0引言(yán)
　　液位包括液位信号器(qì)和連續液(yè)位測(cè)量兩(liǎng)種。液位信(xìn)号器是對(duì)幾個固定位置的液(yè)位進(jìn)行(háng)測(cè)量，用(yòng)于液位的上、下(xià)限報警等;連續(xù)液位測量(liàng)是對(duì)液位連續(xù)地進行測(cè)量(liàng)，廣泛應用于農田(tián)灌溉(gài)、定量施量(liàng)、高爐(lú)沖渣水位(wèi)測量、環境監(jiān)測等農(nóng)業生(shēng)産領域，具有非常重(zhòng)要的(de)意義(yì)。目前，對液(yè)位測量的(de)精度(dù)要求不(bú)僅(jǐn)愈來愈高(gāo)，且(qiě)需要測(cè)量儀能夠(gòu)适應(yīng)一些(xiē)特(tè)殊環境(jìng)，如高溫、高(gāo)壓、強(qiáng)放射(shè)性(xìng)及強腐(fǔ)蝕性等條件。液(yè)态肥因其生産(chǎn)費用低、肥效(xiào)高(gāo)、易吸(xī)收、節支增(zēng)産效果(guǒ)顯(xiǎn)著及(jí)施用(yòng)過(guò)程中可(kě)以根(gēn)據需(xū)要加(jiā)入土(tǔ)壤所缺(quē)少(shǎo)的植物營養元(yuán)素等優勢迅速得到了(le)廣(guǎng)泛應用。而變量(liàng)施肥(féi)作爲農業(yè)的重要部(bù)分，其(qí)技術(shù)基礎就是對液(yè)肥液位的準确(què)控(kòng)制。目前(qián)市場(chǎng)上，液(yè)位控制系(xì)統大緻(zhì)可(kě)分爲以下(xià)兩種(zhǒng):
1)機械式控制系統。機(jī)械式(shì)控制系統(tǒng)結構簡(jiǎn)單(dān)、成本(běn)低廉(lián);但這種控(kòng)制裝(zhuāng)置(zhì)故(gù)障多(duō)、誤動作多，且隻(zhī)能(néng)單獨控制，與(yǔ)計算機進行(háng)通(tōng)信較難實(shí)現。
2)交(jiāo)流調壓(yā)/變頻調速控(kòng)制系統。該(gāi)系統(tǒng)是通過安(ān)裝在水泵出口管道上的(de)壓力(lì)傳感器，把(bǎ)出口壓力(lì)變成标準(zhǔn)工(gōng)業(yè)電信号的(de)模拟(nǐ)信号，經過前置放大(dà)、多路(lù)切換(huàn)、a/d變(biàn)換(huàn)成數(shù)字信号傳送到(dào)單片機，經(jīng)單片(piàn)機運算與(yǔ)給定(dìng)量的比較(jiào)，進行(háng)pid運算，得(dé)出調節(jiē)參量;經由(yóu)d/a變換(huàn)給調壓/變頻調(diào)速裝置輸入給(gěi)定端，控制(zhì)其輸出電壓變化，來(lái)調節電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以(yǐ)達到(dào)控制(zhì)水位(wèi)的目(mù)的。
　　本(běn)文以液态(tài)施肥機爲依托(tuō)，針對一定體積(jī)的液肥進行液(yè)位試驗，通(tōng)過以單(dān)片(piàn)機和投(tóu)入(rù)式液位計爲(wèi)主要硬件資源設(shè)計硬件電路，畫出相(xiàng)應的軟件流程(chéng)圖進行測(cè)試。數(shù)據分(fèn)析驗證表(biǎo)明:該傳感(gǎn)器在(zài)液(yè)肥液位(wèi)測量(liàng)中安裝維護方(fāng)便，能适應(yīng)液肥(féi)這種特殊環境(jìng)，其容量和液位(wèi)高度的測(cè)量誤(wù)差也滿足(zú)實際要求(qiú)。
1系統工作(zuò)原理及(jí)組成
　　微(wēi)壓式(shì)液位計采(cǎi)用(yòng)的是壓力敏(mǐn)感元件實現力－電轉換。傳感器的液位(wèi)量(liàng)程是0～1．3m，且這段(duàn)量(liàng)程液(yè)位所對(duì)應的深(shēn)度約合壓(yā)力(lì)相(xiàng)比其(qí)他(tā)要小很(hěn)多，因(yīn)而(ér)稱其爲(wèi)“微壓(yā)式”。本系統(tǒng)是所(suǒ)選的正是(shì)微壓式傳(chuán)感器，它将(jiāng)液(yè)位信号轉換(huàn)爲(wèi)4～20ma标準電(diàn)信号輸出。
　　若設(shè)所(suǒ)測液體密度(dù)爲ρ，液位高(gāo)度爲(wèi)h，大氣(qì)壓爲ρ0，重力(lì)加速度(dù)爲g，則液(yè)體所(suǒ)受壓(yā)力p=ρgh+ρ0。這時，爲抵消大氣(qì)壓力變(biàn)化所帶(dài)來的測(cè)量(liàng)誤差，傳感(gǎn)器變送器(qì)部分采用(yòng)導氣(qì)電纜将大氣壓(yā)力ρ0引(yǐn)入敏感元(yuán)件的(de)負壓(yā)腔，進(jìn)而使(shǐ)p=ρgh。顯然，若已(yǐ)知液(yè)體密度，通(tōng)過(guò)測取壓力p就(jiù)可換(huàn)算(suàn)出相應(yīng)的液位高(gāo)度。
1．1單(dān)片機(jī)選型
　　該系統結(jié)構相(xiàng)對簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快(kuài)，考慮到功(gōng)能和(hé)成本兼(jiān)顧，采用(yòng)以擴展性51系列(liè)單片(piàn)機stc12c5412ad爲(wèi)核心(xīn)控制元件(jiàn)。該芯(xīn)片具(jù)有12kb用戶可(kě)自行安排(pái)的flash及feprom空間比例;在同(tóng)樣的工作(zuò)頻率下，平(píng)均指令運(yùn)算速度是(shì)普通8051的8～12倍［4］，滿(mǎn)足(zú)系統(tǒng)對數(shù)據處理的要求(qiú)，且(qiě)掉電模(mó)式可由(yóu)外(wài)部中(zhōng)斷喚(huàn)醒，适用車(chē)載信息系(xì)統。系(xì)統設計方案圖(tú)如圖1所

1．2投(tóu)入式(shì)液位計選型
　　其(qí)基于所測(cè)液體(tǐ)靜壓與該液體的高度(dù)成比例(lì)的原(yuán)理，再将靜(jìng)壓轉換爲電信号，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的(de)變換(huàn)，利用這一特性(xìng)來完成對液位的測(cè)量。主(zhǔ)要技(jì)術參數(shù)如下:量程1．3m，精度0．5%fs，電壓18～36vdc，輸(shū)出4～20ma。
其優(yōu)點包括:①能實時測量罐(guàn)内各(gè)點(diǎn)液位;②直(zhí)流4～20ma标準(zhǔn)電流(liú)信号輸(shū)出;③密封性(xìng)好，測量元件不(bú)與液(yè)肥(féi)直(zhí)接接(jiē)觸，避免(miǎn)了液肥(féi)對元件的腐蝕。
2硬件電路設計(jì)
2．1電源電(diàn)路(lù)設計
　　電源(yuán)電(diàn)路圖如(rú)圖2所(suǒ)示。圖2中，爲(wèi)了保(bǎo)證液(yè)位(wèi)傳(chuán)感器(qì)能(néng)獲(huò)得24v的(de)直流供電，選用(yòng)具有(yǒu)dc－dc單片控制(zhì)電(diàn)路功能的mc34063芯(xīn)片，片内包含有溫度(dù)補償(cháng)帶隙(xì)基準源，能輸出(chū)1．5a的開(kāi)關(guān)電源，且是使用(yòng)最少的(de)外接元(yuán)件構(gòu)成的升壓變(biàn)換器(qì)、降壓(yā)變換器和電源反向(xiàng)器［5］。

　　本系統(tǒng)電源電路(lù)采用具有(yǒu)升(shēng)壓轉換作用的mc34063芯片，與電(diàn)感(gǎn)l、二極管d3、三(sān)極管tip122一起(qǐ)構成電源(yuán)電路。若tip122導通時，+12v的(de)輸(shū)入電壓(yā)經(jīng)采樣限流電阻r1、r2，流經(jīng)電感l，随着(zhe)電感(gǎn)l電流增加，其兩(liǎng)端進行儲(chǔ)存能量。此時，二(èr)極管(guǎn)d3是防止電(diàn)容c3對地放(fàng)電，并(bìng)由電(diàn)容c3向負載供電(diàn);若tip122斷(duàn)開(kāi)時，電感(gǎn)l及12v的輸(shū)入(rù)電壓對電容c3充(chōng)電的(de)同時電容(róng)c3對負載供電，負載電(diàn)壓穩(wěn)定(dìng)在+24v，穩(wěn)壓(yā)的負反(fǎn)饋(kuì)信号(hào)是電(diàn)阻r7、r8的分壓輸入(rù)到mc36063的5腳。
2．2檢(jiǎn)測(cè)電路設(shè)計
　　硬(yìng)件部(bù)分的核心(xīn)爲stc12c5412ad，工作(zuò)電(diàn)壓由(yóu)lm2576從24v轉變爲(wèi)5v來提供。同(tóng)時，用(yòng)mcu的3個(gè)輸出(chū)引腳(jiǎo)p1．1、p1．2、p1．3連接(jiē)串并轉換(huàn)芯(xīn)片(piàn)74hc595，就可(kě)實現對系(xì)統所有的顯示功能(néng)及(jí)顯示元(yuán)件的控制。圖3中(zhōng)的74hc595芯片q0～q7共8位輸(shū)出控(kòng)制8個發光二極管，每個二(èr)極管分爲閃、亮(liàng)2段，共(gòng)16段，通過燈(dēng)的閃(shǎn)亮(liàng)和4個(gè)數(shù)碼管(guǎn)顯示的罐内液體容積值(zhí)來記錄相(xiàng)關液(yè)位數據。其檢測(cè)電路(lù)原(yuán)理(lǐ)圖如(rú)圖3所示。

3系統軟(ruǎn)件設計
　　系統軟(ruǎn)件是(shì)利(lì)用(yòng)51系列(liè)單(dān)片機集成開(kāi)發工具來(lái)進行(háng)c語言設計，采用(yòng)模塊化(huà)設(shè)計方式，由(yóu)系(xì)統與監(jiān)控(kòng)程(chéng)序一(yī)起管(guǎn)理執行(háng)。系(xì)統軟件主要(yào)由(yóu)主程(chéng)序、初始化程序(xù)、定時(shí)中斷處理(lǐ)程序組(zǔ)成。其中(zhōng)，系統主程序包(bāo)括a/d轉(zhuǎn)換子程序(xù)及顯(xiǎn)示子(zǐ)程序(xù)。系統(tǒng)初始化後進入主循環，定(dìng)時中(zhōng)斷處理(lǐ)程(chéng)序是對74hc595的(de)輸出進行控制(zhì)。系統(tǒng)主程(chéng)序流程如(rú)圖4所示。

4數據測(cè)試及分析
4．1測試條件
　　爲驗證本(běn)設計(jì)的(de)可行性，基于(yú)所測(cè)液體靜壓與該液體的高度(dù)成比例，再将靜壓(yā)轉換(huàn)爲電(diàn)壓的(de)試驗(yàn)原理(lǐ)，搭建實際的電路(lù)。用現有(yǒu)的播種機(jī)儲液(yè)罐作(zuò)爲容器可(kě)容納近1000l的(de)液體(tǐ)。其實際測量高(gāo)度如圖5所(suǒ)示。因(yīn)液肥(féi)與水密度(dù)相近，所(suǒ)以用水作爲測(cè)試對象(xiàng)，在正式(shì)用(yòng)液肥(féi)時驗證誤差，算(suàn)出修(xiū)正系(xì)數，再寫入單片(piàn)機中(zhōng)進行校正。


　　首先将液位(wèi)計正确(què)安(ān)裝于儲(chǔ)液罐(guàn)底部，接通電源後利(lì)用串(chuàn)有流(liú)量計的電泵開始注水，注意觀察液位(wèi)的變化(huà)，待快(kuài)到預(yù)先暫定的(de)水容(róng)量處關閉電源。此時，用萬用(yòng)表讀取液(yè)位計處(chù)理後(hòu)的電壓值、記錄表示(shì)高度(dù)顯示(shì)的led的(de)燈/閃數及(jí)流量計顯(xiǎn)示的(de)實際(jì)注水容量(liàng)，再用(yòng)米尺丈(zhàng)量水的實際(jì)液位高度。試(shì)驗(yàn)結果(guǒ)如表(biǎo)1所示。
4．2數據分析
　　觀察(chá)表1的(de)數據之間存(cún)在某種線性關系(xì)，用mat-lab對(duì)表(biǎo)1的壓力(lì)與容量及(jí)液位(wèi)高(gāo)度(dù)數(shù)據進行(háng)一次曲線(xiàn)拟合(hé)，如圖(tú)6所示。

　　根據(jù)圖6的拟合曲線(xiàn)，可得到對應的(de)回歸方程(chéng)爲
y1=513．0775x－542．8718
y2=45．1123x－39．7716其(qí)中，x代表電(diàn)壓(yā);y1爲容量;y2爲液(yè)位高(gāo)度。
由(yóu)此可見:電(diàn)壓與容(róng)量及液(yè)位高度(dù)之間确(què)實存在(zài)良好的(de)線性相關(guān)性，且(qiě)從表1中也可以(yǐ)看出(chū)led燈(dēng)的亮、閃(shǎn)數(shù)随液位(wèi)高度(dù)而變(biàn)化。　　因此，一(yī)旦配比好定量(liàng)的液(yè)肥(féi)，在變量(liàng)施肥(féi)機工(gōng)作時(shí)，可以根據led燈來(lái)判斷其液位高度，用數碼(mǎ)管來(lái)顯示其容量。
分析對比表2的數(shù)據可知:液位高(gāo)度誤(wù)差在允許(xǔ)範圍(wéi)之内(nèi)，拟合容量(liàng)的(de)負(fù)數除(chú)了與(yǔ)傳感器的安裝位置(zhì)及儲(chǔ)液罐的形狀(zhuàng)有(yǒu)關以(yǐ)外(wài)，和換算(suàn)容量的(de)基點(零(líng)點)也(yě)相關。因此(cǐ)，可以重(zhòng)新(xīn)選一(yī)個容量(liàng)和高(gāo)度(dù)基點(diǎn)來解決。

5結論
　　以(yǐ)stc12c5412ad單(dān)片機爲(wèi)核心(xīn)的液肥檢(jiǎn)測(cè)系(xì)統，可以動(dòng)态地顯示液位及容量的變化(huà)，實用性較強，且(qiě)成本低廉。在随機(jī)的測量試驗(yàn)中，節省了(le)人力及物力，同時也提高了檢測的(de)效率。該投(tóu)入式(shì)液位計體積小(xiǎo)巧、使用方便(biàn)、維(wéi)護成(chéng)本不高，優(yōu)于其(qí)他(tā)如超聲波傳感器。試驗數據分析表明(míng):該微(wēi)壓傳感器(qì)性能指标能滿足較高(gāo)精度要(yào)求的(de)測量(liàng)，爲液(yè)肥播種機的進(jìn)一步(bù)智(zhì)能化奠定了(le)一(yī)定(dìng)的實踐基礎，對其它的液位測量也具有(yǒu)較好的借(jiè)鑒作用。

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