潮汐自動測量設(shè)備及其實(shí)現(xiàn)方法

蘇章良

摘要：潮汐水位測量設(shè)備也稱為潮汐水位計(jì)，它是一種在特定場合用于液位測量設(shè)備的測量儀器。該設(shè)備可廣泛用于防洪液位檢測，水庫水位檢測，?？诔毕人粰z測。本文介紹了設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，并從硬件和軟件兩個(gè)方面對設(shè)備的基本組成框架進(jìn)行了分析，最后簡要介紹了其實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵字：潮位計(jì)；壓力;測量;傳感器

中文圖書館分類號：P731文檔標(biāo)記代碼：A

1方案設(shè)計(jì)

該程序的基本原理是，壓力傳感器使用水壓與水位之間的比例關(guān)系來計(jì)算水面深度。壓力傳感器的基本工作方法是使用硅油將壓力從不銹鋼，鈦合金或鎳合金膜片傳遞到傳感元件，從而測量表壓，絕對壓力或壓差。該程序使用單片機(jī)系統(tǒng)讀取壓力傳感器的測量值，并通過內(nèi)置程序或后處理方法轉(zhuǎn)換并存儲原始數(shù)據(jù)比率。

設(shè)備的總體程序框架主要由以下六個(gè)方面組成。 1）數(shù)字信號處理器，它讀取，轉(zhuǎn)換，存儲和傳輸收集的信號。 2）傳輸接口，用于將存儲的壓力值或其他設(shè)備信息傳輸?shù)絇C。 3）電源系統(tǒng)為每個(gè)模塊供電，以確保每個(gè)功能元件的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行。 4）壓力傳感器，用于將水體的壓力值轉(zhuǎn)換為可讀的電信號[1]。 5）精密ADC轉(zhuǎn)換器，它將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為可由單片機(jī)讀取的數(shù)字信號。 6）內(nèi)存芯片，用于存儲測量的信息?；竟δ芸蚣苋鐖D1所示。

電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)組件供電。 ADC轉(zhuǎn)換器收集壓力傳感器的模擬量后，通過內(nèi)部多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)差分輸入，并且信號由PGA放大。內(nèi)置的16位ADC通過數(shù)字濾波和數(shù)字接口轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)定期讀取數(shù)據(jù)后，將其存儲在存儲芯片中。當(dāng)用戶需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，通過外圍RS-232接口將其連接到單片機(jī)，以讀取存儲在芯片中的壓力數(shù)據(jù)。

潮汐測量儀設(shè)備永久放置在水體下面。由于其特殊的應(yīng)用場合和使用環(huán)境，有必要確保設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，為了滿足小型化設(shè)計(jì)的需要，所有組件的選擇原則是盡可能選擇小型功能設(shè)備。

2硬件設(shè)計(jì)

2. 1 MCU設(shè)計(jì)

選擇STM32超低功耗：STM32Lx系列單片機(jī)，該單片機(jī)的待機(jī)模式功耗低至0. 28 uA，低功耗運(yùn)行模式為1 0. ] 9 uA。主要功能和接口包括14通道ADC，2通道DAC，兩個(gè)I2C接口，兩個(gè)SPI接口和三個(gè)UART接口。閃存：64 K，EEPROM：4 K，RAM：32K。豐富的接口資源和超低功耗可滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。其工作電壓范圍為1. 65 V?3. 6 V，可以適應(yīng)在單個(gè)電池供電的環(huán)境中工作。工作溫度為-40℃?+ 105℃，確保在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。在此設(shè)計(jì)中，資源分配通過SPI 1接口連接到存儲芯片，I??2C 1接口連接到ADC放大器，UART 1接口連接到外部接口，以通過RS-與PC進(jìn)行通信。 232轉(zhuǎn)換芯片。

2. 2電源設(shè)計(jì)

整機(jī)設(shè)備要求無故障工作4到5年的超長時(shí)間，這對整機(jī)的電源設(shè)計(jì)和功耗提出了嚴(yán)格的要求。該二次電源系統(tǒng)使用AA型不可充電鋰電池供電，電池材料為亞硫酰氯鋰

（Li-SOCl 2），這種電池具有高容量自動測量設(shè)備，高電流輸出特性，適用于各種苛刻的高低溫環(huán)境，以及高容量，高電壓要求。電池的標(biāo)稱電壓是3. 6 V，-60℃?+ 85℃的超寬工作溫度范圍，可以滿足各種溫度使用環(huán)境，有效期為10年，可以確保對設(shè)備進(jìn)行測量。在水底很長時(shí)間沒有間斷。

通過DC / DC降壓-升壓電源芯片將整個(gè)機(jī)器調(diào)節(jié)至3. 3 V，以向其他組件和設(shè)備供電。穩(wěn)壓芯片采用TI生產(chǎn)的TPS63802芯片，體積僅為3mm×2mm。作為低功率系統(tǒng)，功率芯片的IQ值參數(shù)的選擇尤為關(guān)鍵。該芯片的工作靜態(tài)電流（IQ）僅11 uA，這極大地降低了功耗，并在極小的負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了高效率。該芯片具有省電模式和PWM模式，可以在定義的閾值內(nèi)切換模式，以避免在模式內(nèi)進(jìn)行不必要的切換，從而減少輸出電壓紋波。同時(shí)，在芯片的輸入和輸出端放置合適的高容量和低容量偏置電容器以及旁路電容器，以減少電源波動并消除高頻紋波。該芯片是可調(diào)節(jié)的輸出DC / DC，可以通過FB引腳配置來調(diào)節(jié)輸出電壓。典型的工作電路如圖2所示。

單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制終端，直接使用電池供電，避免了DC / DC電源帶來的效率損失，并優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的電源輸出。當(dāng)不需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，需要將整臺機(jī)器控制在最低功耗水平。單片機(jī)控制外圍設(shè)備的電源關(guān)閉，并使自身進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在設(shè)置的讀取周期時(shí)間內(nèi)，設(shè)備會立即喚醒以收集讀數(shù)值并將其存儲。

2. 3傳感器設(shè)計(jì)

壓力傳感器采用86C系列型號。這種類型的傳感器使用316不銹鋼隔離膜來傳導(dǎo)壓力，并真空封裝在316不銹鋼外殼中，該外殼可以適應(yīng)各種腐蝕性測量液體。為了長時(shí)間滿足設(shè)備的測量精度，必須保證壓力傳感器的性能具有低溫度漂移和自動補(bǔ)償功能。根據(jù)不同的測量范圍，會有不同的補(bǔ)償范圍。選擇壓力范圍≥0. 1 MPa的壓力傳感器，并具有在-20℃至+85℃的工作范圍內(nèi)的自動溫度補(bǔ)償技術(shù)。傳感器的陶瓷基板包含一個(gè)激光校正電阻，該電阻可以對傳感器執(zhí)行溫度補(bǔ)償和偏移校正。同時(shí)，基板上還有另一個(gè)激光校正電阻，可調(diào)節(jié)外部差分電路放大器并提供1％的范圍互換性。溫度傳感器具有±0. 1％Span /年的長期穩(wěn)定性和±0. 1％Span /年的長期偏移，可以確保長期的測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。時(shí)間。

該設(shè)備使用TI的ADS1xx系列模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并且封裝尺寸僅為3 mm×3 mm。該芯片具有可編程的16位精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并集成了多種功能，以降低成本并減少小型傳感器應(yīng)用中的組件數(shù)量。該芯片具有一個(gè)輸入多路復(fù)用器（MUX），可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)搜索輸入或4個(gè)單端輸入；以及一個(gè)低噪聲可編程增益放大器（PGA），可以放大和采樣傳感器增益。當(dāng)采樣率設(shè)置為20 SPS時(shí)，可獲得16位無噪聲分辨率，并提供50 Hz和60 Hz抑制。系統(tǒng)使用AIN0和AIN1作為連接傳感器的差分輸入端子，將AIN2配置為可編程電流源，并將1 mA電流輸出設(shè)置為壓力傳感器的激勵(lì)電流源。

完成上述初始化后，系統(tǒng)讀取傳感器值，在軟件內(nèi)部轉(zhuǎn)換壓力和水深比，并將其存儲在系統(tǒng)內(nèi)存中。同時(shí)，原始數(shù)據(jù)可以直接存儲并保存到PC進(jìn)行后處理[2]。

3個(gè)軟件驅(qū)動程序

設(shè)備通過配置單片機(jī)來配置和控制每個(gè)功能模塊，并且必須將單片機(jī)配置為低功耗模式。具體模式如下：當(dāng)不需要處理數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入睡眠模式，在處理數(shù)據(jù)時(shí)以1 0. 9 uA的低功耗運(yùn)行模式運(yùn)行，將存儲芯片配置為1 uA掉電模式，配置ADC芯片在睡眠模式下運(yùn)行，僅在需要讀取或?qū)懭胄酒瑫r(shí)才喚醒存儲芯片。

單片機(jī)通過I2C接口與ADC芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。加載軟件后，首先初始化I2C總線，以確保單片機(jī)可以與ADC芯片正常通信。配置ADC芯片的多路復(fù)用器MUX以實(shí)現(xiàn)搜索和除法的輸入功能，將可編程增益放大器的放大增益配置為128自動測量設(shè)備，并以20 SPS的采樣率進(jìn)行采樣。

4個(gè)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

潮汐液位計(jì)設(shè)計(jì)為圓柱狀，壓力傳感器安裝在圓柱體下方。整個(gè)機(jī)器組裝完畢后，將打開電源。系統(tǒng)配置每個(gè)模塊的功能，初始化傳感器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并讀取空氣中的壓力值以進(jìn)行差值匹配。測量時(shí)，將設(shè)備通過電纜（不銹鋼繩）放入要測量的水體中，并使隔離膜與水面平行。設(shè)備通常在一個(gè)測量時(shí)間段內(nèi)取出水面，通過防水的RS-232接口與PC通訊，讀取設(shè)備中存儲的壓力值，并可以通過該時(shí)間段查看該時(shí)間段內(nèi)的液位/潮位。后處理軟件變化的趨勢和價(jià)值。

潮汐水位計(jì)當(dāng)前的主要應(yīng)用方向是各種海洋工程，水路工程，防洪工程和水庫測量工程。作為一種自動測量工具，它代替了原來的手動測量工作，大大提高了測量工作的效率，節(jié)省了時(shí)間和人力資源成本。

參考

[1]劉傳喜，袁昭平，陳麗萍。傳感器與檢測技術(shù)第二版[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，201 7.

[2]吳建平。傳感器原理與應(yīng)用[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，201 6.