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一种采用msp单片机的导波雷达液位计完整设计系统
发布日期:2018/9/5 17:05:12
导波雷达液位计是一种利用电磁波的传播来实现液位测量的仪表,是基于时域反射原理,采用接触式的测量方法发射脉冲信号来实现液位测量的。
导波雷达液位计概述
导波式雷达液位计是把一根或两根导波杆从罐顶伸入、杆末端与罐底有一定距离,通过导波杆发射和接收信号。它也采用发射脉冲信号来进行测量,其回波信号的幅值大小主要取决于被测液体的介电常数,由于采用了导波杆结构作为传输的介质,信号损耗小、能量比较集中,从而回波信号质量更好。它还具有方向性好,穿透性好的优点。
系统总体设计
根据系统要求,本设计采用脉冲时域展宽电路进行信号处理,如图1所示,在收发电路的哽件电路上增加脉冲时域展宽电路,主要是实现回波信号在时间轴上把信号放大K倍。放大后的信号变换成毫秒级信号、就可以使用比较器比较出来,再用单片机进行信号的捕获。
系统采用分块化的设计方法,分别把各部分具体化实现,达成一个效率高的系统。

导波雷达液位计结构组成如图2所示,包括:电源电路、LCD显示电路、键盘电路、电源监控电路、外存储器电路、单片机及外围电路、信号测量电路、信号变换电路、脉冲收发电路、信号调制电通讯模块电路和机械部分。
导波雷达液位计工作过程
根据不同的测量环境,导波雷达液位计在工作之前,通过键盘设定些测量需要的参数,以便能准确地测量出不同使用条件的液位系统的工作过程是:首先由单片机产生一个460kH的周期性信号和输出占空比为30%且周期同为100ms的PWM信号,同时定时器开始计数。这几个信号通过信号变换电路来产生模拟电压信号,送给前端高频部分进行窄脉冲生成和发送,在经过液位的发射以后,依据时域反射原理产生相应的回波,被同一发射板接收回来。回波信号经过脉冲时域展宽电路和低噪声放大处理。通过设定一定的同轴电缆长度,回波信号中的顶部回波可以被去掉,只剩下实际要处理的真实液位回波信号,这个液位回波信号将被送入信号调理模块处理。液位回波信号经过可变增益放大后,放大至固定峰值电压的信号,再送给比较器比较,比较出液位回波的时刻操作员可以通过单片机捕获导波雷达液位计测量的液位回波时刻。由此,计算出窄脉冲的传播距离及液位。依此不断循环,每秒计算10次均值液位量,得到一个稳定的显示效果。根据罐体的设定,可以得到罐体的高度进而得到罐体内介质的体积等
 
电源电路设计
根据导波雷达液位计使用工况的要求,系统使用+24V直流来供电,系统电源电路如图3所示。系统电源电路使用AD421芯片,AD421是一种可以产生4~20mA电流输出的DACS。导波雷达液位计使用它实现回路供电,还为整个系统和其他电路的芯片等提供工作电源和相应的参考电源。系统把AD421芯片的几个引脚的输出作为电源,使用它輸出+5V作为电源电压输出及产生+1.25V和+2.5V作为参考电压。图中AD421在J1接口处引入+24V直流电源,外围组成个电流回路,电流的大小由AD421几个控制端来控制。单片机通过三个I/O口来控制AD421的电流输出。图3的Q1为一个场效应管。图中第8脚LOOP和T1组成了电流环回路,从中能检测出输出的电流值同时,单片机稳定工作还需+1.8V到+3.6V的电源电压,所以要把上述得到的+SV电源转换到这个范围内(通常为+3.3V)。本文采用HT7133芯片进行电源转换。HT7133是一种功耗很低的输出电压为3.3V的电压调节器,它只有3个端口,在其输人端之前采用二极管进行过流保
 
信号变换电路设计
导波雷达液位计的单片机发出的控制信号必须通过信号变换变成相应的模拟信号,才能进行信号调制、功率放大以及收发电路再送至机械部分的同轴导波杆上传输。根据要求,系统由计数器电路和DAC电路依次组成信号变换电路
计数器电路设计
计数器部分的作用是把单片机输出的串行数据分频变成12位并行数据。信号变换的计数器电路如图4所示。所选芯片是74HC4040M,它是一种12位的二进制纹波计数器。作为时钟的输入端口,MR则是它的实现异步主复位功能的输入端口和Q0-Q1l为计数器的12个并行的输出端口。在此选用了两个计数器,第一个计数器是把PWwM0信号(460k信号)进行8分频,第二个计数器再对8分频后的信号依次进行2分频后再分12位进行输对于图中的每一路输出,如果MR是低电平,则每逢qP处于下降沿,相应的输出引脚就产生一个高电平信号,这样Q0-Q1的输出就进行了计数;而当MR处于高电平时,不管@是什么值,所有计数输出都为低电平。12路计数输出的频率是P依次2分频得来的图中的74HC4040M的输入信号
PWM0和PWM1信号是单片机产生的周期性脉宽调制信号,分别为460k信号和周期100ms占空比30%的信号第一个计数器首先把PWM0信号进行8分频产生一个输出送到第2个计数器作为,再把这个分频后的信号再进行分频计数,进而得到12路并行的周期性计数信号(A0~A11),再送给12位DAC转换为模拟信号。将PWM1作为第2个计数器的MR,可以来控制各路只有在高电平的30ms内有输出,得到的信号送至DAC进行转换

DAC电路设计
DAC电路将计数器电路生成的12路并行计数信号进行转换,并产生对应的模拟电压信号。DAC电路如图5DAC选用一种速度很快的12位D/A芯片AD7945aAD7945使用+V单电源供电,其功耗可以小至5μwAD7945的输入是计数器产生的12路并行信号,可以从0计数到2048。第1个引脚IOUT1产生的是转换后对应的电流输出,需再经过一个运算放大器以后,才变成对应的模拟电压信导波雷达液位计受介电常数和杆长等影响,信号在导波杆上的衰减程度不同,因此需对信号幅值大小进行调节。为了使输出信号的幅值足够其在杆上有效传播并接收,系统采用单片机控制这个幅值的大小变化。图5中的VREF就能起此作用,单片机通过IO端口对数字电位计的值调节,就能实现调节输出电压VoUT的幅值,进而调节前端信号调制后输出到导波杆的信号幅值。在被测液体介电常数小的时候,需加大VREF的值,反之则减小VREF的值。

信号测量电路设计
信号测量电路设计包括可变增益放大器电路、信号比较器电路和数字电位计电路等可变增益放大器电路设计在进行液位测量时,导波雷达液位计收发电路发射的脉冲信号的幅值是一个固定值。而从介质液面反射的回波信号幅值不固定,其幅值大小受介电常数、导波杆的结构、杆长等因素影响。针对不同的使用工况,需要把回波信号在垂直方向上放大处理,用放器的增益来补偿电缆产生衰减引起的变化,对信号的幅值进行调节,便于后续的信号比较电路进行比较。可变增益放大电路如图6所示,设计采用运算放大器AD8554,它是一种四路零漂移的低噪声放大器,失调电压极低(仅为1pV)、零输入失调电压漂移以及极小偏置电流。
图6中的NPUT信号即为收发电路板输入到信号调理电路的液位回波信号,PWM1为单片机输出的周期100ms占空比30%的脉宽调制信号,用于控制信号选取的时序信号。可变增益放大电路的工作原理是单片机通过操作一路数字电位计的大小来调节放大的增益,实现输入信号的放大改变。该电路设计的增益范围为0~54dB。数字电位计值的选取主要取决于导波杆的类型、介电常数的大小和导波杆的长度等
 
信号比较电路设计
由时域反射原理可知,从发射板得到的信号是液位回波信号,无液位时回波信号是正脉冲,有液位时则是负脉冲信号。所以对于后端信号处理需要获
取这两种不同情况信号的刻。本设计采用TLC339作为比较器芯片,快速响应时间只有为25gs,功耗极低。同时,在比较器电路后还使用了低功耗的74VHC00来组成与非门电路,它的高速转换时间仅有3.7ns信号比较电路比较的信号为脉冲时域展宽后的毫秒级信号,是实际信号传播时间的K倍,这部分器件响应速度的快慢对于信号计算影响非常大。电压比较器电路如图7所示。回波信号首先经过两路比较器进行比较,再经过与非门电路,最后送人单片机进行处理。有、无液位时都能收到回波信号。为了区分有、无液位这两种情况,需要采用两个比较器。无液位时,第一路比较器能够比
较出正脉冲,另外一路则没有输出信号;有液位时恰好相反,第一路比较器没有输出信号,另外一路则比较出正脉冲。由此,在有、无液位的时刻都能捕获到脉冲的时刻,根据信号的时刻不仅能区分出是否有液位,还能区分出液位的真实高度。在经过比较较后,可以比较得到回波的脉冲时间,然后再经过与非门电路后就可以得到液位回波的触发脉冲REv和REV2信号,之后再送给单片机处理。

数字电位计电路设计
单片机可以通过数字电位计芯片来迅速改变电阻值,来调理电路部分的增益和比较电压。本设计使用256bit的数字电位计芯片AD8403ARU100它包括四个可选电阻,电阻值最大都为100kg。单片机可以通过三路SPI端口来输入和更改阻值AD8403ARU100电路如图8所示,具体每个通道都应用在各个电路中了。图中每个通道的w端为可滑动W端与两头的B端、A端间电阻值的计算为Rn(D,)=D、×RB+Rw导波雷达液位计的单片机外围电路设计主要有电源监控电路和按键电路等电源监控电路:电路使用了IMP706S,它能够监控的电压是76V,起到监控电源是否稳定的作用,在电源电压下降低于276V时能够及时进行复位。通过定时1.6秒不断循环监测电源信号,使得当程序不对时,通过这个芯片也可以及时进行复位操作。单片机的按键电路:按键仅仅使用了UP、DOWN、 ENTER三个按键,而且分别接了三个上拉电阻,分别代表上翻、下翻、确定操作。通过块,从而完成介电常数、杆长、零点、满点等各关键的参数的设定改和液位的显示。通过按键可以引起单片机的I/O口产生中断,从而确认到底是哪个按键按下,以便软件来实现对应的菜单跳转或者修改功能。
 
系统软件设计
系统软件按功能分为控制程序、数据计算程序和系统辅助程序。控制程序主要负责程序的初始化、复位、控制跳转和外围功能的实现,具体包括液位计初始化程序、菜单子程序、定时器程序、按键子程序、LCD显示子程序、1C串行总线程序、FLASH读写程序和参数判断校正程序等。数据
计算程序包括信号发射子程序、信号接收处理子程序和数据计算子程序。系统辅助程序是一些应用于仪表维护需要的程序,包括系统诊断子程序和外部看门狗子程序。系统主程序流程如图9所示。
导波雷达液位计主程序的运行流程如下首先单片机上电复位,进行系统初始化程序,系统会进行外部检测,如果正常,则进人系统参数检测。系统参数检测会自动检查测量所需各种参数以及初始化的参数是否正确。如果参数有错误,则进入系统参数校正子程序,校正参数的具体值从对应的 FLASH中读取。校正完毕后重新进行看门狗检测,直到检测正常后就开中断并开始测量,测量后计算出来的结果通过外部通信协议进行输出。在有按键操作时,根据按键操作显示菜单可以分别切换到液位显示菜单、参数菜单和诊断菜单。液位显示菜单不断循环显示在LCD上液位的高度、百分比和输出电流值。参数菜单显示和修改各系统参数信息,修改后的参数自动存入 FLASH存储器中。
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