基于Ｃ８０５１Ｆ４１０的自调整现场感知料位计的研制

摘要：本文详细介绍了一种新型的数字智能料位计的系统设计。介绍了主要的测量原理、自调整原理，工艺结构设计、硬件电路设计、软件流程、抗干扰设计。目前该仪表已经投入实际使用，取得预期效果。

关键词：自调整；单片机；C8051F410

1 测量原理介绍

射频导纳测量原理

射频导纳物位仪表是一种从电容式物位测量技术发展起来的，防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的物位控制技术，射频导纳中的导纳的含义为电学中阻抗的倒数。而射频即发射高频无线电波，所以射频导纳物位控制技术是通过用高频无线电波测量被测介质导纳来实现物位测量。由测量原理图可以看出中心测量杆长度直接影响测量灵敏度，中间测量杆越长，杆相对于容器壁的电容就越大，物料变化时测出的导纳变化也相应的变大。

2 自调整原理

主要数学模型：根据初始值确定4个参考点，分别为空仓上、下限值和满仓上、下限值，设为Kmax、Kmin、Mmax、Mmin，其关系为Kmax>Kmin>Mmax>Mmin，此4个参考点选定由实验数据而来。如图所示

数学模型示意图

A=（kmax+kmin）/2B=（mmax+mmin）/2

a：当前值在该区间内出现的最大值

b：当前值在该区间内出现的最小值

yz=（A+B）/2（初始值）

阈值保护区间选择为[Mmin,Kmin]，即当且仅当实时计数落入这个区间且时钟定时时间到，此时，仪表不进行阈值调整。阈值调整区间为[Mmax，Mmin]，（Kmin，Kmax），即当且仅当实时计数落入这个区间且时钟定时时间到，此时，仪表才进行阈值调整。

根据上述文字得出以下公式

设初始阈值为yz，yz=（Kmax+Kmin+Mmin+Mmax）/4；设调整后阈值为tzyz；设实时计数为js，分以下7种情况说明：

①当且仅当js∈（0，Mmax）时，js=Mmax，tzyz=Mmax/2+（Kmax+Kmin）/4；

②当且仅当js∈（Mmax，Mmin）时， tzyz=min(js(Mmin,Mmax))/2+（Kmax+Kmin）/4；

③当且仅当js∈[Mmin,Kmin]时， tzyz=yz

④当且仅当js∈（Kmin，Kmax）时， tzyz=max(js[Kmin,Kmax])/2+（Mmax+Mmin）/4；

⑤当且仅当js∈（Kmax，+∞）时， tzyz=Kmax/2+（Mmax+Mmin）/4；

⑥当js在[Kmax,Kmin]和（Mmin，Mmax）出现时， tzyz=MAX（js[Kmin,Kmax]）/2+MIN（js(Mmin,Mmax)）/2；

⑦当js分别属于（0，Mmax），（Kmax，+∞）时，tzyz=（Mmax+Kmax）/2

3 仪表工艺结构设计

仪表由探测器、微处理器和输出电路等部分组成。如图所示，仪表的主机安装于铸铝材料的外壳中，探测器与主机通过固定螺纹拧在一起。这种结构保证主机防护等级，还能屏蔽外界的电磁干扰。铸铝、不锈钢和PFA材质的选取都是基于使用温度、防锈、防腐蚀、耐冲击等综合因素加以考虑的。

4 仪表硬件电路设计

仪表电路单元以单片机C8051F410芯片为核心并少量外围电路构成，见图所示。由于仪表的使用环境都比较恶劣，电路元件选取着重考虑了使用温度要达到工业现场级的要求。另外为满足批量生产要求，尽量选取满足SMT生产工艺要求的元件。

下面就主要功能单元电路分别介绍：

4.1 传感器

采用以集成运算放大器TLV2624为核心元件振荡器电路。传感器的选用是设计的关键核心，其性能的好坏直接影响到仪表的技术参数。这里对测量影响最大的因素就是温度。

为此，选择了温度系数较小工作带宽范围大的集成运算放大器TLV2624，其工作温度范围是-40℃～125℃,电压温度漂移3uV/℃。

电阻和电容的选取也很关键。元器件均打算采用满足SMT工艺要求的高性能、低温漂、高品质阻容元器件，最大限度降低元器件的杂散特性，保证装置工作的稳定性。

4.2 微处理器

C8051F410器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，是本仪表的核心。主要实现仪表的以下功能：

1)通过内部可编程计数器获取探测器信号，并将其进行数据处理； 2)为系统测量提供精确的定时器和计数器；3)控制显示芯片zlg7289的工作；4)在面板上提供按键功能，以便进行数据修改和存储；5)输出继电器和指示灯控制信号；6)数据掉电保护；7)提供实时时钟；8)温度传感器；9)硬件看门狗（内置）

4.3 数据显示及驱动

本部分采用ZLG7289，做为显示核心，实现LED译码、驱动电路功能，其接口采用流行的同步串行外设接口，可与任何一种单片机相联，并可同时驱动8位LED；芯片显示功能强大，主要完成数据显示和显示板指示灯的报警。此芯片具有高度的稳定性，能够保障装置在环境条件恶劣的情况下稳定工作。

5 软件流程

软件以C语言作为编程语言，采用模块化程序设计。主要是完成仪表控制、数据的采集、分析、运算。对仪表中各个器件的初始化、数据显示、按键的处理以及数据存储等等。仪表在功能上实现了自诊断，自修复等一些实用性操作，在自诊断程序中涵盖了RAM、开机、总线、输入通道、键控自检以及周期性自检等多方面的检测，保证了仪表的可靠性使用。在数据处理方面，采用算术平均值滤波法，以保证测量的准确性。

软件解决现场差异和仪表的免调试问题。根据自调整控制的数学模型，通过对不同测量现场的环境影响进行分析，使得装置能够在初始安装时自动对环境因素进行判断分析，从而有效消除环境变化引起的测量误差，尤其是长时间测量中积累的误差，动态调整工作参数，以增强装置的现场通用性，从而大大减小了日后调试人员现场调试的难度。

6 仪表电磁兼容与抗干扰设计

仪表有时会在带有强静电的场所中使用,如果不采取保护措施就会造成仪表损坏。即使是一般的尖脉冲噪声的突入，也会引起电子设备及电脑的误动作，甚至造成设备本身的损坏。为此采用了TVS瞬态电压抑制器。因瞬态电压抑制器的应用是在仪表前级信号采集部分，不能采用通用的TVS管。原因是仪表灵敏度与介质变化息息相关，如果TVS管本身电容较大则将会淹没测量信号的变化，这个现象是在课题实验中发现的。本课题中通过选用不同TVS管后得出结论，只有当TVS管的电容值低于10pF的才适合使用。

7 结束语

目前自调整现场感知料位计已经在电力行业中应用使用，并取得了良好的成果，验证了智能分析算法的稳定性，证明了仪表的可靠性。我们还在进一步的研究，使得该仪表的功能更加完善，应用更加广泛。

参考文献

[1]陈晓竹,陈乐. 电容式物位计中挂料问题的研究[J]. 计量学报,2000 ,21(2) :157 - 160.

[2]D. E. 上海代表办事处. 射频导纳式物位测量. 医药工程设计[J]. 1994 (4) :43 - 47.

[3]陈平,沙训,罗晶 射频导纳电容式物位测量仪的研究[J]，仪表技术与传感器 2006.（7）;19-20

[4] C8051F410/1/2/3混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[Z]新华龙电子有限公司Rev 0.7 2006.02

作者简介：罗向东（1966～），副研究员，主要从事仪表设计和自动控制技术的研究。

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