【摘要】: 針對當(dāng)前液態(tài)施肥機在液肥的精確及定量控制等方面存在的不足，以單片機作為控制核心，采用投入式液位傳感器進行數(shù)據(jù)采集，將液位的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，再利用A / D 將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量;同時，通過單片機處理將電壓值換算成相應(yīng)的液位高度值及容量值并顯示，并用MatLab 分析試驗數(shù)據(jù)。結(jié)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(yīng)用于液態(tài)施肥機。
【引言】
液位包括液位信號器和連續(xù)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，用于液位的上、下限報警等;連續(xù)液位測量是對液位連續(xù)地進行測量，廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、定量施量、高爐沖渣水位測量、環(huán)境監(jiān)測等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(yīng)一些特殊環(huán)境，如高溫、高壓、強放射性及強腐蝕性等條件。液態(tài)肥因其生產(chǎn)費用低、肥效高、易吸收、節(jié)支增產(chǎn)效果顯著及施用過程中可以根據(jù)需要加入土壤所缺少的植物營養(yǎng)元素等優(yōu)勢迅速得到了廣泛應(yīng)用［2］。而變量施肥作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要部分，其技術(shù)基礎(chǔ)就是對液肥液位的精準(zhǔn)控制。目前市場上，液位控制系統(tǒng)大致可分為以下兩種[3]：
1)機械式控制系統(tǒng)。機械式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉;但這種控制裝置故障多、誤動作多，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。
2)交流調(diào)壓/ 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、A/D 變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機運算與給定量的比較，進行PID 運算，得出調(diào)節(jié)參量;經(jīng)由D/A 變換給調(diào)壓/變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，以達到控制水位的目的。
本文以液態(tài)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(shè)計硬件電路，畫出相應(yīng)的軟件流程圖進行測試。數(shù)據(jù)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(yīng)液肥這種特殊環(huán)境，其容量和液位高度的測量誤差也滿足實際要求。
1 系統(tǒng)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(xiàn)力－電轉(zhuǎn)換。傳感器的液位量程是0 ～ 1． 3m，且這段量程液位所對應(yīng)的深度約合壓力相比其他要小很多，因而稱其為“微壓式”。本系統(tǒng)是所選的正是微壓式傳感器，它將液位信號轉(zhuǎn)換為4 ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出。
若設(shè)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(dǎo)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(yīng)的液位高度。
1． 1 單片機選型
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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 系列單片機STC12C5412AD 為核心控制元件。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］，滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的要求，且掉電模式可由外部中斷喚醒，適用車載信息系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計方案圖如圖1 所示。
1． 2 投入式液位計選型
對液位的測量選用淮安市三暢儀表有限公司生產(chǎn)的SC-500系列。其基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，再將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)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(shù)參數(shù)如下:量程1． 3m，精度0． 5%Fs，電壓18 ～ 36VDC，輸出4 ～ 20mA。
其優(yōu)點包括:①能實時測量罐內(nèi)各點液位;②直流4 ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計
2． 1 電源電路設(shè)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 單片控制電路功能的MC34063 芯片，片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準(zhǔn)源，能輸出1． 5A 的開關(guān)電源，且是使用最少的外接元件構(gòu)成的升壓變換器、降壓變換器和電源反向器［5］。
本系統(tǒng)電源電路采用具有升壓轉(zhuǎn)換作用的MC34063 芯片，與電感L、二極管D3、三極管TIP122一起構(gòu)成電源電路。若TIP122 導(dǎo)通時，+ 12V 的輸入電壓經(jīng)采樣限流電阻R1、R2，流經(jīng)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，并由電容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(wěn)定在+ 24V，穩(wěn)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(shè)計
硬件部分的核心為STC12C5412AD，工作電壓由LM2576 從24V 轉(zhuǎn)變?yōu)?V 來提供。同時，用MCU 的3 個輸出引腳P1． 1、P1． 2、P1． 3 連接串并轉(zhuǎn)換芯片74HC595，就可實現(xiàn)對系統(tǒng)所有的顯示功能及顯示元件的控制。圖3 中的74HC595 芯片Q0 ～ Q7 共8 位輸出控制8 個發(fā)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(shù)碼管顯示的罐內(nèi)液體容積值來記錄相關(guān)液位數(shù)據(jù)。其檢測電路原理圖如圖3 所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件是利用51 系列單片機集成開發(fā)工具來進行C 語言設(shè)計，采用模塊化設(shè)計方式，由系統(tǒng)與監(jiān)控程序一起管理執(zhí)行。系統(tǒng)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，系統(tǒng)主程序包括A/D 轉(zhuǎn)換子程序及顯示子程序。系統(tǒng)初始化后進入主循環(huán)，定時中斷處理程序是對74HC595 的輸出進行控制。系統(tǒng)主程序流程如圖4 所示。
4 數(shù)據(jù)測試及分析
4． 1 測試條件
為驗證本設(shè)計的可行性，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例，再將靜壓轉(zhuǎn)換為電壓的試驗原理，搭建實際的電路。用現(xiàn)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，算出修正系數(shù)，再寫入單片機中進行校正。
首先將液位計正確安裝于儲液罐底部，接通電源后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(yù)先暫定的水容量處關(guān)閉電源。此時，用萬用表讀取液位計處理后的電壓值、記錄表示高度顯示的LED 的燈/閃數(shù)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(jié)果如表1 所示。
4． 2 數(shù)據(jù)分析
觀察表1 的數(shù)據(jù)之間存在某種線性關(guān)系，用Mat-Lab 對表1 的壓力與容量及液位高度數(shù)據(jù)進行一次曲線擬合，如圖6 所示。
根據(jù)圖6 的擬合曲線，可得到對應(yīng)的回歸方程為
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(guān)性，且從表1 中也可以看出LED 燈的亮、閃數(shù)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(jù)LED 燈來判斷其液位高度，用數(shù)碼管來顯示其容量。分析對比表2 的數(shù)據(jù)可知:液位高度誤差在允許范圍之內(nèi)，擬合容量的負數(shù)除了與傳感器的安裝位置及儲液罐的形狀有關(guān)以外，和換算容量的基點(零點)也相關(guān)。因此，可以重新選一個容量和高度基點來解決。
5 結(jié)論
以STC12C5412AD 單片機為核心的液肥檢測系統(tǒng)，可以動態(tài)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(jié)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(yōu)于其他如超聲波傳感器。試驗數(shù)據(jù)分析表明:該微壓傳感器性能指標(biāo)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(chǔ)，對其它的液位測量也具有較好的借鑒作用。
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