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无线水位遥测控制系统

点击次数:更新时间:2013-09-21 12:09:33【打印】【关闭】

摘要:设计了一种无线水位遥测控制系统,并给出了硬件电路原理图及PCB版图和软件流程图。该系统是用无线射频收发器,OP07放大器。ED5026编码器,ED5027解码器,以及MPX2050等芯片连接...

摘要:设计了一种无线水位遥测控制系统,并给出了硬件电路原理图及PCB版图和软件流程图。该系统是用无线射频收发器,OP07放大器。ED5026编码器,ED5027解码器,以及MPX2050等芯片连接而成的电路。单片机通过J05C无线接收器,ED5027解码器得到水位测量信号后,通过单片机内部的程序,计算出水位的高度,在显示器上显示水位的同时,把测量值与水位的下限,上限值进行比较,让水位上升保证水位控制在一个合适的高度。从而实现了对水位的远程无线控制。

1绪论

1.1课题研究的目的和意义

目前,城市高层建筑越来越多,也越来越高,为了解决高层建筑供水水压不足的问题,通常采用两种方式,一种是管道加压,这种方式价格较贵。别一种价格便宜的是在高层建筑的顶部建造蓄水箱,利用加压水泵向水箱压水。过去蓄水箱通常采用三线式水位控制器。这种控制器一般用晶体管或集成电路作为控制元件,其作用是将高层水箱内的水拉控制在上,下水位电极之间,当达到高水位时加压水泵停止抽水,而水位降至低水位时加压水泵开始抽水。同时由于电极在水中长期通电,容易引起电极腐蚀,一旦电极接触不好,水拉超过上限后水泵仍不停机。便会造成水位失控,从而发生溢水事故,所以没有水位显示和超限保护是这种控制器的最大弊病。如果增加上述功能,采用原有技术而不增加控制导线是无法完成的,但增加多根长距离导线又必定会大大增加成本,连接也不方便。[ 1 ]

在工农业生产以及日常生活应用中,常常会需要对容器中的液位进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量,生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同,精度不同,但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式,如下图所示,它们的主要区别在于检测液位的方式、反馈形式,以及控制器上的区别。

1、机电控制式水位控制

2、全机械结构的水位控制方式

3、最简单的自动水位控制装置

但是, 在一般的情况下, 往往需要测量的水箱、水池或水塔和控制室都有比较长的距离, 常常需要架设上百到近千米的输电和控制线路, 十分麻烦而且费用很高,给测量和控制带来了极大的不方便。这时我们就需要有一种可以远距离对液位进行控制的方法。

将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的技术。遥测是利用传感技术、通信技术和数据处理技术的一门综合性技术。遥测主要用于集中检测分散的或难以接近的被测对象,如被测对象距离遥远,所处环境恶劣,或处于高速运动状态。遥测在国民经济、科学研究和军事技术等方面得到广泛应用。利用遥测可以实现集中监测,提高自动化水平,提高劳动生产率,改善劳动条件,提高调度质量。遥测为科学研究提供了一种重要的测试手段,使原来难以进行实测的研究项目,取得重要的动态性能数据。实际遥测系统包括有传感器、通信设备和数据处理设备。传感技术和信号传输技术是遥测的两项关键技术。传感器的精度、响应速度和可靠性以及通信系统的传输速度和抗干扰能力等决定了遥测系统的性能。现代遥测系统广泛应用高精度的传感器、数字通信和电子计算机等先进设备。[ 2 ]最先进的遥测系统则是航空航天遥测系统。遥测系统也可以看作是一类特殊的通信系统。因此遥测常按信号传输方式来进行分类。如有线遥测和无线遥测,时分遥测和频分遥测,模拟遥测和数字遥测,实时遥测和循环遥测等。实际遥测系统包括有传感器、通信设备和数据处理设备。传感技术和信号传输技术是遥测的两项关键技术。传感器的功能是感受被测参量并转换成电信号。各传感器的输出信号(及其他需经遥测系统传送的信号)同时送入多路组合调制器,各路信号按一定体制组合起来,互不干扰地通过同一个无线电信道传送出去。多路组合调制器输出的信号调制发射机的载波,通过天线发射出去。接收端天线接收信号后送入接收机。接收机把组合信号解调出来,再经分路解调器恢复各路原始信息,加以记录、处理和显示。传感器的精度、响应速度和可靠性以及通信系统的传输速度和抗干扰能力等决定了遥测系统的性能。[ 3 ]

无线射频(Radio Frequency Identification:RFID)技术是自动识别技术的一种,可用于识别单件物品、多种装备、空运托盘和集装箱,提供准确、及时的装备资源状态信息,在民用的物流控制和军用后勤物资保障中发挥重要作用。

针对以上情况,我研制了一种水位遥测控制装置,它由水位遥测发射器和水位遥测接收器信开关,显示电路等组成,利用接收器的显示电路便可以观察了解当前水箱水位的高低。当水位低于或高于预定水位时,开关控制电路会自动控制水泵电机的开与关。如果出现溢水的事故苗头,该装置会强行切断控制部分的供电,使水泵停止工作。该装置还具有即时起动功能,只要水箱中水位低于最低水位,便于工作可根据需要随时令水泵起动抽水。

1.2国内外发展情况

国外的水文测量技术比国内领先很多,当国内还在对水利采取堵,排,泄时,国外已经通过先进的测控设备,对水利资源进行合理的疏导,浮子式水位计在国外已经有100多年的历史,其简单的机械结构,高精度,高可靠性使其一直占据着水位控制的大部分市场“浸入式水位随着压力传感器技术的发展而诞生,因其安装方便等优点使其近年来发展迅速。另外还有新出现的超声波水位计,适用于水位变幅较大的场合。国外的水位计的价格都比较昂贵,而国内复杂的地貌,错综的水文条件催水位计的需求量较大,所以,设计出实用,低成本,高精度的水位测量控制装置就显的刻不容缓。

1.3本课题要解决的问题

本课题的要求是设计一个水位遥测显示自控系统,能显示水箱的液位,当液位低于下限水位时可开启水泵向水箱供水,当达到上限水位时可自动停机,停止向水箱供水。

本课题必须有:

(1)系统硬件电路设计,硬件设计结构框图并对所使用各种芯片的功能与特性进行详细介绍。

(2)软件设计的程序工作流程。

(3)学习电路原理图,印制版PCB的制作工具软件Protel 99,并且绘制电气原理图与PCB版图。

1.4理论依据和试验所需器件

我们平时需要测量的水箱、水池或水塔和控制室都有比较长的距离, 常常需要架设上百到近千米的输电和控制线路, 十分麻烦而且费用很高,给测量和控制带来了极大的不方便。我们这时就需要有一种可以远距离对液位进行控制的方法。我们采用无线遥测技术,而无线射频属于无线遥测技术的一种。

无线射频技术是一种非接触式的自动识别技术,其基本原理是电磁理论,主要基础是计算机芯片。芯片非常之薄,与纸制标签厚度相仿,把它置于条形码标签之中,固定在集装箱、货盘和货包上面。由于它对电子方式储存信息,所以能快速地收集和报告藏在标签里的品名、位置、时间和业务数据,对由装有天线的阅读器或询问机发出的无线电查问或质询作出反应。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。

在此设计中,我们用到了无线射频收发器,OP07放大器。ED5026编码器,ED5027解码器,以及MPX2050等等芯片连接而成的电路。从而,设计出此套无线水位遥测控制系统。

2无线射频技术

2.1无线射频识别技术的组成及工作原理[ 4 ]

无线射频识别技术(Radio Frequency Identification:RFID)或称射频识别技术,是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。 它是利用射频方式进行非接触双向通信, 以达到自动识别目标对象并获取相关数据,具有精度高, 适应环境能力强,抗干扰强,操作快捷等许多优点。

目前常用的自动识别技术中,条码和磁卡的成本较低, 但是都容易磨损, 且数据量很小; 接触式IC卡的价格稍高些, 数据存储量较大, 安全性好, 但是也容易磨损, 寿命短; 而射频卡实现了免接触操作, 应用便利, 无机械磨损, 寿命长, 无需可见光源,穿透性好,抗污染能力和耐久性强, 而且, 可以在恶劣环境下工作,对环境要求低, 读取距离远,无需与目标接触就可以得到数据, 支持写入数据$无需重新制作新的标签,可重复使用, 并且使用了防冲撞技术, 能够识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。

近年来,无线射频识别技术在国内外发展很快,RFID产品种类很多,像TI,Motorola,Philips,microchip等世界著名厂家都生产RFID产品, 并且各有特点, 自成系列。RFID已被广泛应用于工业自动化,商业自动化,交通运输控制管理等众多领域。 例如汽车或火车等的交通监控系统, 高速公路自动收费系统, 物品管理,流水线生产自动化, 门禁系统,金融交易,仓储管理,畜牧管理,车辆防盗等; 随着成本的下降和标准化的实施,RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势。


一、无线射频技术的概念和工作原理
  RFID是一种非接触式的自动识别技术,其基本原理是电磁理论,主要基础是计算机芯片。芯片非常之薄,与纸制标签厚度相仿,所它置于条形码标签之中,固定在集装箱、货盘和货包上面。由于它对电子方式储存信息,所以能快速地收集和报告藏在标签里的品名、位置、时间和业务数据,对由装有天线的阅读器或询问机发出的无线电查问或质询作出反应。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。
  1、RFID的系统组成
  最基本的RFID系统由电子标签、阅读器和微型天线三部分组成。电子标签(Tag),由耦合无件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象。当受无线电射频信号照射时,能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号,供阅读器处理识别。
  阅读器(Reader),也称查询器、通讯器或读出装置,用以产生发射无线电射频信号并接收电子标签反射回的无线电射频信号,经处理后获取标签数据信息,有时还可作为写入标签信息的设备,可设计成手持或固定式。微型天线(Antenna),在标签和阅读器间传递射频信号。
  在实际应用中,RFID系统电子标签附着在待识别物体的表面,电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号,当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量,发送出自身编码等信息,被读取器读取并解码后送至计算机进行有关处理。因此,阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场,以激励电子标签。

RFID系统的工作原理如下: 阅读器将要发送的信号,经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送,进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号,卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制,解码,解密,然后对命令请求,密码,权限等进行判断, 若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密,编码,调制后通过卡内天线再发送给阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调,解码,解密后送至中央信息系统进行有关数据处理( 若为修改信息的写命令,有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压,提供擦写EEPROM中的内容进行改写,若经判断其对应的密码和权限不符,则返回出错信息。RFID基本原理框图如图所示


                        

RFID系统基本框图

在RFID系统中,阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场以激励电子标签。 在当前有关的射频约束下, 欧洲的大部分地区各向同性有效辐射功率限制在500mW,这样的辐射功率在870MHz 可近似达到0.7米。 美国,加拿大以及其他一些国家,无需授权的辐射约束为各向同性辐射功率为4W, 这样的功率将达到2米的阅读距离,在获得授权的情况下,在美国发射30W的功率将使阅读区增大到5.5米左右。

2.2  RFID 技术分类[ 5 ]

RFID技术的分类方法常见的有下面四种:

根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频(30kHz—300kHz),中频(3MHz---30MHz)和高频系统(300MHz---3GHz).RFID 系统的常见的工作频率有低频125kHz,134.2kHz, 中频13.56MHz, 高860MHz----930MHz,2.45GHz,5.8GHz

等. 低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少,阅读距离较短, 电子标签外形多样,阅读天线方向性不强等.主要用于短距离,低成本的应用中. 如多数的门

禁控制,校园卡,煤气表, 水表等;中频系统则用于需传送大量数据的应用系统,高频系统的的特点是电子标签及阅读器成本均较高,标签内保存的数据量较大# 阅读距离较远( 可达十几米),适应物体高速运动, 性能好. 阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性,但其天线波束方向较窄且价格较高,主要用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合,多在火车监控, 高速公路收费等系统中应用.

根据电子标签的有源和无源又可分为有源的和无源的.有源电子标签使用卡内电池的能量.识别距离较长,可达十几米,但是它的寿命有限(3---10年),且价格较高,无源电子标签不含电池,它接收到阅读器( 读出装置) 发出的微波信号后,利用阅读器发射的电磁波提供能量,一般可做到免维护, 重量轻,体积小,寿命长, 较便宜,但它的发射距离受限制,一般是几十厘米,且需要阅读器的发射功率大.

根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式(Active tag) 和被动(Passive tag).主动式的电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器, 主要用于

有障碍物的应用中,距离较远( 可达30 米); 被动式的电子标签, 使用调制散射方式发射数据,它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号, 适宜在门禁或交通的应用中使用.

阅读器发送时所使用的频率称为RFID系统的工作频率,通常分低频和高频。
  低频系统的工作频率小30MHz,典型的工作频率为125kHz、225kHz、13.56MHz等。这些频点应用的射频系统一般都有相应的国际标准予以支持,其特点是电子标签的成本较低,标签内保存的数据量较少、阅读距离较短(无源情况,典型阅读距离为10cm)、电子标签外形多样(卡状、环状、钮扣状、笔状)、阅读天线方向性不强等。
  高频系统的工作频率大于400MHz,典型的工作频段有915MHz、2450MHz、5800MHz等。在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统的特点是电子标签及阅读器成本较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几米到十几米),适应物体高速运动性能好,外形一般为卡状,阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。
  2、RFID标签类型
  RFID标签分为被动标签(Passive tags)和主动标签(Active tage)两种。主动标签自身带电池供电,也称为有源标签,读/写距离较远时体积较大,成本更高,一般具有较远的阅读距离。不足之处是电池的寿命有限(3-10年)。被动式电子标签内无电池,也称为无源标签。它接收到阅读器(读出装置)发出的微波信号后,将部分微波能量转化为直流电供自己工作,一般可做到免维护,成本很低并具有很长的使用寿命,比主动标签更小也更轻,读写距离则较近。相比有源系统,无源系统在阅读距离及适用物体运动速度方面略有限制。
  电子标签分集成固化式和现场改写式。集成固化式电子标签内的信息,一般在集成电路生产时就以ROM工艺模式注入,其保存的信息是一成不变的。现场有线改写式电子标签,一般是将电子标签保存的信息写入其内部的存储区,改写时需要专用的编程器或写入器,改写过程必须为其供电。现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电子标签,具有特定的改写指令,电子标签内保存的信息位于其中的存储区。一般情况下,改写电子标签数据所花费的时间远大于读取电子标签所花费的时间。常规下改写时间为秒级,阅读时间为毫秒级。
  3、RFID识别系统类型
  可以将RFID识别系统简单地区分为3种类型:广播发射式射频识别系统、倍频式射频识别系统和反射调制式射频识别系统。
  广播发射式射频识别系统实现起来最简单,其电子标签必须采用有源方式工作,并实时将其存储的标识信息向外广播,阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种系统的缺点是,电子标签因需不停地向外发射信息,不但费电,而且对环境会造成电磁污染,同时系统不具备安全保密性。
  倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。一般情况下,阅读器发出射频查询信号,电子标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模式对阅读器接收处理回波信号提供了便利,但是,对无源电子标签来说,电子标签将收到的阅读器发来的射频能量转换为倍频回波载频时,其能量转换效率较低,提高转换效率需要较高的微波技巧,这就意味着更高的电子标签成本。
  反射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题。系统工作时,阅读器发出微波查询(能量)信号,电子标签(无源)收到微波查询能量信号后,将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作,另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制(ASK)后反射回阅读器。阅读器接收反射回的调幅信号,从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。系统工作过程中,阅读器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的,反射回的信号强度较发射信号要弱得多,因此技术实现上的难点在于同频接收。

2.3   RFID 技术标准[ 6 ][ 7 ]

目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的ISO11784和ISO11785,用于非接触智能卡的ISO0536(Close  coupled  card),ISO15693(Vicinity  card),ISO14443(Proximity  cards ),用于集装箱识别的ISO10374等. 目前国际上制定RFID标准的组织比较著名的有三个:ISO, 以美国为首的EPC global 以及日本的Ubiquitous D Center,而这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划.下面对常见的几个标准加以简介.

ISO 11784和ISO 11785技术标准。

ISO 11784和ISO 11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则, 标准中没有对应答器样式尺寸加以规定,因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式,如玻璃管状, 耳标或项圈等,代码结构为64位,如表所示,其中的27位至64位可由各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2kHz,数据传输方式有全双工和半双工两种,阅读器数据以差分双相代码表示, 应答器采用FSK调制, NRZ编码. 由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制#通信速率较低.

ISO 10536,ISO 15693和ISO 14443 技术标准;

ISO 10536标准发展于1992 到1995年间,由于这种卡的成本高,与接触式IC卡相比优点很少,因此这种卡从未在市场上销售。ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作,其完成则是在2000年之后,二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率.ISO 15693读写距离较远, 而ISO  14443读写距离稍近, 但应用较广泛.目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443  TYPE  B 协议.ISO  14443定义了TYPE A,TYPE B两种类型协议,通信速率为106kbit/s,它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式.TYPE A 采用开关键控(On—Off  keying)的Manchester编码,TYPE B 采用NRZ--L的BPSK编码。TYPE B 与TYPE A相比,具有传输能量不中断,速率更高,抗干扰能力更强的优点,RFID的核心是防冲撞技术, 这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO 14443--3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同,前者是基于位冲撞检测协议,而

TYPE B通过系列命令序列完成防冲撞。ISO 15693采用轮寻机制,分时查询的方式完成防冲撞机制,防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能,既方便了操作,也提高了操作的速度。

ISO 18000技术标准:

ISO 18000是一系列标准,此标准是目前较新的标准,原因是它可用于商品的供应链,其中的部分标准也正在形成之中。ISO 18000--6基本上是整合了一些现有RFID厂商的产品规格和EAN--UCC所提出的标签架构要求而订出的规范,ISO 18000只规定了空气接口协议,对数据内容和数据结构无限制, 因此可用于EPC。

  2.4  RFID的应用和发展趋势

当前RFID 应用和发展面临着几个关键问题是标准, 成本,技术和安全。

2.41 标准

目前行业标准以及相关产品标准还不统一, 电子标签迄今为止全球也还没有正式形成一个统一的( 包括各个频段)国际标准。 标准(特别是关于数据格式定义的标准)的不统一是制约RFID 发展的重要因素,而数据格式的标准问题又涉及到各个国家自身的利益和安全。标准的不统一也使当前各个厂家推出的RFID产品互不兼容, 这势必阻碍了未来RFID 产品的互通和发展, 因此如何使这些标准相互兼容,让一个RFID 产品能顺利地在世界范围中流通是当前重要而紧迫的问题。 目前, 很多国家都正在抓紧时间制定各自的标准,我国电子标签技术还正处在研发阶段。

2.42成本

目前美国一个电子标签最低的价格是20美分左右,这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品,只有电子标签的单价下降到10 美分以下,才可能大

规模应用于整箱整包的商品。 随着技术的不断提升和在各大行业的日益推广,RFID 的各个组成部分,包括电子标签,阅读器和天线等,制造成本都有望大幅度降低。

2.43技术

虽然在RFID电子标签的单项技术上已经趋于成熟,但总体上产品技术还不够成熟, 还存在较高的差错率(RFID 被误读的比率有时高达20%),在集成应用中也还需要攻克大量的技术难题%

2.44安全

当前广泛使用的无源RFID 系统还没有非常可靠的安全机制,无法对数据进行很好的保密, 数据还容易受到攻击,主要是因为RFID 芯片本身, 以及芯片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。此外,还有识别率的的问题由于液体和金属制品等对无线电信号的干扰很大,RFID标签的准确识别率目前还只有80%左右,离大规模实际应用所要求的成熟程度也还有一定差距。

从总体上而言,RFID技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域 它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起(如高频技术,电磁兼容性,半导体技术’数据保护和密码学,电信,制造技术和许多专业领域。RFID技术所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本,提高作业精确性,加快处理速度,有效跟踪物流动态等。目前RFID技术已被广泛应用于工业自动化,商业自动化,交通运输控制管理等众多领域。2004年11月初,美国(VAR Business)杂志完成的一项技术状况调查报告,评出了2005 年“七大热门科技走向”其中把射频识别技术作为2005年科技业的突破性技术。 美国沃尔玛及美国国防部等正在推进全面导入RFID的计划,许多高科技公司也正在开发RFID专用的软件和硬件&这些公司包括英特尔,微软, 甲骨文和SUN等。ABI估计, 到2008 年RFID 电子标签,阅读器和相关软件与服务的销售额可望增至30亿美元,RFID技术市场在未来五年内将有数万亿美元的市场空间。

3. 水位遥测自控系统设计

3.1水位遥测自控系统设计原理

本系统准备采用无线射频测量的方式,因为它对测量点的选择具有很大的灵活性。为了以简单的方式实现对水位的连续测量和控制,故我准备采用半导体硅压力传感器。为了能够方便地实现水位的数字显示,方便地进行水的上,下限数字设定。本系统中不采用传统的A/D转换电路,而是准备采用V/F方式[ 8 ][ 9 ][ 10 ]的转换电路。

V/F转换电路,它是把输入的模拟电压信号转变为规则的脉冲信号输出,脉冲信号的频率与输入模拟电压成正比。在此准备采用LM331构成的V/F转换器。LM331是一种通用集成电路,十分适于用作电压频率转换,其输出脉冲信号的频率精确的正比于输入电压,它具备电压频率转换技术的所有优点。它由1.9基准电压,电流开关,比较器,双稳态多谐振荡器等构成。V/F转换电路的基本电路图如图所示。V/F转换电路将电压输入转换为频率输出,输出频率由以下公式得出:

      其中Rs=R119

                       V-F转换电路电原理图

正是因为V/F转换电路比A/D转换电路的测量精度高,且又可以简化此课题的电路,故我采用V/F转换电路。

其基本原理如下: 

图1(a)无线水位测量发射框图

(1)在图1(a)中,压力力传感器采用MPX2050型温度补偿和校正功能的压力传感器,它的压力测量范围为0—50Kpa,通过水位测量变送电路,转换成0—5000Hz的频率信号加到ED5026编码器[ 11 ]的D0端,通过编码后由MS303S射频发射器水位的测量信号。ID5026是18脚COMS大规模数字编码专用集成电路,有8—12位编码地址,工作电压2—6V,静态电流为1mA,

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

图1(b)无线水位控制框图

(2)图1(b)中,MS303S 是射频接收器,它接收到控制装置发来的无线电信号后,输入到ED5027编码器。ED5027编码器[ 11 ]是18脚的COMS器件,与ED5026编码器可以配合使用。如果控制端的地址编码与ED5027编码器的编码地址相同,就输出一个高电平,控制水泵的控制电路,用于水泵的启动和停止。同时,水泵控制电路还有上限水位,下限水位二个输入信号,在控制失效时,可以保证水箱的供水能不断水或不溢出。

       SHAPE  \* MERGEFORMAT

图2 水位测量接收控制系统框图

(3)单片机通过操作键盘[ 12 ],输入控制水位的下限,上限的值和水位的测量时间间隔,并存储在单片机内存中。单片机通过J05C无线接收器,ED5027解码器得到水位测量信号后,通过单片机内部的程序,计算出水位的高度,在显示器上显示水位的同时,把测量值与水位的下限,上限值进行比较,当水位的测量等于或小于水位的下限值时,单片机输出一个1电平信号给ED5026编码器,通过F05发射信号去启动水泵工作,让水位上升。当水位的测量等于或大于水位的上限值时,单片机输出一个1电平给ED5026编码器,通过F05发射信号去停止水泵工作。让水位上升保证水位控制在一个合适的高度。

3.2电路原理图及PCB图

                                 电路原理图

                               PCB版图

              4设计中用到的芯片介绍

1半导体压力硅[ 13 ]

在水位控制中,半导体压力硅可以将水位信号转化为压力信号,实现参数的间接测量。而组态监控技术为实施数据采集、过程监控、生产控制提供了基础平台,可以和检测部件、控制部件构成复杂的应用系统,在节能、提高计量精度、改善产品质量、完成部门间精确传递生产信息等方面发挥核心作用。

半导体压力硅的技术特点和工作原理[ 14 ]

半导体压力硅由扩散硅压力芯片和信号处理电路组成,经过精密的补偿技术、信号处理技术,具有测量范围宽、测量精度高的特点,可以长期在线检测压力信号。半导体压力硅采用24V直流电源,当外加压力时,将引起压力芯片的输出电压发生变化,再经过信号处理电路将其放大,并转换为与输入压力成线性对应关系的标准4—20mA直流信号输出,可直接与二次仪表以及计算机控制系统连接,实现生产过程的自动检测和控制,可广泛应用于各种工业领域中压力的检测。正常情况下,半导体压力硅测量的是压力信号,根据压力参数与水位参数之间的关系:P=rgh式中:P.—容器中液体的静压力;r--容器中液体的密度,常数;g--重力加速度,常数;h--容器中液体的水位。

由上式可知,容器中液体的水位参数和压力参数之间存在着线性关系。因此可以将半导体压力硅直接安装在水罐底部,根据测量的压力信号即可得到水位信号,从而将水位测量转换为压力测量,实现了信号的间接测量。测量所得的水位模拟信号经压力变送器转换成4—20mA直流信号后,再经250电阻转换成直流1—5V标准信号,分别送显示仪表和计算机。

2.编码电路芯片[ 15 ][ 16 ][ 17 ]
    编码电路芯片ED5026的管脚图如图2所示,8条地址线A0~A7,可构成28=256个地址码;4位数据线D0~D3,当ED5026的使能端TE为低电平时,其8位地址信息及4位数据信息从OUT脚串行发送出去。

收发电路的工作原理
  1.主机收发电路原理
(1)主机发送电路
    主机发送电路如图3下半部分所示。

主机的编码器ED5026的8条地址线A0~A7直接与单片机89C51的低8位地址线相连,主机可分别构成256个地址,即可控制256个分机。ED5026的数据线D0~D3与锁存器74LS373的输出端Q0~Q3相连,锁存器的输入D0~D3直接与89C51的4位数据线相连。TE使能端由P3.4控制,当TE为低电平时,ED5026将从OUT端串行输出地址及数据信息,经过电力线接口电路调制到电力线上,进行传输。在软件设计上必须先送出地址和数据信息,再使TE变为低电平,以防数据尚未稳定就发送出,造成误码。
(2)主机接收电路
    主机接收电路如图上半部分所示。
    主机接收电路主要由解码芯片ED5027完成,把解码器ED5027的地址线A0~A7接成固定地址,即为55H,因此分机发送编码芯片的地址也必须为55H。当分机发送信息连续两帧相同时,在ED5027的状态输出端VT将出现一个由低变高的脉冲,此信号反相后送到89C51的P3.2端口上,以使89C51查询此信号或产生中断,决定是否读取数据D0~D3,状态输出信号VT仅在对方发出信号期间有效,与发送端TE相对应。


                              分机收发程序框图

2.分机收发电路原理
    (1)分机接收电路
    分机接收电路原理如图下半部分所示。

主机发来的信号经电力线载波传输到分机解码电路ED5027的输入端IN。分机地址由A0~A7外接8位DIP开关,一共可形成256个不同的地址码。主机发送的地址码与分机一致并连续收到两帧相同的信息时,状态输出端VT出现正跳变脉冲,被分机查询或产生中断,读取数据D0~D3,收到主机发来的命令或数据。

(2)分机发送电路
   分机发送电路原理如图5上半部分所示。
   分机发送的数据D0~D3经89C51的数据口P0.0~P0.3输出,经锁存器锁存,数据稳定后,由P3.4发一低电平,使TE有效,数据便从OUT端输出。由于主机的收信地址为55H,各分机的发信地址码也应为55H。

电力线载波通信电路
    低压电力线载波通信的基本原理如图7所示。发送数据时,发送机先将数据调制在一个高频载波再耦合至电力线上。因为耦合信号只有几伏,其载波为几百千赫兹的高频信号,所以不会对电力线路造成不良的影响。接收方则在电力线路中通过解调电路分离出原数据。

       

                      电力线载波通信原理图

1.电力线调制解调器
    低压电力线是专为传输50 Hz的工频电能而铺设的,故其特性较难直接满足载波通信的要求。这主要体现在2个方面:一是电力网络的阻抗特性及其线路衰减,制约了信号的传输距离;二是电力线路上的噪音干扰,制约了信号的传输质量。因此为达到稳定通信的效果,在本系统中我们选用了欧洲ST公司的电力载波调制解调芯片ST7536。ST7536芯片有28个引脚;属于半双工、同步的FSK MODEM,它具有发送和接收2种工作模式。由于在其内部采用了硬件数字滤波,因此对通信频带外的干扰有较好的抑制能力,而且其接收灵敏度和抗干扰能力都较高。
        2.电力线接口电路
    电力线接口连接着ST7536芯片和低压电力线,图8是根据ENEL规范设计的一种电力线接口电路.

在发送模式下,电力线接口把来自ST7536芯片ATO的发送信号进行放大和滤波。缓冲区的作用是保护ST7536,并且驱动电力线接口中的下一个部件。低通滤波器(LPF)的作用是抑制谐波。滤波后的信号被送入功率放大器,这个功率放大器通过转换器来驱动阻抗为1~100 Ω的电力线。此外,放大器也进行频段滤波,来抑制发送信号的二次谐波。
    在接收模式下,转换器从电力线上取得信号,在预放大器中进行放大,再送给ST7536的接收输入引脚RAI。这种模式下,为了避免功率放大器的低输出阻抗所造成接收信号的衰减,关闭缓冲器和功率放大器。

1M331:[ 18 ][ 19 ]

 LM331使用了新的温度补偿基准电路。在整个工作温度范围内和低到4.0V的电源电压下都有极高的精度。精度定时电路具有低的偏置电流,100KHz电压/频率转换所需的高速响应也没有退化现象,输出可以驱动3个TTL负载,高电压输出可达40V,而且可以防止Vcc短路。

特点:保证的最大线性度百分之0.01.

      最值温度稳定性,最大值±50ppm/c

改善现在的电压/频率转换应用的特性:

低功率消耗。5V下典型值为15mW

双电源或单电源工作

宽的动态范围10KC满量程频率下最小值100dB

可在单5V电源下工作

宽的满量程频率范围:1Hz—100KHz

脉冲输出与所有逻辑形式相容

低成本

绝对最大额定值                     LM331

电源电压                         40V

对地输出短路                       连续

对Vcc输出短路                      连续

输入电压                         -0.2--+Vs

工作环境温度范围                      0-----70

功耗(在25度以下Po)

及热阻(QjA)

(H封装)Po                            570mW

QjA                                 150

(N封装)Po                            500mW

QjA                                 155

电压对频率交换器LM231/LM331 家庭理想地适用用于简单的便宜的电路为数模转换, 精确度频率对电压转换, 长期综合化,线性调频或解调, 和许多其它功能. 输出当使用因为电压对频率交换器是脉冲火车以频率精确地比例与应用的输入电压。因而, 它提供电压对频率转换技术的所有固有,和容易申请在所有标准电压对频率交换器应用。因此LM231A/LM331A 获得一个新高水平准确性对能只被获得以昂贵的电压对频率转换.此外 LM231/331are 理想地适合用于数字系统在低电源电压, 可能提供便宜的数模转换在微处理器受控系统, 频率从一台电池操作的电压对频率交换器可能容易地开水道通过一简单提供隔离反对高的共同的方式水平的温度。

MPX2050;MPX2050 系列设备是硅piezoresistive 压力传感器提供a 高度准确和线性电压输出了- 直接地比例与应用的压力。传感器一张唯一, 整体硅膜片与应变仪和薄膜电阻器网络联合在芯片。芯片是激光 被整理为精确间距和垂距定标和温度报偿。

特点 :

温度补偿了结束0C 对+85C

唯一 硅剪应力测量仪

使用晶片载体包裹选择

Ratiometric 对电源电压

不同的测量仪选择

0.25% 线性(MPX2050)

应用例子

电动机/发电机 控制器

机器人学

液位显示

机器诊断

压力开关

无蔓延性血压测量

1传感器的有差别的电压产品与差别直接地是比例迫使. 差别或测量仪传感器增量的产品电压随着压力的增加向压力边(P1) 施加相对真空边(P2) 。同样, 产品电压增加当增长的真空向真空边(P2) 被申请相对压力边(P1) 。

注: 1. 1.0 kPa  合计0.145 psi 。

 2. 设备是ratiometric 在这个指定的励磁范围之内。操作设备在指定的励磁范围之上也许导致另外的错误由于设备自动加热。

3. 全方位间距(VFSS) 被定义作为代数区别在产品电压以充分的额定的压力和产品电压之间以极小的额定的压力。

 4. 垂距(Voff) 被定义作为产品电压以极小的额定的压力。 5. 准确性(错误预算) 包括以下:

线性: 从一条直线关系输出偏差以压力, 运用终点方法, 在指定的压力范围。 温度滞后作用: 输出偏差在任一个温度在操作温度范围之内, 在温度循环到/从极小或最大操作温度点之后, 与零的压差施加。压力滞后作用: 输出偏差以任一压力在指定的范围之内, 当这压力循环到/从极小值或最大额定的压力, 在25C 。 TcSpan: 输出偏差以充分的额定的压力在温度范围的0 到85C, 相对25C 。

TcOffset: 输出偏差以极小值对估计的压力施加, 在温度范围的0 向85?C, 相对25?C 。 6. 反应时间被定义如同时候为增加变化在产品上去从10% 到90% 它最后的价值当服从对一个指定的步变化在压力上。 7. 垂距稳定是产品的产品偏差当服从对1000 个小时脉压, 温度循环以偏压测试。

线性线性提到多么恰当变换装置的产品跟随等式: Vout = Voff + 敏感性x P 工作压力范围。有二个基本的方法为计算非线形性: (1) 终点直线适合了(参见图2) 或(2) 一条最小平方的最佳的线适合。当最小平方的适合给"最佳的案件" 线性错误(更低的数值), 演算必需是负担沉重的。相反地, 终点适合将给"最坏的案件" 错误(经常中意在错误预算演算) 并且演算是直接的为用户。Motorola 的指定的压力传感器线性根据终点直线方法被测量以中等长度范围压力。

特点低VOS: 75 _ V 最大低VOS 漂泊: 1.3 _ V/_C 最大超稳定对时间: 1.5 _ V/Month 最大低噪声: 0.6 _ V 页最大宽输入电压范围: _ 14 V 宽电源电压范围: 3 V 到18 V 适合725,108.A/308.A, 741, AD510 插口 125_C 温度测试了模子应用

OP07[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]

OP07 有非常低输入由整理获得在阶段的被抵销的电压(75V 最大为OP07E) 。这些低垂距电压一般消灭对外在使无效的任一需要。OP07 并且以低输入偏心当前(4 nA 为OP07E) 并且高开放环路的获取为特色(200 V/mV 为OP07E) 。低落抵销并且高开放环路的获取做OP07 特殊有用为高赢利仪器工作应用。

13 v 极小值的宽输入电压范围与高的CMRR 106 dB 结合了(OP07E) 并且高输入提供高准确性在电路配置。优秀线性和获取准确性可能被维护在高闭环获取。垂距和获取的稳定以时间或温度变化优秀。OP07 的准确性和稳定, 在高获取, 与解放被结合从外在使无效做了OP07 一个业界标准为仪器工作应用。OP07 是可利用的在二个标准表现等级。OP07E 被指定为操作在0?C 对70C 范围, OP07C 在-40?C 对+85?C 温度范围。OP07 是可利用的在环氧8 带领微型浸洗和8 带领SOIC 。这是直接替换为725,108.A, 和OP05 放大器; 741 类型也许由去除直接地替换741's 使无效的电位器。为改善的规格, 看见OP177 或OP1177 。为陶瓷垂度和TO-99 包裹和标准微电路(SMD) 版本, 看见OP77 。

应用信息 OP07 系列单位也许被替代直接地入725, 108.A/ 308.A * 和OP05 插口有或没有外在报偿或使无效的组分撤除。另外, OP07 也许被使用有 741 型插口。但是, 如果常规741 使无效的电路是在使用中, 它应该被修改或被取消使能适当的OP07 操作。OP07 垂距电压也许使无效到零通过对电位器的用途(参见垂距使无效的电路图) 。

精确度ABSOLUTE-VALUE 电路 OP07 供给稳定的操作装载电容500 pF 并且10 v 摇摆; 更大的电容应该被分离以50 Q 分离电阻器。离群热电电压由不相似的金属引起在联络对输入终端可能贬低漂泊表现。所以, 最佳的操作更好地将被获得当两输入联络被维护在同样温度, 紧挨包裹温度。

无线射频收发模块简介

1 .1 发射模块F05[ 23 ][ 24 ][ 25 ]

发射模块F05 原理如图1 所示。F05 采用声表谐振器稳频, SMT 树脂封装, 频率一致性较好, 免调试, 特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统; 而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差, 即使采用高品质微调电容, 温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。F05 具有较宽的工作电压范围及低功耗特性。当发射电压为3V 时, 发射电流约为2mA, 发射功率较小; 12V 为最佳工作电压, 具有较好的发射效果, 发射电流约为5~8mA, 大于l2V 时直流功耗增大, 有效发射功率不再明显提高。F05 系列采用AM 方式调制以降低功耗, 数据信号停止发射时发射电流降为零, 数据信号与F05 之间采用电阻而不能采用电容耦合, 否则F05 将不能正常工作。数据信号电平应接近F05 的实际工作电压以

获得较高的调制效果, F05 对过宽的调制信号易出现调制效率下降、收发距离变近的现象。当脉冲高电平宽度在0.08~1ms 时发射效果较好, 大于1ms 时效率开始下降; 当脉冲低电平宽度大于10ms 时, 接收到的数据第一位极易被干扰( 即零电平干扰) 而引起不解码。如采用CPU 编译码, 可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰; 如采用通用编解码器, 可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10ms 以抑制零电平干扰。F05 输入端平时应处于低电平状态, 输入的数据信号应是正逻辑电平, 幅度最高不应超过F05 的工作电压。FO5系列采用AM方式调制以降低功耗,数据信号停止,发射电流降为零,数据信号与FO5用电阻而不能用电容耦合,否则FO5将不能正常工作。数据电平应接近F05的实际工作电压以获得较高的调制效果,FO5对过宽的调制信号易引起调制效率下降,收发距离变近。当高电平脉冲宽度在0.08-1ms时发射效果较好,大于1ms后效率开始下降;当低电平区大于10ms,接收到的数据第一位极易被干扰(即零电平干扰)而引起不解码。如采用CPU编译码可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰,若是通用编解码器,可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10ms。FO5输入端平时应处于低电平状态,输入的数据信号应是正逻辑电平,幅度最高不应超过FO5的工作电压。F05T有4个功能引脚,因为体积小,无天线只能满足短距离使用,而天线对距离起着很大的作用,天线能否匹配 也是很关键,匹配良好的天线能增加几倍的距离,匹配不好的天线效果很差甚至会引起频率漂移。天线的长度取发射 频率的1/4,可以用一根直径0.5-1毫米,长度(433M)18厘米 (315M)24厘米的漆包线代替。但天线必须拉直,指向无所谓。短于1/4波长或弯曲的天线效果会很差。 FO5T 应垂直安装在印板边部,应离开周围器件5mm以上,以免受分布参数影晌而停振。FO5T发射距离与输入信号,发射电压,电池容量,发射天线及环境有关。

 1

F05 天线长度可在0~250mm 之间调节, 也可无天线发射, 但发射效率下降。FO5 应垂直安装在印板边部,应离开周围器件5mm以上,以免受分布参数影晌而停振。FO5发射距离与调制信号頻率幅度,发射电压及电池容量,发射天线,接收机灵敏度及收发环境有关。F05C 为改进型, 体积更小, 内含隔离调制电路以消除输入信号对射频电路的影响, 信号直接耦合, 性能更加稳定。F05 应垂直安装在印制板边部, 并应离开周围器件5mm 以上, 以免受分布参数影晌而停振。F05 发射距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电池容量、发射天线、接收机灵敏度及收发环境有关。

接收模块J05C[ 26][ 27 ][ 28 ]

 J05C 由超外差电路结构IC 芯片和温度补偿电路构成, 具有较高的接收灵敏度及稳定性,芯片内含低噪声射频放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、滤波器及限幅比较器, 输出为数据电平信号, 可直接接至标准解码器或CPU 解码器, 适合与ASK 方式的发射器配套使用, 适用于各种遥控报警器及单片机短距离数据传输设备。[ 29 ][30 ]

j05c由超外差电路结构ic芯片和温度补偿电路构成,具有较高的接收灵敏度及稳定性,如图2所示。芯片内含低噪声射频放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、滤波器及限幅比较器,输出为数据电平信号,可直接接至标准解码器或cpu解码器,适合与ask方式的发射器配套使用,适用于各种遥控报警器及单片机短距离数据传输设备。j05c模块具有休眠功能,当芯片9脚为高电平(vdd-3v以上)时,接收机可处于休眠状态,此时耗电约25μa。通常芯片9脚已接为低电平(0.8v以下),处于正常接收状态,若需休眠功能可自行改动。

j05c接收天线的长度为接收频率的1/4波长,约22cm,阻抗约37ω,为最佳匹配天线,但在实际应用中会受到各种条件限制,具本需试验确定。当信号较弱而干扰点又引起信号不稳时,可将天线剪去5cm也许会有所改善。也可采用螺旋天线或将天线直接做在pcb板上,甚至无天线接收,当然接收灵敏度要下降。匹配良好的收发天线能使收发模块性能达到最佳状态,而匹配不良的收发天线会使收发距离变得很近。

J05C最大数据传输速度为5kbps,调整内部电容值可达到20kbps,但过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率。如用于一般遥控报警器,不必使用过高的速率,现在遥控报警器普遍使用性价比较好的PT2262编解码及PT2272解码器,振荡电阻分别采用3.3MΩ和680kΩ即可有较好的收发距离(此电阻值必须精确)。如用于单片机收发系统,速率可取4.8kbps或2.4kbps,同时应兼顾到收射效率。当数据中有连续几个“1”且脉宽超过1ms时,会引起发射效率下降,而且太大的占空比及大低的频率易引起过调制。高电平脉宽在0.1~1ms范围内,收发效果较好。不合适的数据速率同样会影响到收发距离,甚至收不到信号。

J05C输出端可直接与标准解码器及单片机接收。J05C在未收到发射信号时可输出随机噪声,幅度为VDD-0.3V值;当收到信号时,噪声被抑制;当信号变弱时,出现噪声干扰点,此时信号处于不稳定区,若采用PT2272解码器解码仍可维持解码,若采用单片机解码则会因误码率增大而出现数据错误,此时可在数据位前加乱码抑制零电平状态干扰,最好工作在可靠区域以减小误码率。

J05C 接收频率分为315MHz 及433.92MHz 两种, 并具有较好的频宽及温度补偿特性, 可与一般精度的声表谐振器稳频的发射机及LC 发射机配套使用而不需要调整接收频率, 较宽的工作温度范围可适应各种工作环境。J05C 对电源要求不太苛刻, 可以使用开关电源, 并具有较宽的工作电压范围及低功耗特性, 2V 时只消耗约2mA 电流, 3V 时消耗约2.5mA 电流, 但5V 以下供电接收灵敏度要下降3~5dBm, 5V 供电可处于最佳接收灵敏度状态。J05C 模块具有休眠功能, 当芯片9 脚为高电平( VDD- 3V 以上) 时, 接收机可处于休眠状态, 此时耗电约25!A。通常芯片9 脚已接为低电平( 0.8V 以下) , 处于正常接收状态, 若需休眠功能可自行改动。J05C 接收天线的长度为接收频率的1/4 波长, 约22cm, 阻抗约37", 为最佳匹配天线, 但在实际应用中会受到各种条件限制, 具体需试验确定。当信号较弱而干扰点又引起信号不稳时, 可将天线剪去5cm 也许会有所

改善。也可采用螺旋天线或将天线直接做在PCB 板上,甚至无天线接收, 当然接收灵敏度要下降。匹配良好的收发天线能使收发模块性能达到最佳状态, 而匹配不良的收发天线会使收发距离变得很近。

5测量控制系统的软件设计

在本课题项目中,除了硬件电路设计外,软件实现也是该自动测控系统的重要环节。系统软件是测控系统的核心,它的正确与否直接影响整个系统能否正确,稳定的运行。

当用户通过键盘设定液位值为±30 cm 时,程序执行目标是使液位保持在±30 cm 时范围内,当液低于- 30 cm 时,开水泵上水,当水位高于±30 cm 时,关闭水泵;同理,当用户通过键盘设定液位值为±50 cm 时,动作相似;当水位处于危险高水位+ 75 cm 和危险低水位- 75 cm时,系统停炉。

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[18] Life support devices or systems are devices or systems which, (a) are intended for surgical implant into the body, or (b) support or sustain life, and

whose failure to perform when properly used in accordance with instructions for use provided in the labeling, can be reasonably expected to result in a significant injury to the user.

  [19]  A critical component is any component of a life support device or system whose failure to perform can be reasonably expected to cause the failure of the life support device or system, or to affect its safety or effectiveness.

[20] 胡汉才, 单片机原理及接口技术。 北京:清华大学出版社,2003

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