【摘要】: 針對(duì)當(dāng)前液態(tài)施肥機(jī)在液肥的精確及定量控制等方面存在的不足，以單片機(jī)作為控制核心，采用投入式液位傳感器進(jìn)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(shí)，通過(guò)單片機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明: 液位高度值各容量值測(cè)量誤差均滿足實(shí)際要求，可應(yīng)用于液態(tài)施肥機(jī)。
【引言】
液位包括液位信號(hào)器和連續(xù)液位測(cè)量?jī)煞N。液位信號(hào)器是對(duì)幾個(gè)固定位置的液位進(jìn)行測(cè)量，用于液位的上、下限報(bào)警等;連續(xù)液位測(cè)量是對(duì)液位連續(xù)地進(jìn)行測(cè)量，廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、定量施量、高爐沖渣水位測(cè)量、環(huán)境監(jiān)測(cè)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，具有非常重要的意義［1］。目前，對(duì)液位測(cè)量的精度要求不僅愈來(lái)愈高，且需要測(cè)量?jī)x能夠適應(yīng)一些特殊環(huán)境，如高溫、高壓、強(qiáng)放射性及強(qiáng)腐蝕性等條件。液態(tài)肥因其生產(chǎn)費(fèi)用低、肥效高、易吸收、節(jié)支增產(chǎn)效果顯著及施用過(guò)程中可以根據(jù)需要加入土壤所缺少的植物營(yíng)養(yǎng)元素等優(yōu)勢(shì)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(duì)液肥液位的精準(zhǔn)控制。目前市場(chǎng)上，液位控制系統(tǒng)大致可分為以下兩種[3]：
1)機(jī)械式控制系統(tǒng)。機(jī)械式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉;但這種控制裝置故障多、誤動(dòng)作多，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)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(guò)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(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、A/D 變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算與給定量的比較，進(jìn)行PID 運(yùn)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(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水位的目的。
本文以液態(tài)施肥機(jī)為依托，針對(duì)一定體積的液肥進(jìn)行液位試驗(yàn)，通過(guò)以單片機(jī)和投入式液位計(jì)為主要硬件資源設(shè)計(jì)硬件電路，畫(huà)出相應(yīng)的軟件流程圖進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證表明:該傳感器在液肥液位測(cè)量中安裝維護(hù)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(cè)量誤差也滿足實(shí)際要求。
1 系統(tǒng)工作原理及組成
微壓式液位計(jì)采用的是壓力敏感元件實(shí)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為4 ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。
若設(shè)所測(cè)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(shí)，為抵消大氣壓力變化所帶來(lái)的測(cè)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(fù)壓腔，進(jìn)而使p = ρgh 。顯然，若已知液體密度，通過(guò)測(cè)取壓力p 就可換算出相應(yīng)的液位高度。
1． 1 單片機(jī)選型
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快，考慮到功能和成本兼顧，采用以擴(kuò)展性51 系列單片機(jī)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(yùn)算速度是普通8051的8 ～ 12 倍［4］，滿足系統(tǒng)對(duì)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(jì)方案圖如圖1 所示。
1． 2 投入式液位計(jì)選型
對(duì)液位的測(cè)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(cè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換，利用這一特性來(lái)完成對(duì)液位的測(cè)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(diǎn)包括:①能實(shí)時(shí)測(cè)量罐內(nèi)各點(diǎn)液位;②直流4 ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出;③密封性好，測(cè)量元件不與液肥直接接觸，避免了液肥對(duì)元件的腐蝕。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2． 1 電源電路設(shè)計(jì)
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(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源，能輸出1． 5A 的開(kāi)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(shí)，+ 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(jìn)行儲(chǔ)存能量。此時(shí)，二極管D3是
防止電容C3對(duì)地放電，并由電容C3向負(fù)載供電;若TIP122 斷開(kāi)時(shí)，電感L 及12V 的輸入電壓對(duì)電容C3充電的同時(shí)電容C3對(duì)負(fù)載供電，負(fù)載電壓穩(wěn)定在+ 24V，穩(wěn)壓的負(fù)反饋信號(hào)是電阻R7、R8的分壓輸入到MC36063 的5 腳。
2． 2 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
硬件部分的核心為STC12C5412AD，工作電壓由LM2576 從24V 轉(zhuǎn)變?yōu)?V 來(lái)提供。同時(shí)，用MCU 的3 個(gè)輸出引腳P1． 1、P1． 2、P1． 3 連接串并轉(zhuǎn)換芯片74HC595，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)發(fā)光二極管，每個(gè)二極管分為閃、亮2段，共16 段，通過(guò)燈的閃亮和4 個(gè)數(shù)碼管顯示的罐內(nèi)液體容積值來(lái)記錄相關(guān)液位數(shù)據(jù)。其檢測(cè)電路原理圖如圖3 所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件是利用51 系列單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)工具來(lái)進(jìn)行C 語(yǔ)言設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)入主循環(huán)，定時(shí)中斷處理程序是對(duì)74HC595 的輸出進(jìn)行控制。系統(tǒng)主程序流程如圖4 所示。
4 數(shù)據(jù)測(cè)試及分析
4． 1 測(cè)試條件
為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性，基于所測(cè)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(yàn)原理，搭建實(shí)際的電路。用現(xiàn)有的播種機(jī)儲(chǔ)液罐作為容器可容納近1 000L 的液體。其實(shí)際測(cè)量高度如圖5所示。因液肥與水密度相近，所以用水作為測(cè)試對(duì)象，在正式用液肥時(shí)驗(yàn)證誤差，算出修正系數(shù)，再寫(xiě)入單片機(jī)中進(jìn)行校正。
首先將液位計(jì)正確安裝于儲(chǔ)液罐底部，接通電源后利用串有流量計(jì)的電泵開(kāi)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(shí)，用萬(wàn)用表讀取液位計(jì)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(jì)顯示的實(shí)際注水容量，再用米尺丈量水的實(shí)際液位高度。試驗(yàn)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(duì)表1 的壓力與容量及液位高度數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)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(jiàn):電壓與容量及液位高度之間確實(shí)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(jī)工作時(shí)，可以根據(jù)LED 燈來(lái)判斷其液位高度，用數(shù)碼管來(lái)顯示其容量。分析對(duì)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(fù)數(shù)除了與傳感器的安裝位置及儲(chǔ)液罐的形狀有關(guān)以外，和換算容量的基點(diǎn)(零點(diǎn))也相關(guān)。因此，可以重新選一個(gè)容量和高度基點(diǎn)來(lái)解決。
5 結(jié)論
以STC12C5412AD 單片機(jī)為核心的液肥檢測(cè)系統(tǒng)，可以動(dòng)態(tài)地顯示液位及容量的變化，實(shí)用性較強(qiáng)，且成本低廉。在隨機(jī)的測(cè)量試驗(yàn)中，節(jié)省了人力及物力，同時(shí)也提高了檢測(cè)的效率。該投入式液位計(jì)體積小巧、使用方便、維護(hù)成本不高，優(yōu)于其他如超聲波傳感器。試驗(yàn)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(cè)量，為液肥播種機(jī)的進(jìn)一步智能化奠定了一定的實(shí)踐基礎(chǔ)，對(duì)其它的液位測(cè)量也具有較好的借鑒作用。
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