则由船上的DC 24 V电源通过DC-DC模块转换得来。

1.3.3 显示和按键输入模块

显示和按键输入模块负责该装置的人机交互，需要显示的内容有：当前测量的部位，液体容量，报警信息和工作状态等。这部分工作主要由HD7279(A)来完成。

HD7279(A)是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片[1]，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵。

HD7279(A)与单片机通过4根信号线相连，单片机对HD7279(A)完成显示设置后，HD7279(A)可以执行各种复杂的显示功能，而不需要单片机干预。操作面板上既有数码管，又有光柱和发光二级管，显示时需要不同的显示模式，采用HD7279(A)的段位独立控制译码功能，一片IC就可以轻松解决问题。

HD7279(A)处理按键也很出色，有一根单独的信号线 KEY连接单片机，当有按键按下时，KEY出现一个向下的突跳脉冲，触发单片机的中断，可以快速响应按键处理程序。

1.3.4 气路切换模块

气路切换是通过多个单电控直动式电磁阀完成的。气路切换的目的是将气源通向需要测量的液体容器内，所以，工作时，每次只能有一个电磁阀处于导通状态。控制电磁阀的线圈通断电就可以控制气路的通道。电路上，单片机的一个IO口通过三极管驱动一个继电器，然后将一个继电器串接在DC 24 V与电磁线圈之间[2]。这样单片机通过驱动继电器控制气路的切换。

1.3.5 气压测量模块

气压测量模块由气压测量元件 MPM281和相关测量电路组成，MPM281安装在调节模块后面的管道上，可以将气体压力转换为电压信号提供给测量电路。

MPM281系列压阻式OEM产品是一种带隔离、并经过精密补偿的高稳定性硅压阻式压力测量元件[3]。其中硅压阻式敏感元件采用具有专利技术的高稳定性扩散硅元件，外壳采用外径Ф19 mm的316L全不锈钢结构进行封装。被测压力经过 316L隔离膜片和内部介质传递到硅压阻式敏感元件上，实现了压力到电信号的精确转换。

MPM281具有以下特点，非常适合应用在该场合。

1）长期稳定性可达 0.1% FS/年；

2）宽温度补偿范围 -10℃～+80℃；

3）宽压力测量范围 0～35 kPa…70 Mpa；

4）非线性典型值可达 0.1% FS。

MPM 281内部等效电路如图5所示，应用该器件时，IN+和IN-接入5 mA的恒流源，OUT+和OUT-接ADC电路。外部施加压力与OUT+和OUT-输出电压信号成比例变化。

2 系统软件设计

该系统程序设计主要有压力信号测量，数据显示等内容。软件开发平台使用 KEIL C51 IDE集成开发环境，运用C语言进行程序设计。单片机软件主流程如图6所示。压力测量子程序流程如图7所示。

3 结论

经过一年多的运行试验，HXG-IS型气电式液位遥测装置经受住船上恶劣环境的考验，工作可靠，运行稳定，表明该装置完全可以满足船舶液舱遥测的要求，特别适用可燃液体液位的测量。

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[1]房鹰，郭青. HD7279在单片机模拟心电发生器中的应用. 医疗卫生装备，2004，（2）：20-21.

[2]谢宜仁. 单片机实用技术问答. 人民邮电出版社，2003: 275-277.

[3]赵海涛，程杰. 水仓水位自动检测报警系统的设计.煤矿安全, 2008, (10):72-74.