专利名称：无线工业液位变送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液位变送器，具体涉及一种无线工业液位变送器。
背景技术：
液位有浮子式、压力式、电容式、激光式、超声波式等测量方法。按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型液位测量方法主要有人工检尺法，浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体玷污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能使用的特殊场合，如粘度高、 腐蚀性强、污染性严重、易结晶的介质。基于江、河、湖、海、坝区、油库等现场多传感器计算机测控系统的发展，现有的传统液位变送器已不能满足要求，而集信息采集、信息处理和数字通信功能于一体，能自主管理，具有智能化特性的液位变送器为生产发展所需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线工业液位变送器，在满足工业测量范围和精度要求的基础上实现低功耗，是可根据不同型号传感器实时调整参数的无线液位采集仪表， 该仪表根据扩散硅式压力传感器的测量原理，结合非线性温度补偿电路以及高精度模数转换器件，通过WIA网络从远程上位机下载扩散硅相应的计算系数准确计算出压力数据，并将数据实时上传，同时利用微控制器自身的功耗控制特性以及外围模拟开关电路，使整个仪表有较好的能耗表现。本发明的技术解决方案是该液位变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3. 3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器直接连接到主控制器电路板，显示器通过插针连接至主控制器电路板。其中，WIAPA-M1800无线适配器与主控制器均使用MSP430型号单片机，二者之间通过串口进行通讯；显示器采用1 段位的液晶玻璃材料，主控制器通过HT1621对其进行驱动。本发明的测量方法是在工业设备的测量点处安装此仪表，在WIA网络覆盖范围内安装WIA网关，并通过RS232串口或以太网与上位机相连。工作时，上位机将压力传感器对应的计算参数通过WIA网络下载到仪表，钼热电阻测量仪表所在的环境温度，由电路板的信号调理电路对传感器产生的电压信号进行差分信号采集、放大、去噪声处理，A/D将模拟电压信号转换为数字信号，主控制器将数字信号与下载的扩散硅计算参数得到准确的温度值，并将数据实时上传。本发明具有以下优点
1、本发明体积小，重量轻，传感器可与变送器一体化，可视化好，实时性强，安装使用方便。2、模数转换芯片采用16位A\D，可以使分度号为P t 1 O O热电阻的非线性校正采集精度在0. 1级以上，数据处理控制器、通信控制器采用高性能超低功耗16位MSP430微处理器，结合电路板上的信号调理电路、稳压电路、抗干扰电路和开关电路，是整个仪表具有较低的功耗和较高的稳定性。3、本发明液位变送器利用同一压敏芯片，既测静压又测温度，压力、温度信号经 A / D转换后输入单片机，经严格补偿校正运算后，通过无线的方式传送至接收端，变送器基于智能无线网络WIA技术体系，符合IEEE 802. 15. 4无线通信标准，主要面向设备间信息的无线通信，特别适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征。4、在传统投入式液位变送器的结构及性能基础上，结合智能传感器系统的理论， 设计了 -种投入式一体化数字智能液位变送器，它具有体积小、成本低、抗干扰能力强、性能稳定、智能化程度及可靠性高等特点，多个数字液位变送器可以组成数据采集网络，只需要通过一对屏蔽双绞线，上位机便能获得多个数字液位变送器的数据，并能对其进行设置， 实用中获得了满意的效果。5、本应用涉及的智能无线网络WIA技术基于短程无线通信IEEE 802. 15. 4标准， 使用符合中国无委会规定的自由频带，解决恶劣环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰，提供能够满足应用需求的高可靠、实时无线通信服务。
图1为本发明的结构示意图。图2为图1的控制器及其外围电路原理图。图3为图1的压力数据采集及温度补偿电路原理图。图4为图1的无线通信及功耗控制接口图。图5为图1的数据处理电路原理图。图中1、天线，2、液晶显示屏，3、液位传感器探头，4、外壳。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术解决方案，实施例不应理解为对技术解决方案的限制。如图1-5所示，该液位变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3. 3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器直接连接到主控制器电路板，显示器通过插针连接至主控制器电路板；其中，具体电路连接如下
电源3. 3V锂电池供电，主控制器电路板中使用3. 3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源，3. 3V电源由〇3、(14、(15、(16丄20丄21、022、(^4滤波，3￥电源由 C1、C9、C10、C18 滤波；
16位A/D 选用美国德州电气公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，ADSl 110的 1脚与第二运算放大器0P2的输出端连接，ADSl 110的3脚、4脚与上拉电阻R37、R38的一端相连，R7、R8的另一端以及ADSl 110的5脚与+3. 3V电源连接，ADSl 110的2脚和6脚接地；
MCU 选用美国德州电气公司的MSP430F149芯片，晶振选用3. 6264MHz，程序下载使用标准JTAG接口，XT2IN、XT20UT与晶振连接，之间连接电阻R17，经过C1UC12到地，MCU的 54、55、56、57脚分别与双排座JP2的1、3、5、7脚相连，MCU的12和22脚分别与JP2的2脚和6脚相连，MCU的58脚与JP2的11脚相连；
压力传感器R42、R43、R44和扩散硅组成传感器应变电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2. 5V，从电桥获取的差分信号对热电偶输出信号进行温度补偿，电桥的一个桥臂采用可调电阻R43，通过调节R43可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点；
信号调理电路扩散硅的一端即电桥的一个平衡点与电阻R45的一端连接，R45的另一端分别与运算放大器OP的同相输入端和放大电阻R47连接，OP的反相输入端分别与电阻 R46的一端、A/D的负输入端连接。R46的另一端电桥的另一个平衡点连接，R47的另一端分别与滤波电容C42的一端、运算放大器OP的输出端、滤波电阻R40连接，R40的另一端与 A/D的正输入端连接，滤波电容C42的另一端、运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正电源端与+3. 3V电源连接；
EEPROM存储器选用Microchip公司的MLC64芯片，采用I2C接口，由3. 3V电源供电， 5、6号管脚通过R20、R21上拉电阻与MCU的P4. 5、P4. 6 口相连，C25用于滤波，1、2、3、4号脚接地用于指示物理地址；
显示器选用SPI总线结构的48管脚HT1621B驱动液晶屏幕，其中SEGO SEG23和 COMO COM3共M个管脚与液晶玻璃连接，DATA管脚接上拉电阻R52的一端再与MCU的 P5. 1 口连接，CS管脚接上拉电阻R53的一端再与MCU的Pl. 5 口连接，WR管脚接上拉电阻 R54的一端再与MCU的Pl. 6 口连接，RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的Pl. 7 口连接，上拉电阻R52、R53、R54、R55的另一端与VDD连接，VDD与VLCD管脚之间连接R51可变电阻，VDD与VSS分别于主控制器电路板上的3. 3V电源和地线连接，其余管脚悬空； 无线通信MCU的P3. 4、P3. 5 口与WIAPA-M1800无线通信模块的串口接口相连。
权利要求
1.无线工业液位变送器，其特征在于该液位变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3. 3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器直接连接到主控制器电路板，显示器通过插针连接至主控制器电路板；其中，具体电路连接如下电源3. 3V锂电池供电，主控制器电路板中使用3. 3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源；16位A/D 选用美国德州电气公司的ADSl 110芯片，采用I2C形式的接口，由于内置1 一 8增益的低噪声可编程仪表放大器，可对来放大电路的电压信号进行放大处理并采样转化为数字信号；MCU 选对A/D输出的数字信号进行处理，计算出温度，通过无线模块与远程PC通信，接收热电阻计算参数表，将采集到的结果上传PC以及其他实时通信，通过对工作模式的切换进行能耗控制；恒压电路选用的扩散硅压力传感器是恒流供电型的，供电电流为1. 5mA，恒流电源采用美国国家半导体公司生产的三端可调恒流源LM334，具有1 40V宽的动态电压范围，恒流源的建立只需一只外接电阻，是无需独立电源供电的真正悬浮恒流源；由于LM334的输出电流具有与绝对温度成正比的敏感特性，只有在温度恒定时电流才恒定，因此需要进行补偿，只要在基本电路中再增加一只电阻和一只二极管，就可以构成抵消LM334温度漂移的零温度系数恒流源；信号调理电路对扩散硅采集的信号进行放大、滤波；EEPROM存储器由于不同的热电阻在计算时对应不同的计算参数，故使用64K的 EEPROM存储各种常用热电阻的计算参数；显示器显示传感器探头所在环境下的压力，测量精度0. ore ； 无线通信采集的数据通过串口发送到WIAPA-M1800无线通信模块，再接入 WIAPA-GW1498无线网关，在远程PC上对数据进行显示，同时在系统初次使用时由PC将对应于每个传感器探头的分度表经该无线模块传送至MCU，保存在外部存储器中。
2.根据权利要求1所述的无线工业液位变送器，其特征在于硬件连接与工作方式如下电源3. 3V锂电池供电，主控制器电路板中使用3. 3V转3V可控开关芯片对模拟部分和数字部分提供所需的电源，3. 3V电源由〇3、(14、(15、(16丄20丄21丄22、(^4滤波，3￥电源由 C1、C9、C10、C18 滤波；16位A/D:选用美国德州电气公司的ADS1110芯片，采用I2C形式的接口，ADS1110的1 脚与第二运算放大器0P2的输出端连接，ADS1110的3脚、4脚与上拉电阻R37、R38的一端相连，R7、R8的另一端以及ADSl 110的5脚与+3. 3V电源连接，DSlllO的2脚和6脚接地； MCU 选用美国德州电气公司的MSP430F149芯片； 晶振选用3. 6264MHz，程序下载使用标准JTAG接口，XT2IN、XT20UT与晶振连接，之间连接电阻R17，经过C1UC12到地，MCU的54、55、56、57脚分别与双排座JP2的1、3、5、7脚相连，MCU的12和22脚分别与JP2的2脚和6脚相连，MCU的58脚与JP2的11脚相连；压力传感器R1、R2、R3、R4、R5和扩散硅组成传感器电路，扩散硅的1脚连接-OUT和 Rl的一端，Rl的另一端连接扩散硅的2脚、R2的一端，R5的一端和+IN，R2的另一端连接扩散硅的3脚、+OUT, R5的另一端连接R3的一端、R4的一端、-IN, R3的另一端连接扩散硅的3脚，R4的另一端连接扩散硅的5脚；信号调理电路压力传感器一端即电桥的一个平衡点与电阻R45的一端连接，R45的另一端分别与运算放大器OP的同相输入端和放大电阻R47连接，OP的反相输入端分别与电阻R46的一端、A/D的负输入端连接，R46的另一端电桥的另一个平衡点连接，R47的另一端分别与滤波电容C42的一端、运算放大器OP的输出端、滤波电阻R40连接，R40的另一端与 A/D的正输入端连接，滤波电容C42的另一端、运算放大器的负电源端接地，运算放大器的正电源端与+3. 3V电源连接；EEPROM存储器选用Microchip公司的MLC64芯片，采用I2C接口，由3. 3V电源供电， 5、6号管脚通过R20、R21上拉电阻与MCU的P4. 5、P4. 6 口相连，C25用于滤波，1、2、3、4号脚接地用于指示物理地址；显示器选用SPI总线结构的48管脚HT1621B驱动液晶屏幕，其中SEGO SEG23和 COMO COM3共M个管脚与液晶玻璃连接，DATA管脚接上拉电阻R52的一端再与MCU的 P5. 1 口连接，CS管脚接上拉电阻R53的一端再与MCU的Pl. 5 口连接，WR管脚接上拉电阻 R54的一端再与MCU的Pl. 6 口连接，RD管脚接上拉电阻R55的一端再与MCU的Pl. 7 口连接，上拉电阻R52、R53、R54、R55的另一端与VDD连接，VDD与VLCD管脚之间连接R51可变电阻，VDD与VSS分别于主控制器电路板上的3. 3V电源和地线连接，其余管脚悬空； 无线通信:MCU的P3. 4、P3. 5 口与WIAPA-M1800无线通信模块的串口接口相连。
全文摘要
本发明公开了无线工业液位变送器，该液位变送器包括三通外壳、WIAPA-M1800无线适配器、主控制器电路板、显示器、3.3V电源、WIA网关，在外壳的两个较大开口处安装显示器和连接电源，在外壳内部安装WIAPA-M1800无线适配器和主控制器电路板，在外壳较小开口处安装无线天线，压力传感器直接连接到主控制器电路板，显示器通过插针连接至主控制器电路板。本发明利用同一压敏芯片，既测静压又测温度，变送器基于智能无线网络WIA技术体系，主要面向设备间信息的无线通信，特别适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低功耗、实时通信等技术特征。
文档编号G01F23/18GK102305653SQ20111013055
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者万军, 刘仁广, 王天成, 王洪元, 陈云, 龙霄 申请人:常州大学, 江苏红光仪表厂有限公司