基于压力传感器的液位检测系统

3.2A/D转换通道

由于本系统要求有较高的精度，经信号调理电路放大的电压信号进入A/D转换通道也要求有比较高的转换精度，因此本系统采用美国模拟器件生产厂商AD公司生产的8通道12位的数模转换芯片AD7888，它是高速、低功耗的12位AD转换器，单电源供电，电压范围为：2.7V--5.25V转换速率高达125Kbps,输入跟踪保持信号的最小时间间隔为500ns，单端采样方式，包含8个单端模拟输入通道，每一通道的模拟输入范围为

0--Vref，AD7888芯片内部含有2.5V电压基准，可用于模数转换的基准源，管脚REF in/REF out允许用户使用这一基准源，也可以反过来驱动这一管脚，向AD7888外部提供外部基准，基准电压范围为：1.2V--VDD，该器件采用16脚的SOIC和TSSOP外形封装，如图5所示。可以选择多种电源管理模式（包括数据转换结束后自动处于掉电模式），与多种串行接口兼容。在AD7888中，有一个8位的控制寄存器，是只写寄存器，用于单片机对AD7888进行记忆存储。控制寄存器的数据在时钟SCLK上升沿有DIN引脚输入，在时钟信号的上升沿同时获取模拟转换的结果。每次数据的传输需要准备16个连续的时钟信号，控制寄存器的数据只能在片选信号的下降后的前8个时钟脉冲的上升沿装入控制寄存器。

图5 A D7888封装图

但是AD7888数字信号不是并行输出，而是从DOUT口串行的输出，又由于本系统要求只能对液位进行监测，所以要加入单片机，以此来达到对整体系统进行控制的目的。而且为满足与AD7888串行的接口标准，选用的单片机做好要具备SPI接口。SPI即串行外围设备接口（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种

同步串行接口。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，所以其实现软件就相当简单。AD7888与多种串行接口兼容，可以根据使用的控制芯片在设计中灵活的使用，从经济的角度出发选择普通的MCU芯片AT89S52，使用程序可方便地实现对SPI总线的控制。AD7888与单片机之间的接口关系如图6所示。为了能够获得稳定的数据，AD7888与单片机AT89S52之间加入光隔离器。光隔离器件采用的是隔离电压高、速度快、共模抑制性强的6N137。由于6N137的速度快，编程中不需要进行延时就能满足光隔离器的电平建立时间。试验表明通过光隔离器，获得的稳定数据能够增加3～4位(二进制位)。AD7888的CS接地，使AD888始终工作在SPI接口模式。对每个接口模块的控制是通过74LSl25的三态允许端来实现的。对其中一个SPI接口操作时，使其74LSl25处于选通状态，而其他SPI接口的74LSl25处于高阻状态。这样可实现微处理器单独对一个接口进行操作，而不影响其他接口。

图6 AD7888与AT89S52连接图

AD7888的模拟转换结果由DOUT口串行的输出，由于AD7888是12位的模数转换器，因此，结果包含12位的二进制数码，在时钟SCLK的下降沿的作用下，每一个时钟下降沿输出一位，起初的四位为0，后面跟着的连续12位0或1是真正的转换结果，最高位最先输出。

4.单片机选型

根据AD转换器件的接口要求，以及从经济实用的角度考虑，本系统选用的单片机是ATMEL公司新推出的AT89S52，该芯片具有低功耗、高性能的特点，是采用CMOS工艺的8位单片机。AT89S52有以下主要特点：

（1）采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术; （2）其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器; （3）有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式;

（4）片内含有一个看门狗定时器(WDT)，WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器 复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H， WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即 可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。

由于篇幅限制，本文不对键盘接口和LCD显示进行介绍。 5 系统误差修正

液位检测系统的误差修正包括二个方面: 系统的线性误差的修正及传感器的非线误差修正。 系统的线性误差包括: 压力传感器的线性误差、放大电路的线性误差及A/ D 转换器的线性误差。线性误差的修正系数的取得，可在满量程或接近满量程时进行， 由

上位机的控件发出相应的指令给下位机，读取A/ D 转换器的转换数据，并由上位机计算出相应的误差系数，再回传给下位机，这种线性误差的修正系数的取得，在检测现场也可进行，当液位接近满量程时也可根据现场液位的实际测量的高度进行修正，以消除线性误差的时间漂移。

由于制造工艺的离散性，传感器存在着离散性的非线性误差。 由于上述非线性关系的存在，带来了精度的降低，为了保证在整个范围内满足精度的要求，所以在实际应用中应根据控制要求对测量值进行误差修正，修正一般通过软件较准实现。其具体的修正方法应根据信号的工作区段和质量要求来确定。利用单片机的运算和控制能力对非线性关系找出修正算法，并在反复测试调整后使其达到设计要求。本系统采用分段

线性插值法对测量值的曲线进行了误差修正处理。方法为：将0～XMAX分为若干工作区段，每段曲线用一段对应的折线来代替，对每段折线可求出VQ：

N t : VQ = ai×N t+bi （8） 式中，I—某段折线的序号； ai—该段折线的斜率； bi—该段折线的截距。

它们的处理关系示意曲线如图7 所示。预先将每段的之值存于单片机中，在不同的工作区段，单片机自动地将对应的每段的上述值调出进行运算处理。

6 系统软件流程

图7 分段线性插值误差修正

根据系统设计需求，软件部分主要包含控制开关阀的开闭，预设值的设定，压力值的获取等，系统上电后，先完成初始化，然后管理者对当前系统的液位值进行预先设定，位于液位底部的压力传感器将当前液体多呈现出的压力值转化为微弱的电压信号，经信号调理电路的放大处理，输入到AD模数转换通道进行模数转换，转化的结果送入单片机中，然后系统软件对当前的数字压力值进行误差修正，然后实时显示压力值的大小于LCD上。此外，单片机软件还要完成当前液位与预设值的比较，以此来控制开关阀的开闭。根据上述过程，画出系统软件流程图，如图8所示。

图8 系统软件流程图

7结论

本设计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，经过数字化及计算机处理，可以得到精确的液位值。系统中设计了单片机，负责控制采样，控制显示与键盘输入。系统中设计了EEPROM存储器，用于存放液位设定值及液位系数，通过控制阀控制使得液位保持在设定值。实验结果表明，压力传感器MPX2100DP的选取较为合适，得到的取样液位值与实际的值结果相比较，能得到系统设计要求的误差范围内，且对液位的变化有较高的灵敏对。MPX2100DP传感器本身具有对温度有补偿的功能，所以在电路中无需添加温补过程，减小了电路的复杂度。同时，实时显示液位高度便于对系统的管理，12位的模数转换器AD7888满足系统对液位精度的设计要求，转换速率较快，能满足实时行要求，键盘、LCD的显示等功能，呈现了比较好的人机交互界面。本系统可