本发明属于石油化工技术领域，涉及基于tdc-gp21模块的油水分界面测控装置。
背景技术：
在原油、成品油等存储装置中，由于水分的存在，油水分界面的检测非常重要。正确地检测出油水分界面的位置，适时地将贮油罐下层的水分排出(称为切水过程)，而且排水时要保证只排水，不能出油。一方面是要避免浪费，同时还是消除火灾隐患的基本要求。
在油水分界面的检测中，最常用的方法是构造电容传感器，利用电容值的变化来检测，目前已有不少实际测控装置出现。也有采用γ射线、颜色传感器检测的，最简单的则是采用浮子式、差压式测控装置。无论是电容传感器，还是颜色传感器、γ射线，均需设计模拟检测电路，无法保证高精度和高灵敏性。而要解决这一问题，必须采用数字检测手段。随着高频压电式换能器、高精度时间转换模块的普及，采用超声波测量液体密度、流量的数字检测方法应用越来越广泛。
本项目利用超声波在油、水等不同液体中传播速度不同的原理，将一对超声波探头伸入贮油罐内部，其中一个发射1mhz的超声波，另一个负责接收，通过tdc-gp21模块得到收发超声波的时间差，送至单片机进行分析，确定油水分界面的位置，适时地控制电磁阀门的排水过程。
tdc-gp21为acam公司tdc-gp2的下一代升级产品，与tdc-gp2管脚完全兼容，对一些性能进行了提升，增加了很多扩展功能。同时，测量质量也被提高，测量功耗将会被降低。另外，对于脉冲发生器发射脉冲个数有进一步的扩展，而且内部集成了一个32k低功耗晶振驱动。温度测量单元则集成了施密特触发器，使测量更加简单。总之，tdc-gp21由于其高集成度和低价格完美的适合于超声波热量表和流量计的应用。tdc-gp21模块可以非常方便地连接超声波探头，外围只需两个电阻和电容。另有4个温度传感器输入端子，可直接连接温度传感器以便进行温度补偿。内部集成了时钟电路，只需外接4m、32k晶振两个。采用标准spi总线与控制器通信，方便与mcs-51等低成本单片机相连。总之，采用tdc-gp21模块构成检测电路，外围器件简单，对mcu要求低，可以十分方便地构成低成本、数字式油水分界面测控装置。.
技术实现要素：
本发明的目的在于提供基于tdc-gp21模块的油水分界面测控装置，本发明的有益效果是系统外围电路少，可靠性高，成本较低，可推广应用于油水等液体分界面的测控系统中。
本发明所采用的技术方案是单片机分别连接键盘、lcd显示模块、电磁阀和tdc-gp21模块，tdc-gp21模块分别连接超声波探头和温度传感器，将测量结果通过spi总线传递给单片机硬件系统；系统运行时，每隔10秒读取一次tdc-gp21模块的测量数据，根据当前温度对超声波收发间隔进行补偿，修正温度变化对超声波传播速度的影响，与前期实验的预置数据进行比较，判断油水分界面的位置，并确定是否需要开启电磁阀进行排水，键盘处理采用中断方式，以便随时通过按键进行参数调整和运行过程干预。
进一步，单片机型号为mcs-51；单片机模块由复位电路、时钟电路和电源电路等组成，复位电路包括手动复位和自动上电复位，按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，按键电平复位是通过使复位端经电阻与vcc电源接通而实现的，按键脉冲复位则是利用rc微分电路产生的正脉冲来实现的；自动上电复位是计算机加电瞬间，要在rst引脚出现大于2个机器周期的正脉冲，使单片机进入复位状态。
进一步，键盘和lcd显示模块作为输入输出模块，负责控制参数的输入和数据的输出；lcd显示模块采用1602液晶模块作为显示器件，用lcd液晶显示信息非常丰富，可以很容易的显示汉字和英文字符，占用i/o口资源较少，不需要循环扫描，节省了程序开销，耗电量低。
进一步，电磁阀作为驱动部分，此部分用于控制原油的进入电磁阀、放水电磁阀和放油电磁阀。
附图说明
图1是本发明示意图。
图2是监控程序流程图。
图中，1.单片机，2.键盘，3.lcd显示模块，4.电磁阀，5.tdc-gp21模块，6.超声波探头，7.温度传感器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明为了使测量装置具有更高的准确性和稳定性，同时兼顾性价比。硬件系统采用tdc-gp21作为核心芯片驱动超声传感器，进行数据采集。以stc12c60s2作为主控器，负责数据的分析处理，完成油水界面的测定，实现系统的控制功能。系统主要包括控制模块、tdc-gp21模块、输入输出模块、控制模块等组成。系统框图如图1所示。包括单片机1，单片机1分别连接键盘2、lcd显示模块3、电磁阀4和tdc-gp21模块5，tdc-gp21模块5分别连接超声波探头6和温度传感器7。单片机1模块由复位电路、时钟电路和电源电路等组成。复位电路包括手动复位和自动上电复位，按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与vcc电源接通而实现的。而按键脉冲复位则是利用rc微分电路产生的正脉冲来实现的。自动上电复位，是指计算机加电瞬间，要在rst引脚出现大于2个机器周期的正脉冲，使单片机进入复位状态。
键盘2和lcd显示模块3输入输出模块，此部分负责控制参数的输入和数据的输出。lcd显示模块3采用1602液晶模块作为显示器件。用lcd液晶显示。优点是显示信息非常丰富，可以很容易的显示汉字和英文字符。占用i/o口资源较少，不需要循环扫描，节省了程序开销，耗电量低。作为人机交往互主界面，给使用者提供高效的显示界面。
电磁阀4作为驱动部分，此部分用于控制原油的进入电磁阀、放水电磁阀和放油电磁阀。tdc-gp21模块5连接超声波探头6和温度传感器7，将测量结果通过spi总线传递给单片机硬件系统。
本发明监控软件设计：
系统运行时，每隔10秒读取一次tdc－gp21模块测量数据，根据当前温度对超声波收发间隔进行补偿，修正温度变化对超声波传播速度的影响，与前期实验的预置数据进行比较，判断油水分界面的位置，并确定是否需要开启电磁阀进行排水。键盘处理采用中断方式，以便随时通过按键进行参数调整和运行过程干预。主程序流程图如图2所示。
系统测试：系统设计、安装完成后，对该系统的精度、灵敏性等指标进行了测试。为提高精度，超声波探头选用了共振频率为1mhz的高频型压电陶瓷换能器，上半部分为示波器ch1通道采集到的tdc-gp21模块fire_up引脚输出的1mhz方波，下半部分为示波器ch2通道采集到的超声波探头回波信号。从信号波形看，超声波探头能够正常起振，回波信号幅度较大，没有明显畸变，再加上tdc-gp21模块自身具有自动时钟校准功能，测量结果的精度可以保证。考虑到超声波探头起振时间的因素，第一个波形的过零点到检测阈值之间应有一定延迟，从示波器的波形图来看，此值在几十纳秒数量级，不会对测量造成多大影响。另外，在回波信号之前，有一组与发送信号基本同期的杂波信号，这是由于串扰引起，幅度较小，基本不会对测量过程造成影响。
调试过程中，我们用单片机uart串行口输出了采集到的几组数据，具体如表1所示。
表1单片机uart串行口输出数据
表1所示为环境25℃、纯水的测量数据，从测量结果看，由于超声波探头起振时间的影响，测量数据具有的分散性，但差别并不大。几组正常数据的最大值为106.75us，最小值为105.30us，平均值为106us，分散误差仅有1.37％。我们进行了长期测量，发现最大分散误差不会超过1.5％，表明该测控装置的测量精度具有保证。最后一组测量结果的第三个数据出现了0.74us，此值是由于串扰引起，属于非正常数据，可以利用软件将其剔除，不会对测量结果造成任何影响。而在模拟测量系统中，此值可能会被“平均”，影响总体测量结果的准确性，这也正是数字测量系统可以利用软件对非正常数据进行处理的最大好处。
随后，我们对部分成品油的回波时间进行了测量。测量中发现，不同油品的超声波传播速度不同，回波时间具有一定的差别，但与纯水的回波时间均有较大差距。即使是和水比较接近的润滑油，平均回波时间为0.75us，与水的差别也在5％以上，完全可以通过软件判断油水分界面的位置。
另外，考虑到超声波在液体中的传播速度与温度有关，tdc-gp21模块5同时也外接了温度传感器，以对测量到的回波时间进行温度补偿。从测试结果看，由于油水分界面的判断与超声波在两种介质中传播的相对时间差有关，该相对时间差受温度影响不大。只有在温度变化较大，而且两种介质中超声波传播速度又恰好受温度影响变化相差较大时才需要进行温度补偿计算。
本发明系统主要为高性能、低功耗的超声波热量表所开发，本发明恰当使用了该模块高精度测量超声波回波时间、2-4点温度的性能，巧妙完成了油水分界面的测控。系统外围电路少，可靠性高，成本较低，可推广应用于油水等液体分界面的测控系统中。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。