0引言
　　液(ye)位包(bao)括液(ye)位信号器(qi)和連續(xu)液(ye)位測(ce)量兩(liang)種。液位信(xin)号器是對(dui)幾個(ge)固定位置的液(ye)位進行測(ce)量，用(yong)于液(ye)位的(de)上、下(xia)限報警等(deng);連續(xu)液位測(ce)量(liang)是對(dui)液位連續(xu)地進(jin)行測(ce)量，廣(guang)泛應(ying)用于農(nong)田(tian)灌溉、定量(liang)施(shi)量、高爐(lu)沖渣(zha)水位(wei)測量、環境(jing)監(jian)測(ce)等農(nong)業生産領域，具(ju)有非(fei)常重要的(de)意義。目(mu)前，對液(ye)位測(ce)量(liang)的精度(du)要求不僅愈來(lai)愈高(gao)，且(qie)需要測(ce)量儀能(neng)夠适應(ying)一些(xie)特(te)殊環境(jing)，如高溫、高壓、強(qiang)放射(she)性及強腐(fu)蝕性等條件。液(ye)态肥(fei)因(yin)其生産(chan)費用(yong)低、肥(fei)效高(gao)、易吸(xi)收、節(jie)支增(zeng)産效(xiao)果顯(xian)著及(ji)施用(yong)過程中可(ke)以根據(ju)需(xu)要加入土壤所缺少(shao)的植物(wu)營(ying)養元(yuan)素等(deng)優勢(shi)迅速(su)得到了廣(guang)泛應用。而(er)變量(liang)施肥(fei)作爲農業的重要部(bu)分，其技術(shu)基礎(chu)就是(shi)對液(ye)肥液(ye)位的準确(que)控制(zhi)。目前(qian)市場(chang)上，液(ye)位(wei)控(kong)制系(xi)統大緻可(ke)分爲(wei)以下(xia)兩(liang)種:
1)機械(xie)式控制系(xi)統。機(ji)械式(shi)控制系統(tong)結構(gou)簡(jian)單(dan)、成本(ben)低廉(lian);但(dan)這種控(kong)制裝置(zhi)故(gu)障多(duo)、誤動作(zuo)多，且隻(zhi)能單(dan)獨控制，與(yu)計算(suan)機(ji)進行通(tong)信較(jiao)難實現。
2)交流調(diao)壓(ya)/變(bian)頻調(diao)速控制系(xi)統。該系統(tong)是通過安(an)裝在水(shui)泵出口(kou)管道(dao)上的壓力(li)傳感器，把(ba)出口壓力(li)變(bian)成标準(zhun)工業電(dian)信(xin)号的(de)模拟(ni)信号(hao)，經過(guo)前置放大(da)、多路(lu)切換、A/D變換成數(shu)字信(xin)号傳(chuan)送到(dao)單片(pian)機(ji)，經單片(pian)機運算(suan)與(yu)給定(ding)量的(de)比較(jiao)，進行(hang)PID運算，得出(chu)調節(jie)參量(liang);經由D/A變換(huan)給調(diao)壓/變頻調(diao)速裝(zhuang)置(zhi)輸入給(gei)定端(duan)，控(kong)制其輸(shu)出電壓(ya)變化，來(lai)調節電(dian)機(ji)的轉速，以(yi)達到(dao)控制(zhi)水位(wei)的目(mu)的。
　　本文以液(ye)态施肥(fei)機爲依(yi)托(tuo)，針對(dui)一定(ding)體(ti)積的液(ye)肥進行液(ye)位試(shi)驗，通(tong)過以單片(pian)機和(he)投入(ru)式液(ye)位計(ji)爲主(zhu)要硬(ying)件資源(yuan)設(she)計硬件電(dian)路，畫出相(xiang)應的(de)軟件流程(cheng)圖進(jin)行測試。數(shu)據分(fen)析驗(yan)證表(biao)明:該(gai)傳感(gan)器在(zai)液肥液位(wei)測量中安裝維護方(fang)便，能(neng)适應(ying)液肥這種特(te)殊環境(jing)，其容量(liang)和液位(wei)高度(du)的測(ce)量誤(wu)差也(ye)滿足實際(ji)要求。
1系(xi)統工作(zuo)原理及(ji)組成
　　微(wei)壓式(shi)液位計采(cai)用的是壓(ya)力敏感元(yuan)件實(shi)現力(li)－電轉換(huan)。傳(chuan)感器的液(ye)位量程是(shi)0～1．3m，且這段(duan)量(liang)程液(ye)位所(suo)對應的深(shen)度約(yue)合(he)壓(ya)力相(xiang)比其(qi)他(ta)要(yao)小很(hen)多，因而(er)稱其爲(wei)“微壓式”。本系統(tong)是所(suo)選(xuan)的(de)正是(shi)微壓式傳感器(qi)，它将液位(wei)信号(hao)轉換爲4～20mA标準電(dian)信号輸出(chu)。
　　若設所測(ce)液體(ti)密度(du)爲ρ，液位高度爲h，大氣(qi)壓(ya)爲(wei)ρ0，重力(li)加速(su)度(du)爲(wei)g，則液(ye)體所(suo)受(shou)壓力p=ρgh+ρ0。這(zhe)時，爲抵消大氣壓力(li)變化所帶(dai)來的測量(liang)誤差(cha)，傳感器(qi)變(bian)送器(qi)部分采用導氣(qi)電纜(lan)将(jiang)大(da)氣壓(ya)力ρ0引入敏感元(yuan)件的(de)負(fu)壓(ya)腔，進(jin)而使p=ρgh。顯然(ran)，若已(yi)知液體密度，通(tong)過測(ce)取壓力p就(jiu)可換(huan)算出相應(ying)的液位高(gao)度。
1．1單(dan)片機(ji)選型
　　該系(xi)統結構(gou)相(xiang)對簡單、運(yun)行(hang)速度快(kuai)，考慮到功能和成本(ben)兼顧，采用(yong)以擴展(zhan)性51系列(lie)單片(pian)機STC12C5412AD爲核心(xin)控制元件。該芯(xin)片具(ju)有(you)12kB用戶可(ke)自行安排(pai)的FLASH及(ji)FEPROM空間(jian)比例;在同(tong)樣的工作(zuo)頻率(lü)下，平均(jun)指令運(yun)算速度(du)是(shi)普通(tong)8051的8～12倍(bei)［4］，滿足(zu)系統(tong)對數據處(chu)理的要求，且(qie)掉(diao)電模(mo)式可由外部中(zhong)斷喚(huan)醒，适(shi)用車(che)載信(xin)息(xi)系統。系(xi)統設(she)計方(fang)案圖(tu)如圖1所

1．2投入式(shi)液位(wei)計選型
　　其(qi)基于所測(ce)液體(ti)靜壓(ya)與(yu)該液體(ti)的高度成(cheng)比例(li)的原理，再(zai)将靜(jing)壓轉換爲(wei)電信号，實現非(fei)電量(liang)到電(dian)量的變換(huan)，利用(yong)這一特性(xing)來完(wan)成對液位(wei)的測量(liang)。主(zhu)要技(ji)術參數如(ru)下:量程1．3m，精度0．5%Fs，電壓18～36VDC，輸(shu)出4～20mA。
其優(you)點(dian)包括(kuo):①能實(shi)時(shi)測量罐(guan)内各點(dian)液(ye)位;②直(zhi)流4～20mA标(biao)準(zhun)電(dian)流信(xin)号輸(shu)出(chu);③密(mi)封性(xing)好，測(ce)量元件不(bu)與液(ye)肥直(zhi)接接觸，避(bi)免了液肥(fei)對元(yuan)件的(de)腐蝕。
2硬件(jian)電路設計(ji)
2．1電源電(dian)路(lu)設計
　　電源(yuan)電(dian)路(lu)圖如(ru)圖2所示(shi)。圖(tu)2中，爲(wei)了保(bao)證液位傳(chuan)感器能(neng)獲(huo)得24V的(de)直流(liu)供電，選用(yong)具有DC－DC單(dan)片(pian)控制(zhi)電路(lu)功(gong)能(neng)的MC34063芯(xin)片，片(pian)内包(bao)含有溫度補(bu)償帶隙(xi)基準源，能(neng)輸出1．5A的開(kai)關(guan)電源，且(qie)是使用(yong)最(zui)少的(de)外接(jie)元件構成(cheng)的升壓(ya)變換器(qi)、降壓(ya)變(bian)換器和(he)電源(yuan)反向器［5］。

　　本(ben)系統(tong)電源(yuan)電路(lu)采用具有(you)升壓(ya)轉換(huan)作用(yong)的MC34063芯(xin)片，與(yu)電(dian)感(gan)L、二極(ji)管D3、三(san)極管(guan)TIP122一起(qi)構成電源(yuan)電路(lu)。若TIP122導通(tong)時，+12V的輸(shu)入電(dian)壓經(jing)采樣(yang)限流(liu)電阻R1、R2，流經(jing)電感(gan)L，随着電感(gan)L電流(liu)增加(jia)，其兩(liang)端進行儲存能(neng)量。此(ci)時，二極管(guan)D3是防(fang)止電(dian)容C3對地放(fang)電(dian)，并(bing)由電(dian)容C3向(xiang)負(fu)載供電(dian);若TIP122斷開時，電感(gan)L及12V的輸入電壓(ya)對電(dian)容(rong)C3充(chong)電的(de)同時(shi)電容C3對負(fu)載供電，負載電(dian)壓穩定在(zai)+24V，穩壓(ya)的負(fu)反饋信号(hao)是電阻R7、R8的(de)分壓(ya)輸入(ru)到(dao)MC36063的5腳。
2．2檢(jian)測電路設(she)計
　　硬(ying)件部(bu)分的核心(xin)爲STC12C5412AD，工作電(dian)壓由(you)LM2576從24V轉(zhuan)變爲5V來提(ti)供。同時，用(yong)MCU的3個(ge)輸出引(yin)腳(jiao)P1．1、P1．2、P1．3連接(jie)串并(bing)轉換芯片74HC595，就可(ke)實(shi)現(xian)對系(xi)統所有(you)的(de)顯示(shi)功能(neng)及顯(xian)示元(yuan)件的控(kong)制(zhi)。圖3中的74HC595芯(xin)片Q0～Q7共8位輸(shu)出控(kong)制(zhi)8個發光(guang)二極管(guan)，每個二(er)極管分(fen)爲閃、亮(liang)2段，共16段，通(tong)過燈(deng)的閃亮和4個數(shu)碼管(guan)顯(xian)示的罐(guan)内液體容(rong)積值來記(ji)錄(lu)相關液(ye)位數(shu)據。其(qi)檢測電路(lu)原理圖如(ru)圖3所示。

3系(xi)統軟(ruan)件設計
　　系(xi)統軟(ruan)件是利用(yong)51系列單片機集成開(kai)發工具來(lai)進行(hang)C語言(yan)設計(ji)，采用(yong)模塊化(hua)設(she)計方(fang)式，由(you)系統與監(jian)控程序(xu)一(yi)起管(guan)理執(zhi)行。系統軟(ruan)件主要(yao)由主程序、初(chu)始(shi)化程序(xu)、定時(shi)中斷(duan)處理(li)程序組成。其中(zhong)，系統主程序包(bao)括A/D轉(zhuan)換子程序(xu)及顯(xian)示子(zi)程序(xu)。系統(tong)初始化後(hou)進入主循(xun)環，定(ding)時中(zhong)斷處理程(cheng)序是(shi)對74HC595的(de)輸出(chu)進行控制。系統(tong)主程(cheng)序流程如(ru)圖4所(suo)示。

4數據測(ce)試及分析(xi)
4．1測試(shi)條件(jian)
　　爲驗證本(ben)設計的可行性(xing)，基于所(suo)測(ce)液體(ti)靜壓與(yu)該(gai)液體(ti)的高度(du)成(cheng)比例(li)，再将靜(jing)壓轉換爲電(dian)壓的(de)試驗(yan)原理，搭建(jian)實際的電(dian)路。用現有(you)的播種機儲液(ye)罐作爲容(rong)器可(ke)容納近1000L的(de)液體(ti)。其實(shi)際測量高(gao)度如圖(tu)5所(suo)示。因液肥(fei)與水密度(du)相近，所以(yi)用水作爲(wei)測試對象(xiang)，在正式用(yong)液肥(fei)時驗(yan)證誤(wu)差，算(suan)出修正系(xi)數，再(zai)寫入單片機中(zhong)進行校正(zheng)。


　　首先(xian)将液(ye)位(wei)計(ji)正确(que)安裝于(yu)儲(chu)液罐(guan)底部(bu)，接(jie)通電源(yuan)後利用串(chuan)有流量計(ji)的電泵開(kai)始注水，注意觀察液位的(de)變化(hua)，待快到(dao)預先暫定的(de)水容(rong)量處(chu)關閉電源(yuan)。此時(shi)，用萬用表讀取(qu)液位計(ji)處(chu)理後(hou)的電(dian)壓值、記錄(lu)表示(shi)高(gao)度(du)顯示(shi)的LED的(de)燈/閃數及(ji)流量(liang)計顯示的(de)實際(ji)注水(shui)容量(liang)，再用米尺(chi)丈量(liang)水的實際液位(wei)高度。試(shi)驗(yan)結果如表(biao)1所示。
4．2數據(ju)分析(xi)
　　觀察表1的(de)數據之間存在(zai)某種線(xian)性關系，用Mat-Lab對(dui)表1的壓力(li)與容(rong)量及(ji)液位高度(du)數據進行(hang)一次(ci)曲線拟合，如圖(tu)6所示(shi)。

　　根據(ju)圖6的拟合曲線，可得到對應的(de)回歸(gui)方程(cheng)爲
y1=513．0775x－542．8718
y2=45．1123x－39．7716其中，x代表(biao)電壓;y1爲(wei)容量(liang);y2爲液位高(gao)度。
由(you)此可見:電(dian)壓與容(rong)量(liang)及液位高(gao)度(du)之間确(que)實存(cun)在良(liang)好的線性相關性，且(qie)從表(biao)1中也(ye)可以看出(chu)LED燈的(de)亮、閃(shan)數随液位(wei)高度而變化。　　因(yin)此，一(yi)旦配(pei)比好(hao)定量(liang)的液(ye)肥，在(zai)變量(liang)施肥機工作時，可以(yi)根據LED燈來(lai)判斷其液位高度，用(yong)數碼管來(lai)顯示其(qi)容量。
分(fen)析對(dui)比(bi)表2的數(shu)據可知:液位高(gao)度誤(wu)差在允許(xu)範圍之内(nei)，拟合(he)容量(liang)的負(fu)數除(chu)了與傳感器的(de)安裝位置及儲(chu)液罐的形狀有(you)關以(yi)外，和(he)換算(suan)容量的(de)基(ji)點(零點)也相(xiang)關。因此(ci)，可以(yi)重(zhong)新選一(yi)個容(rong)量和高度(du)基點(dian)來(lai)解(jie)決。

5結(jie)論
　　以STC12C5412AD單片(pian)機爲(wei)核心的液(ye)肥檢測系統(tong)，可以動(dong)态地顯示(shi)液位(wei)及容(rong)量的(de)變化(hua)，實用(yong)性(xing)較(jiao)強，且(qie)成本(ben)低廉。在随(sui)機的測量(liang)試驗中，節(jie)省了人力(li)及物(wu)力，同(tong)時也(ye)提高了(le)檢(jian)測的(de)效率。該(gai)投(tou)入式(shi)液位(wei)計(ji)體(ti)積小(xiao)巧、使(shi)用方便、維(wei)護成(cheng)本不高，優(you)于其他(ta)如超聲波傳(chuan)感器。試驗(yan)數據(ju)分析(xi)表明(ming):該微(wei)壓傳感器(qi)性能指标能滿(man)足較(jiao)高精度要(yao)求的測量(liang)，爲液(ye)肥播(bo)種(zhong)機(ji)的進(jin)一步智能(neng)化奠(dian)定了(le)一定(ding)的實(shi)踐基礎，對(dui)其它的液位測量也(ye)具有較(jiao)好(hao)的借(jie)鑒作(zuo)用。

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