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    投入式液位計在液肥液位檢測中的應用

    作時間:2015-08-01  來源:  作者:
       

     【摘要】: 針對當前液態施肥機在液肥的精確及定量控製等方麵存在的不足,以單片機作為控製核心,采用投入式液位傳感器進行數據采集,將液位的變化轉換成電壓變化,再利用A / D 將模擬量轉化成數字量;同時,通過單片機處理將電壓值換算成相應的液位高度值及容量值並顯示,並用MatLab 分析試驗數據。結果表明: 液位高度值各容量值測量誤差均滿足實際要求,可應用於液態施肥機。


    【引言】
        液位包括液位信號器和連續液位測量兩種。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量,用於液位的上、下限報警等;連續液位測量是對液位連續地進行測量,廣泛應用於農田灌溉、定量施量、高爐衝渣水位測量、環境監測等農業生產領域,具有非常重要的意義[1]。目前,對液位測量的精度要求不僅愈來愈高,且需要測量儀能夠適應一些特殊環境,如高溫、高壓、強放射性及強腐蝕性等條件。液態肥因其生產費用低、肥效高、易吸收、節支增產效果顯著及施用過程中可以根據需要加入土壤所缺少的植物營養元素等優勢迅速得到了廣泛應用[2]。而變量施肥作為精準農業的重要部分,其技術基礎就是對液肥液位的精準控製。目前市場上,液位控製係統大致可分為以下兩種[3]:

    1)機械式控製係統。機械式控製係統結構簡單、成本低廉;但這種控製裝置故障多、誤動作多,且隻能單獨控製,與計算機進行通信較難實現。

    2)交流調壓/ 變頻調速控製係統。該係統是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器,把出口壓力變成標準工業電信號的模擬信號,經過前置放大、多路切換、A/D 變換成數字信號傳送到單片機,經單片機運算與給定量的比較,進行PID 運算,得出調節參量;經由D/A 變換給調壓/變頻調速裝置輸入給定端,控製其輸出電壓變化,來調節電機的轉速,以達到控製水位的目的。
        本文以液態施肥機為依托,針對一定體積的液肥進行液位試驗,通過以單片機和投入式液位計為主要硬件資源設計硬件電路,畫出相應的軟件流程圖進行測試。數據分析驗證表明:該傳感器在液肥液位測量中安裝維護方便,能適應液肥這種特殊環境,其容量和液位高度的測量誤差也滿足實際要求。

    1 係統工作原理及組成
        微壓式液位計采用的是壓力敏感元件實現力-電轉換。傳感器的液位量程是0 ~ 1. 3m,且這段量程液位所對應的深度約合壓力相比其他要小很多,因而稱其為“微壓式”。本係統是所選的正是微壓式傳感器,它將液位信號轉換為4 ~ 20mA 標準電信號輸出。
        若設所測液體密度為ρ ,液位高度為h ,大氣壓為ρ0,重力加速度為g ,則液體所受壓力p = ρgh + ρ0 。這時,為抵消大氣壓力變化所帶來的測量誤差,傳感器變送器部分采用導氣電纜將大氣壓力ρ0引入敏感元件的負壓腔,進而使p = ρgh 。顯然,若已知液體密度,通過測取壓力p 就可換算出相應的液位高度。

    1. 1 單片機選型
        該係統結構相對簡單、運行速度快,考慮到功能和成本兼顧,采用以擴展性51 係列單片機STC12C5412AD 為核心控製元件。該芯片具有12kB用戶可自行安排的FLASH 及FEPROM 空間比例;在同樣的工作頻率下,平均指令運算速度是普通8051的8 ~ 12 倍[4],滿足係統對數據處理的要求,且掉電模式可由外部中斷喚醒,適用車載信息係統。係統設計方案圖如圖1 所示。
    係統設計方案圖

    1. 2 投入式液位計選型
        對液位的測量選用淮安市ag亚游集团有限公司生產的SC-500係列。其基於所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理,再將靜壓轉換為電信號,實現非電量到電量的變換,利用這一特性來完成對液位的測量。主要技術參數如下:量程1. 3m,精度0. 5%Fs,電壓18 ~ 36VDC,輸出4 ~ 20mA。
        其優點包括:①能實時測量罐內各點液位;②直流4 ~ 20mA 標準電流信號輸出;③密封性好,測量元件不與液肥直接接觸,避免了液肥對元件的腐蝕。

    2 硬件電路設計
    2. 1 電源電路設計

        電源電路圖如圖2 所示。圖2 中,為了保證液位傳感器能獲得24V 的直流供電,選用具有DC - DC 單片控製電路功能的MC34063 芯片,片內包含有溫度補償帶隙基準源,能輸出1. 5A 的開關電源,且是使用最少的外接元件構成的升壓變換器、降壓變換器和電源反向器[5]。
    電源電路圖

        本係統電源電路采用具有升壓轉換作用的MC34063 芯片,與電感L、二極管D3、三極管TIP122一起構成電源電路。若TIP122 導通時,+ 12V 的輸入電壓經采樣限流電阻R1、R2,流經電感L,隨著電感L電流增加,其兩端進行儲存能量。此時,二極管D3是
    防止電容C3對地放電,並由電容C3向負載供電;若TIP122 斷開時,電感L 及12V 的輸入電壓對電容C3充電的同時電容C3對負載供電,負載電壓穩定在+ 24V,穩壓的負反饋信號是電阻R7、R8的分壓輸入到MC36063 的5 腳。


    2. 2 檢測電路設計
        硬件部分的核心為STC12C5412AD,工作電壓由LM2576 從24V 轉變為5V 來提供。同時,用MCU 的3 個輸出引腳P1. 1、P1. 2、P1. 3 連接串並轉換芯片74HC595,就可實現對係統所有的顯示功能及顯示元件的控製。圖3 中的74HC595 芯片Q0 ~ Q7 共8 位輸出控製8 個發光二極管,每個二極管分為閃、亮2段,共16 段,通過燈的閃亮和4 個數碼管顯示的罐內液體容積值來記錄相關液位數據。其檢測電路原理圖如圖3 所示。
    檢測電路原理圖

    3 係統軟件設計
        係統軟件是利用51 係列單片機集成開發工具來進行C 語言設計,采用模塊化設計方式,由係統與監控程序一起管理執行。係統軟件主要由主程序、初始化程序、定時中斷處理程序組成。其中,係統主程序包括A/D 轉換子程序及顯示子程序。係統初始化後進入主循環,定時中斷處理程序是對74HC595 的輸出進行控製。係統主程序流程如圖4 所示。

    係統主程序流程圖
    4 數據測試及分析
    4. 1 測試條件
        為驗證本設計的可行性,基於所測液體靜壓與該液體的高度成比例,再將靜壓轉換為電壓的試驗原理,搭建實際的電路。用現有的播種機儲液罐作為容器可容納近1 000L 的液體。其實際測量高度如圖5所示。因液肥與水密度相近,所以用水作為測試對象,在正式用液肥時驗證誤差,算出修正係數,再寫入單片機中進行校正。

    儲液罐示意圖

        首先將液位計正確安裝於儲液罐底部,接通電源後利用串有流量計的電泵開始注水,注意觀察液位的變化,待快到預先暫定的水容量處關閉電源。此時,用萬用表讀取液位計處理後的電壓值、記錄表示高度顯示的LED 的燈/閃數及流量計顯示的實際注水容量,再用米尺丈量水的實際液位高度。試驗結果如表1 所示。

    隨機容量處測試結果
    隨機容量處測試結果的續表

    4. 2 數據分析
        觀察表1 的數據之間存在某種線性關係,用Mat-Lab 對表1 的壓力與容量及液位高度數據進行一次曲線擬合,如圖6 所示。

    電壓與容量及液位實際高度擬合圖

    根據圖6 的擬合曲線,可得到對應的回歸方程為
    QQ截圖20150801105108.jpg

    其中,x 代表電壓; y1為容量; y2為液位高度。

         由此可見:電壓與容量及液位高度之間確實存在良好的線性相關性,且從表1 中也可以看出LED 燈的亮、閃數隨液位高度而變化。因此,一旦配比好定量的液肥,在變量施肥機工作時,可以根據LED 燈來判斷其液位高度,用數碼管來顯示其容量。分析對比表2 的數據可知:液位高度誤差在允許範圍之內,擬合容量的負數除了與傳感器的安裝位置及儲液罐的形狀有關以外,和換算容量的基點(零點)也相關。因此,可以重新選一個容量和高度基點來解決。

    測量與擬合數據對比表

    5 結論
         以STC12C5412AD 單片機為核心的液肥檢測係統,可以動態地顯示液位及容量的變化,實用性較強,且成本低廉。在隨機的測量試驗中,節省了人力及物力,同時也提高了檢測的效率。該投入式液位計體積小巧、使用方便、維護成本不高,優於其他如超聲波傳感器。試驗數據分析表明:該微壓傳感器性能指標能滿足較高精度要求的測量,為液肥播種機的進一步智能化奠定了一定的實踐基礎,對其它的液位測量也具有較好的借鑒作用。

    參考文獻:
    [1] 安宗權,冷護基,林宗良. 儲罐液位檢測技術的現狀與展望[J]. 蕪湖職業技術學院報,2005,7(4):9 - 10.
    [2] 郞春玲,王金武,王金峰,等. 深施型液態變量施肥控製係統[J]. 農業機械學報,2013,44(2):43 - 47.
    [3] 陳霞,白小軍. 基於單片機的液位監控係統[J]. 武漢理工大學報:信息與管理工程版,2007,29(3):38 - 41.
    [4] 史小楠. STC12C5410 /12C2052 係列單片機簡介[J]. 實用電子製作,2007(1):24 - 25.
    [5] 郭忠銀,高飛燕. 基於MC34063 的開關電源設計[J]. 工業控製計算機,2001,23(2):100 - 101.

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