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基于压力传感器高精度液位测量及控制器设计 　　摘要：利用高精度压力传感器、高精度放大器集成电路、单片机及附属键盘显示电路等，设计液位测量及控制系统，使液位测量和控制达到毫米级。所设计系统具智能化液位显示和控制功能，有4位数码显示、液位设定按键、标定按键，所测定的数据在不掉电存储器EEPROM中保存。 　　关键词：高精度压力传感器 高精度放大器 液位测量 液位控制 　　中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0014-02 　　1 引言 　　液位的测量和控制在工农业生产和社会生活中有广泛应用，迄今为止，在各行各业的应用中，对液位的测量和控制采用的方法比较多，也相应的不断有实际产品问世。液位测量的方法可以大体上归纳如下[1]：电子类液位测量法、浮子法、人工检尺法、超声波法、光纤传感器法。这几种方法，各自针对不同的实际问题有不同的测量特点。 　　本设计采用的方法属于电子类液位测量法，将高精度压力传感器放在待测液位容器底部，当液位高度变化时，容器底部液体压力会发生变化，因此压力传感器输出的电信号也会发生变化，通过电子线路处理传感器输出的电信号，再经过数字化及计算机处理，可以得到液位变化的数字，经过精确标定可以得到液位及其变化的准确数字。 　　2 设计方案 　　2.1 设计方案要求 　　（1）要求4位数码显示器能显示实时的液位高度；（2）要求设置2个按键，通过按键能够设定和修改目标液位值，在实际液位偏离目标液位时，系统能够启动加液或减液装置，目标液位值保存在系统中，关机后重新开机时，值不变；（3）系统具备标定功能，不同密度的液体标定后能够正常使用；（4）要求具备较高精度，液位测量和控制达到毫米级。 　　2.2 设计方案的确定 　　整体系统框图如图1。设计中为了对压力进行检测，就需要将压力传感器输出的模拟量进行测量。由于压力传感器输出的电压很微弱，不便于A/D进行模数转换，于是增加了一级放大电路以匹配A/D对输入模拟量的要求。在经过单片机处理后由继电器控制执行机构进行相关液位的控制。同时由显示部分实时显示压力值，并通过键盘由用户输入??调整相关参数。 　　设计中满足高精度和稳定性是第一位的。高精度对压力传感器、放大电路及A/D转换电路提出一定的精度要求，同时应尽量使用集成度高的元件以降低电路的复杂性，方便调试，更降低了电路的故障率。 　　系统中用了两块单片机CPU1和CPU2，其中CPU1为主控单片机，负责控制A/D采样，及控制继电器动作，以根据需要加液减液；CPU2专门负责键盘和显示，两个CPU之间通过串口进行数据通信。 　　3 系统设计 　　3.1 系统硬件设计 　　3.1.1 放大电路 　　目前大部分线路都是采用单电源供电，而且用户一般提供单电源，而大部分采用双电源是为了保证零位的读数。对于使用智能化设计，调零部分完全可以采用的是软件方法，零位可以有一段区间，只要在程序中加以处理就是。故运放采用单电源，既可以保证性能也可保证线路的简单。由于整个系统采用5V供电，为了保证电路之间的高低电压之间的匹配问题，所以运放也是最好采用5V供电模式，而由于传感器的共模一般在3.5V左右，所以要求放大集成电路具有高的共模范围。通过查阅资料和试验测试发现，美信公司生产的MAX4194仪表级运放完成可以满足上面的性能，且价格适中。故最终决定采用了MAX4194。图2是压力传感器与MAX4194连线图。 　　3.1.2 单片机A/D采样电路 　　为了提高测量精度，A/D采样电路使用集成电路CS5513，这是20位串行模/数转换芯片。它是一种低成本、易于使用、可用于直流测量的△一Σ模/数转换器，其内部包括一个4阶△一Σ调制器和一个滤波器。图3A/D电路与单片机接口电路原理图。 　　图3中电路中的单片机STC10F08XE的三个口线P3.2、P3.3、P3.4分别与CS5513的数据出、读数时钟入及片选线相连。CS5513工作于单电源方式，参考电压VREF和正电源V+与+5V连接，负电源V一和模拟输入端AIN一与模拟地连接。可计算出差分输入范围大约为±3.9V，转换器的参考电压为+5V。利用上述两个结果即可算出模拟输入的有效范围为一1.1～+3.9V，这与实际测量的结果基本一致。由于压差传感器存在一定的零点漂移而可能出现往负电压漂移的情况.所以一1.1～+3.9V的模拟输入有效范围对实际应用非常有利。 　　3.1.3 单片机与EEPROM接口电路 　　X5645是一种64K位 SPI接口 EEPROM的CPU监控器。X5645集成了四个常用的功能，上电复位控制，看门狗定时器，电源电压监督和块锁保护的串行EEPROM。X5645的存储器部分是一个CMOS串行Xicor公