（精密仪器及机械专业论文）浮子式水位计的研制.pdf

浮子式水位计的研制 摘要 本课题是企业根据市场需求委托的产品研发项目，委托单位要求系 统在降低成本的前提下，达到国内外同类产品的技术要求。考虑到上述产 品要求，利用机、电、光、液的综合原理设计出了一套切实可行的控制方 案。利用力学知识和传感器原理设计了液位传感部分，对待测的液位信号 进行了有效的感应测量。同时，根据电子电路知识、计算机控制原理及智 能化仪表的设计思想，采用现代仪器设计中的期间解决方案，对水位计系 统的核心硬件控制部分进行了较为全面的设计。并且在软件方面，开发了 一套控制算法，辅助硬件系统达到水位计的技术指标，同时采用智能化软 件的编程思想完成了一整套的软件系统设计。此外，考虑到工作环境及外 界因素的影响，还对控制系统进行了抗干扰性优化设计，使控制电路运行 稳定、性能可靠。通过技术分析，系统完全可以达到所需的技术指标，性 能完善，工作可靠，对于提高产品竞争力、降低成本大为有益处。 关键词：浮子式水位计光电编码器单片机算法 r e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo fb o b b e r t y p e ，a t e rl e v e lg a u g e a b s t r a c t t h i sp r o j e c ts t e m sf r o mac o m p a n y sc o m m i s s i o na n dt h ep u r p o s ei st o a d a p tt h e i rp r o d u c t st o m a r k e t - o r i e n t e dr e q u e s t s t h es p o n s o ra s k e du st o c o m p l e t e t h e s y s t e m w h i c ht e c h n i c a l t a r g e t i s p a r a l l e l w i t ht h es a m e m a n u f a c t u r e a b r o a d ，a n dt h es a m et i m er e d u c e t h ec o s to ft h em a c h i n e t h e r e f o r e ，m a k i n gu s eo ft h ei n t e g r a t ep r i n c i p l eo fm e c h a n i s m ，e l e c t r o n i c s ， o p t i c s ，l i q u i d ，r e s e a r c h e r sh a v ed e s i g n e das u i t o ff e a s i b l ec o n t r o ls c h e m e u s i n g t h ek n o w l e d g eo fm e c h a n i c sa n dt r a n s d u c e r ，t h ew a t e rl e v e li n d u c ep a r t w a sd e v e l o p e dt om e a s u r et h ew a t e rl e v e l s i g n a l i ne f f e c t t h er e s e a r c h e r s d e s i g n e dt h eh a r d w a r ep a r to nt h eb a s i co ft h ek n o w l e d g eo fe l e c t r oc i r c u i t ， t h ec o m p u t e rp r i n c i p l ea n dt h ei n t e l l i g e n td e s i g n i n gt h e o r y m e a n w h i l eo nt h e a s p e c to fs o f t w a r e ，as e to fc o n t r o ld e m a n d i na d d i t i o n ，a n t i - j a m m i n gp l a n w a sa l s om a d et oe n s u r et h es y s t e ms t a b i l i z a t i o na n dr e l i a b i l i t y c o n s e q u e n t l y ， i fe n t e r p r i s e su s et h i sm a c h i n et op o u rt h e i rm a n u f a c t u r e ，c o s to f p r o d u c t sw i l l b ed e c r e a s e da n dt h e i rc o m p e t i t i v ec a p a b i l i t yw i l li m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：b o b b e rt y p ew a t e rl e v e l ，a b s o l u t ee n c o d e r ，m c u ，a r i t h m e t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒筵王些盔堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期： 年月日 签字日期： 年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本课题是在我的导师胡生清教授的悉心指导之下完成的。从本科时第一次在课 堂见到胡老师开始，我就被其渊博的科技知识和严谨的科研作风所感染，使我更坚定 了继续深造学习的决心。在进入研究生阶段后，胡老师不仅在学习上和专业技术上给 我精心的指导和帮助，而且在生活上也加以悉心的关怀，帮助我克服了很多困难，使 我可以顺利地完成学业。他那宽宏博大的胸怀以及为人师表的高尚风范将深深地留在 我的脑海里，他的谆谆教导将指引我今后的人生道路，鼓励我排除万难，勇往直前。 在毕业论文即将完成之际，向胡老师表示我衷心地谢意和致以崇高的敬意。 同时，我还要感谢黄其圣老师、胡毅老师、王永红老师、陶晓杰老师等，他们 在这两年多的时间里也给予了我很大的帮助和关心。 我还要感谢我的师姐刘芳芳、蒋敏兰、师兄王执泉、我的同学陈小艳、张文、 刘湘、张贺新以及我的师弟魏礼俊、杨凌波、陈海荣和师妹李红莉，他们给与了我很 多的鼓励和帮助，使我愉快的度过了这两年多的时光。 谨以此文献给关心、帮助过我的父母、老师和同学及朋友们! 第一章绪言 1 1 课题来源 本课题来源于合肥三立自动化工程有限公司，该公司主要从事水利业等自 动化控制领域的设备的生产。水位计作为独立的仪器需安装在其自己生产的设 备中，长期以来都采用外购水位计的方式，不仅提高了成本，而且增加了生产 周期，不利于生产发展的需要，因此迫切要求研制一套自己的水位计。 根据实际生产的需要，因研制具有模拟输入和数字输入两种方式的水位 计，且应达到的技术指标为： 1 、 测量范围：o 一2 0 m 。 2 、分辨率( 测量) ：l c m 。 3 、综合精度：2 c m 。 其中，由于输入方式的不同，在该系统中又细分为浮子式和压力式。本为 重主要介绍的是浮子式水位计的研制。 1 2 浮子式水位计传感器简介 浮子式水位计的传感器系统是本水位计的重要部件，其作用是将液体的水 位量变化变成容易处理的电信号，以及与传输、数据处理、显示和控制。本传 感器系统将浮子、重锤、钢丝绳、测量盘随水位的变动而联动，将水位变化转 换成旋转运动，并与绝对编码器联动装置，以达到用编码器来测量水位的目的。 传感器系统安装在测井口上方，连接浮子和重锤的钢丝绳分别挂在各自的挂轮 上。当水位变化时，浮子亦随之上升或下降，浮予上的水位钢丝绳便带动其自 身挂轮作旋转运动，水位钢丝绳上的挂轮通过传动轴带动重锤钢丝绳卷盘起 旋转，以达到力学平衡。同时，水位钢丝绳上的挂轮也通过弹性连轴器带动同 轴安装的编码器，使之输出与水位相应的编码数字量。其结构图如图1 1 所示： 1 4 i 绝对多圈传感器2 弹性连轴器3 水位钢丝绳测量盘4 重锤钢丝绳卷盘5 不锈钢钢 丝绳6 a b s 浮子7 重锤8 浮子测量竖井9 重锤竖井1 0 浮子安装窗口1 1 重锤安装 窗口1 2 地平安装钢板1 3 仪表安装钢板1 4 防护外罩1 5 防水接线盒防雷器 图1 1 浮子式的传感器系统图 1 3 本课题研究内容 这个课题是为三立公司研制的一种高精度、低成本的浮子式水位计。该机 以常用的浮子机械传动带动光电编码器为手段，利用单片机的强大的处理功能， 按l c m 的分辨率来钡9 量水位的高度。 整个研制工作主要涉及三个部分的内容：传感器系统部分，控制、处理部 分，软件设计部分。传感器系统部分的设计内容包括测轮的设计、重锤、浮子 的选择。控制、处理部分的设计包括：数据的采集，单片机系统的设计、人机 接口电路设计。程序设计主要是实现浮子式水位计正常工作以及数据处理功能。 2 整个系统的程序都是用m c s 5 1 汇编语言编写的，运行速度和效率比较高，使得 该水位计有较高的反应速度和精度。 1 4 本课题研究的意义 通过对国内外研究现状的了解，设计研制我们自己的水位计对满足国内的水位 计市场是非常必要的。 水是生命之源。但水在给人们带来生命和活力时，也带来了无穷无尽灾难。我国 是一个多水难的国家，每次水灾都给人们带来巨大的财产及生命的损失。随着现代文 明的进步，人们愈来愈迫切的希望能消除水灾的隐患，这就提出了能实时、准确、远 距离、智能化的监控水位的仪器。而以前的水位仪多是二次仪表模拟量输出或是机械 式编码器输出，这些方法在测量精度上误差比较大，但随着微电子技术、电子计算机 技术的迅速发展，以及智能化程度的提高，集成电路技术的发展和进一步完善，为这 种需求提供了可能。 我们现在研发的水位计是根据市场要求开发研制的浮子式水位计，在研制 过程中采用了高精度多圈绝对编码器、单片机以及其他一些集成芯片，实现了系统的 智能化和设计的柔性化。具有精度高、反应速度快、人机界面好、操作简单的特 点，性能价格比高。本水位计研制成功后将在国内水库建设、船坞等需要的水位计 的领域有广泛的市场。 并且在此水位计的基础上开发系列产品以满足各种测量、控制水位的水位计 的需要。 第二章浮子测量基础 浮子式水位计已有百年的历史，在当前各种原理的水位计中仍占绝对多数。 浮子是感应和传动水位变化的部件，虽然貌不惊人，既不是精密机械，又没有 电子电路，且往往不被人重视，但它对水位计的驱动力矩、精度、可靠性却起 着主导作用。在自动采集和遥测水位系统中，对浮子及其有关参数的深入了解， 可结合测站的水情，选择相应的测井结构和仪器设备，这是自动化系统中首先 要解决的问题。 2 1 浮子的“浮”与“沉” 浮子在国际标准i s o l l 0 i 一1 9 8 l 及i s 0 4 3 7 3 1 9 7 9 中都称为浮筒，并要求 “浮筒应严格保持其漂浮性”：我部标准s l l 0 8 9 称浮筒为“能随水位变化而 升降的薄壁筒状零件”；国标g b l l 8 2 8 - 8 9 中规定“浮子水密性”测试，要求 “在6 0 c 热水中浸入1 分钟不出现气泡” 1 。以上标准足以说明浮子必须是 一个空心的能漂浮于水面的密封性零件，国内外浮子式水位计中的浮子几乎都 是按此模式设计的。同时与浮子相配合的“平衡锤”，在部标中定为“平衡浮 筒出水体积的重锤”。确切地说应该是，浮子与平衡锤的相互作用，使浮子“漂 浮于水面”，并要求浮子的入水深度应处在筒身的二分之一处，保持其静态的平 衡。浮子的直径取决于驱动力的需要。锤的重量由悬索( 或钢带) 对水位轮的 正压力和足够摩擦力的要求而定，与浮子的自身重量产生的扭矩有以下关系： w = wl w2 式中w1 一一浮子的自重及其悬索重量产生的扭矩； w 2 一一平衡锤自重及其悬索重量产生的扭矩； w 一浮子入水部分排开同体积的水重产生的扭矩。 由以上可知，当浮子的体积和入水深度决定后，只要平衡锤有足够的重量， 浮子也应有相应的重量，即使用比重大于1 的能沉入水中的材料制成实芯的浮 子，也是完全可以的。平衡锤的作用不仅是为了调节浮子的出水体积，更重要的 功能是产生重力，达到防止悬索在水位轮中跳槽。为此，锤的重量大一些，水 位传动的可靠性高，浮子也要相应加重。如果浮子设计得很轻，能自身漂浮于 水面，锤也得很轻，否则锤重会将浮子拉出水面，或者因压力小而使悬索产生 跳槽。为了补偿浮子太轻，又在浮予中加石子或在浮子下再挂重锤。本台仪器 打破了常规，设计实芯a b s 自沉式浮予，加铅配重为i k g ，在1 5 k g 平衡锤的作 用下，使浮子一半入水。这种浮子克服了金属浮子长期浮在水面易锈蚀的缺点， 也克服了陶瓷浮子易碰破的不足。由于自重大，摩擦力大于仪器阻力1 0 倍以上， 提高了跳槽的可靠性，而生产成本降低很多。 4 2 2 浮子与摩擦力矩 圆柱形浮子的截面积、入水深度与水的比重和重力加速度g 的乘积为浮力， 被用于克服仪器的摩阻力，驱动水位测轮转动，两者决定了仪器的灵敏度和相 应的水位精度。从单纯的机械传动角度而言，用“力矩”来衡量其灵敏度的。 在1 9 9 3 年水利部水调中心和南京水文水资源所译印的国际标准草案中， i s 0 d i s 4 3 7 3 中的文字规定为“无论如何不能超过7 n m ”，即为7 0 k g c m 。 同时，在国标g b l l 8 2 8 - 8 9 中规定：“浮子直径一般不大于中2 5 m ” 1 。用直 径为2 5 m 的浮子去驱动7 0 k g c m 的水位轮当然是匹配的，但这在现实中是不可 能存在的。仪器的传动力矩关系到水位测量误差，在国际标准中的公式是： 肛而而f 。死n 百；i -r ， 式中e 一一水位误差( m ) ： n 一一驱动力( n ) ； p 一一河水密度( k g m 3 ) ： r l 一一浮子半径( m ) ； r 2 一一水位轮半径( m ) ： g 一一重力加速度( m s 2 ) ： f 一一驱动力矩( n m ) 。 式( 1 ) 中的e 也就是浮子在水位升降变化中的增( 减) 量m 所产生的 浮力与仪器的驱动力矩相平衡的结果，p 作为l 计算，则上式可改为： i n r 。i = n g( 2 ) 式( 2 ) 中r ：已被约去，m r2 。是浮力的增量。由于r ：是水位测轮的半 径，是力矩中的力臂长，公式中把r ：约去说明水位计的精度只和“力”有关。 2 3 浮子、测井与水位变率 浮子的直径大小直接关系到测井大小。测井有大、中、小三种，我们归纳 起来其直径( 或方形边长) 在0 8 m 以上的为大型测井，此类井多数为岸式： 直径在0 5 m 左右的为中型，有岛式或部分岸式：在0 2 m 左右的为小型，主要 是岛式、虹吸式及简易双管式。按国际标准对测井有两条要求：一是浮子边缘 距井壁距离必须大于7 5 c m ，二是进水口与测井面积之比为l ：1 0 0 0 ，如考虑到 进水慢导致水位延迟，则此比例可减少到1 ：i 0 0 。根据这些要求，测井必须是 大型的，如一个直径1 m 的测井，其进水口直径也只有巾3 c m 中l o c m ，这种规 格的测井可称为没有波浪的静水井。由于大型测井的造价在数万至数十万元， 难以推广应用。近十多年来新建的测井主要是中、小型测井，水位计浮子有中 2 0 c m 、中1 5 c m 、中1 2 c m 、中8 c m 等多种品种，测井造价大幅度下降，并已普遍 推广。中、小型测井的进水口直径如按国际标准的比例无疑是无法达到的，加 上我国水文地质情况复杂，高含沙量、高流速的测站相当多目前一批静水测 井已淤塞，大部分是靠人工经常清淤，难以实现无人值守。比较畅通的测井一 部分是清水站，另一部分是进水管面积与测井面积之比小于1 ：1 0 ，有的是l ：l 直接进测井。我国的黄河含沙量高达1 0 0 0 9 r a3 ，采用小比例测井至今仍然没有 淤塞。例如黄河花园口站、白马泉站、伊洛河东桩站等测井直径为4 0 c m ，进水 口为中2 c m 的小孔数十个，布于测井钢管四周，面积之比约l ：1 0 。但这些测井 都不是静水井，少则3 5 c m 的波浪。多则3 0 5 0 c m 的浪商( 如黄河上八盘峡 水电站) ，其水位变率实际上是波浪变率，可高达2 0 c m s 左右。在部标s l 6 1 9 4 中规定水位变率为o 4 0 c m m i n ( 即0 7 c m s ) ，在有浪测井中是远远不够的， 如果要建设真正代表水位变率的静水井，全国几千个国家站网就要增加上亿元 的投资，因此这个问题应该由水位计来解决。我们再计算一下在小比例测井 中，假设平均每分钟有1cm 的波动，如无故障工作次数m t b f 为1 0 6 次，即 以l c m 为一次，可工作1 0 0 万次，则工作天数仅为：1 0 0 0 0 0 0 ( 2 4 6 0 2 ) = 3 4 7 天。如果以真正水位变化量来计算：假设一年中有l o 次l o m 水位的变幅， 则一年的变量仅2 万次，则1 0 0 万次可以用5 0 年。为了使测井不淤塞，在多沙 河流中必须采用有一定波浪的测井这是水位自动测报中的关键问题。同时必 须选用水位变率超过2 0 c m s ，工作寿命大于1 0 7 次的才能适合长期工作 2 。 在浮子与测井中还有一个问题是悬索( 带) 在水位测轮中打滑，当水位波动变 率超过仪器允许变率时，打滑就会发生。水位计曾经采用带球钢索或带孔钢带， 类同于链式传动，在一般情况下是可以的，但在水位计上应用并不理想。其原 因是波浪运动带有冲击性，当浮子向上运动时，其悬索( 带) 突然失重，悬索 对水位测轮失去向下压力即失去或减少摩擦力，致使浮子移位或销钉跳出钢 带孔位，一旦离开孔位，链式传动就不存在了，打滑会继续下去。解决防滑的 简易方法是改变测轮的样式，由传统的单圈式改变成螺纹式，这样由于测绳在 测轮的螺纹中缠绕因而不会出现打滑现象。 2 4 浮子型式与特性 2 4 1 空心浮子 又称浮筒，用于驱动水位轮，它有几种外形，即球形、陀螺形和圆筒形。 球形浮子表面光滑且呈球状，因而不易积尘土，其最大浮力增量在球体中心线， 工作段很窄。陀螺形浮子重心低，稳定性好，工作段有一定深度，但仍较小。 圆筒形浮子的工作深度大，浮力也大。 2 4 2 实心浮子 自身不能浮于水面，靠平衡锤的重量产生向上的拉力，以此达到浮于水面 的目的。此浮子制造工艺简单，使用可靠性高，且成本低廉，其形式可以多样。 6 2 4 3 扁平形浮予 由于面积较大，很小的水位变化即可产生较大的浮力变化，适用于高精度 水位计。 2 4 4 圆柱形浮予 浮子的深度( 高度) 大于其直径即为圆柱形。该类浮子常呈细、微形。靠 足够的入水深度来获得较大的浮力。以提高其可靠性。 2 4 5 微型浮子 浮子直径小于8 c m 的一般可称为微型浮子。它常用于地下水和小管测井等。 2 4 6 斜坡型浮子 工作在斜式测井中，可装于滑轨上升降。 2 4 7 信号型浮子 浮子上带磁钢，可吸动干簧管或霍尔元件，发出水位增量信号或绝对量信 号。此类浮子没有驱动力的要求。 2 4 8 控制型浮子 用于水位自动控制，如地下水抽水、水塔供水等。浮子可以是信号型，也 可以是驱动型，一般体积较大，精度要求较低。 第三章绝对编码器 光电编码器作为位移一数字类传感器，在位移、方向、角度检测定位系统 中得到越来越广泛的应用。下面，就光电编码器就本水位计中的应用简单地介 绍编码器的工作原理、分类、选型原则及在本水位计中的应用范围和使用注意 事项。 3 1 光电编码器工作原理 光电编码器主要由安装在旋 转轴上的编码圆盘( 码盘) 、狭缝 以及安装在圆盘两边的光源和光 敏接收元件等组成，基本结构如图 3 1 所示。码盘一般由光学玻璃制 成，其上刻有许多同心码道，每位 3 2 光电编码器分类 编码器是理想的长度及角度测量传感 系统，配用相应的处理器或仪表后，可用于 精确地控制显示位移，角度，及转速等物理 信号。编码器通常可分为： 增量式编码器 绝对式编码器 1 、增量式编码器： 增最式编码器能在每一转发出若干个 脉冲信号。这些信号可被用来测量位移值 ( 角位移、线位) 。 斟盘 轴承 在增量编码其中，一个码盘被等分成图3 2 增量式编码器 若干个透明和不透明相间的区段，并被固定在编码器的轴上如图3 2 所示。 蕾弥+ 嚣 在码盘的一侧一个l e d 发出一束平行光，照射到码盘的透明和不透明的区 段在透明区段光会穿透码盘，而在不透明区段则不会。 在码盘的另一侧有一个光敏元件，接受从透明缝中透过的光，并将其调制 成两列相位差9 0 。的脉冲，经过放大电路后输出。增量式编码器通常有三个输 出信号( a ，b ，z ) ，另有一些还会有一组互补信号( a ，b ，c ) ，其中a 和b 的相位 差为9 0 。，z 信号为零信号，该信号每一转出现一次，可用作基准信号。 2 、绝对编码器： 绝对编码器能在每一个确定的角度位置给出一个确定的数值( 码制) 。 当编码器上电时，码值就会立即输出。码盘被分成若干个透明和不透明相 问的区段，并被牢固的固定在轴上，在码盘的一侧一组l e d 发出一束平行光，照 射到码盘的透明和不透明区段上，在透明区段管会穿透码盘，而在不透明区段 则不会。在码盘的另一侧有一组光敏元件， 接受从透明缝中透过的光，并将其调制成正 弦波，然后该信号被处理成数字信号输出。 绝对编码器可分成： 单转绝对编码器 多转式绝对编码器 1 ) 单转绝对编码器 单转绝对编码器将码盘的一周将码盘 的一周( 3 6 0 。) 分成若干个测量步，在每 一步都有一个确定的码值相对应。这些值在 每一转都会重复，如图3 3 所示。 2 ) 多转式绝对编码器 兜敞托件 圈3 3 单转绝对编码器 多转式绝对编码器不仅能每一个确定的角位置进行编码还能对转数进行 编码。 在每一转内的编码方式与单转式相同，为了区分转数，嵌有磁铁的码盘被 彼此相连，再由开关量霍尔传感器完成转数检测，进行转数编码，如图3 4 。 3 3 编码器的输出参数 ( 1 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 增量型编码器分辨率： 分辨率指每一转能发出脉冲的数量，也就是码盘被等分的份数。 9 例：编码器的分辨率：1 0 0 0 。指每一转 能发出1 0 0 0 个脉冲。 单转绝对型编码器分辨率： 分辨率指每一转产生编码的数量，也 就是码盘被等分的份数。 例：编码器的分辨率：1 0 2 4 ，指每转能 产生1 0 2 4 个编码。也就是说该编码的分辨率 为i o 位。 多转绝对型编码器分辨率：图3 4 多转编码器 1 单转分辨率( s t e p ) ，与单转编码器的定义相同。 2 多转分辨率( r e v o l u t i o n ) ，指能对转数编码的数量。 总分辨率为：s t e p s x r e v o l u t i o n s 例：编码器的分辨率：8 1 9 2 x 4 0 9 6 ，指每转能产生8 1 9 2 个编码，能进行4 0 9 6 转的编码，也可以说该编码器的分辨率为2 5 位( 其中单转1 3 位，多转1 2 位) 。 ( 2 ) 编码 当使用光学系统读取二迸制( b in a r y ) 编码时，可能会产生错误。因为在 不同的同心码道上，从一位到另一位的变换不能保证精确同步。 格雷码( g r a yc o d e ) 是单位变化码，即从一个位置到相邻位置仅有一位变 化，可提高位置检测的可靠性，因此，大多数绝对式编码器都采用格雷码。 格雷码充分利用了所有数位，从0 一直到2 “- 1 。 例：四位编码2 “1 6 。编码值从0 1 5 共1 6 个数。 十二位编码2 ”= 4 0 9 6 。编码值从0 4 0 9 5 共4 0 9 6 个数。 当要使用的分辨率处于中间如3 6 0 或1 0 0 0 ，应采用格雷余码，3 6 0 应采用9 位格雷余码编码器，1 0 0 0 应采用1 0 位格霄余码编码器。 ( 3 ) 绝对式编码器信号参数 绝对式编码输出可分为两种：串行输出和并行输出。 并行的输入输出线路图： 输入信号：逻辑o b2 0 0 m y ，r o 输出为高：当a 0 4 5 u s t 2 0 4 u s t 3 = 1 2 3 5 u s 图5 1 绝对编码器的时序图 该传感器有两个接口，而在使用时我们选择的是s s i 接口，从上面的时序 图可以看出，绝对的位置值由时钟信号触发的，从高位( m s b ) 开始输出与时钟 信号同步的串行信号s s i 标准的信号单转为1 3 位( 串行) ，多转为2 5 位( 1 3 + 1 2 位串行) 。当不传送信号时，时钟和数据位均是高位在时钟信号的第一个下降 延，当前值开始贮存，从时钟信号上升延开始，数据信号开始传送。t 3 为恢复 信号，等待下次传送。 为了能实现该时序图，在本仪器中我们用p o o 口来模拟输出时钟信号， 用p o 1 口来接受输入的信号，输入的数据用四个字节来存储。 4 0 卤 由 直 眄嘉酮 i 期问的数据输| f入输出口 l 指令：r l c 指令：m o v 耐序控制 图5 2 串行输入输出程序挺图 5 2 格雷码和二进制码的快速转换 2 6 】 格雷码是一种可靠性编码，因为其任意两个相邻的代码中仅有一位二进制 数不同，因而在数码的递增和递减码运算过程中不易出现差错。但是格雷码是 一种无权码，怎样和二进制码互相转换，则较为麻烦。 根据组合逻辑电路的分析方法。先列出真值表在通过卡若图化简，找出格 雷码和二进制码之间的逻辑关系。以四位格雷码和二进制码为例说明其简化方 法： 码值转化真值表 十进制数二进制数格雷码 nb 3b 2b lb og 3g 2g 1g 0 0o0000000 l0 0 0l000i 2o0l0o011 3o0ll0 ol 0 40iooo llo 5o10ojl1 60ll00 l0 1 7o1lio loo 8lo00 l1 0o 9lo01l l0 i 4 l l o10l0 i 1ll 1 ll0lll11o 1 21loolo1o 13110110 1 1 1 4 11 l010ol 151l1 ll0oo 上述真值表经过卡若图化简得： g 3 = b 3g 2 = b 3o b 2 g i = b 2 0 b lg 0 = b l0 8 0 将格雷码转换成二进制码时，一格雷码作为输入变量，二进制作为输出变 量，写出化简后的逻辑函数表达式： b 3 = g 3b 3 = g 3o g 2 b 1 = g 3 0 g 2 0 g 1b 0 = g 3 0 g 2 0 g 1 0 g o 由此可以看出，将二进制码变成格雷码时，高位是完全相同，下一位格雷 码是“1 ”还是“0 ”，完全是由相邻两位二进制码的“异”还是“同”来决定的。 因而可以用下面的1 2 1 诀来进行转换：高位同，从高到低看异同，异出“1 ”，同 出“0 ”。 二迸制码： 格雷码 例如：( 5 4 ) 1 0 = ( 1 1 0 1 1 0 ) 2 转换成格雷码时： 即( 5 4 ) l o = ( 1 1 0 1 1 0 ) 2 = ( 1 0 1 1 0 1 ) g 根据上式，b 3 、b 2 、b 1 、b o 要分别根据g 3 、g 2 、g 1 、g o 前一、二、三、 四位“1 ”的个数来决定。“l ”的个数为偶数则为“0 ”。这样位数较多时，则很 麻烦。且易出错。其实，我们只要把第一个关系式反过来使用就可以了。高位 是相同的，下一位二进制码与前一位是异还是同，只要看格雷码下一位是“1 ” 还是0 就可以了。是“1 ”则与前位相异，是0 则与前位相同。因而可用 下面的1 2 1 诀来转换：高位同从高到低看“l ”“0 ”“1 ”则异，0 则同。 例如：( 5 4 ) 10 = ( 1 0 1 1 0 1 ) g 转换方法如下： 格雷码： l0l1 ol 高 位贝0贝u贝4贝u贝u 同同 异异同异 二进制码： l1 01l 0 0 异出 同出0 ， 异出 o 异出， 同出o 高位同 即：( 5 4 ) l0 = ( 1 0 1 1 0 1 ) g = ( 1 1 0 1 1 0 ) 2 这里“1 ”则异，“l ”是指格雷码为“l ”时，二进制码则与前位相异；“0 ” 则同，是指格雷码为“0 ”时二进制码则与前位相同。 再举一例：( 18 2 ) lo = ( 1 0 1 1 0 1 1 0 ) 2 装换成格雷码： 二进制码：101101io 高 位异异同异异同异 同出出 出出出出出 格雷码： l11 01l0l 即( 18 2 ) 1 0 = ( 1 0 1 1 0 1 1 0 ) 2 = ( 1 1 1 0 i 1 0 1 ) g 若将格雷码( 1 l 1 0 1 1 0 1 ) g 转换成二进制码： 格雷码： lll01 l01 高 位贝0贝0贝0贝0贝0贝0贝0 同异异同异异 同异 二进制码： l01 l01l0 即( 1 8 2 ) t o = ( 1 l l o l l 0 1 ) g = ( 1 0 1 1 们1 0 ) 2 由此我们得到可以方便、快捷的格雷码转换成二进制的快速编程方法，具 体流程图见图5 3 所示： 图5 3 格雷码转换成二进制流程图 格雷码的存储位置为g d a t a 、二进制的存储位置在b d a t a 、r 6 中放的是循 环次数。在编程时，由于是要将1 3 位格雷码转换成1 3 位二进制码，因而需要 两个字节来存储，在转换第一个字节时r 6 为8 ，在转换第二个字节时r 6 为5 。 5 3x 5 0 4 5 的编程 x 5 0 4 5 器件包括一个控制器件工作的8 位指令寄存器。指令代码通过s i 输 入端写入寄存器中。有两种只需要指令字节的写操作。有两种用指令字节来启 动数据输出的读操作。剩下的操作需要一个指令字节，一个8 位地址，然后数 据字节。所有的指令，地址和数据都由s c k 信号同步输入。所有的指令( 表5 1 ) 、 地址和数据的传送都是m s b 在前。 表5 1 指令组 指令名称指令格式操作 w r e n 0 0 0 0 0 11 0 设置写使能锁存位( 使能 写操作) 群r o i9 0 0 0 01 0 0 复位写使能锁存位( 禁i r 写操作) r s d r 0 0 0 0 0 1 0 l 读状态寄存器 w r s r 0 0 0 0 0 0 01 写状态寄存器( 看门狗平【l 块锁) r e a d 0 0 0 0 a 8 0 ll 从选定的地址开始读存储 器阵列的数据 w rr t o o o o a t 0 1 q 从选定的拖址开始写入数 据之存储器阵列( 1 至1 6 字：霄) 注：指令的左端为m s b ，指令传送是m 5 b 在前。 下面给出x 5 0 4 5 的初始化、超时时间设置和e e p r o m 的写入，读出的程序。 ；定义 c sb i tp 2 0 ：x 5 0 4 5 的片选 s ob i tp 2 1 ；输出 s c kb i tp 2 2：时钟 s ib i tp 2 3 ：输入 ：奔3 x 5 0 4 5 写入一个数据字节子程序。要写入的数据( 各种指令字、状态 字或写入e e p r o m 的数据) 在累加器a 中 0 u t b y t ：m o vr o ，# 0 8 0 u t b y t l ：c l rs c k r l ca m o vs l ，c s e t bs c k d j n zr o ，0 u t b y t c l rs i r e t 从x 5 0 4 5 读出一个字节子程序读出的数据( 状态字或e e p r o m 中的数据) 在累加器a 中 4 5 i n b y t ：m o v l n b y t l ：s e t b c l r m o v r l c d j n z r e t 等待写入完成子程序 wj p p o l l ：m o v w i p p o l l l ：n o p c 乙r c l r m o v l c a l l l c a l l c l r s e t b j n b d j n z w l p p o l l 2 ：r e t r o ，撑0 8 h s c k s c k c ，s o a r 0 ，i n b y t l r 1 ，# 2 0 h s c k c s a ，# 0 5 h：读状态存储器指令字( r d s t ) o u t b y t；写入x 5 0 4 5 i n b y t：读x 5 0 4 5 的状态字 s c k c s a 0 ，w l p p o l l 2：w l p 位为q ， r 1 ，w l p p o l l l；否则 说踢写入已完成 延时一段时剐 5 4 数值运算 5 4 1 测量算法 在智能仪表系统中在绝对编码器输出的数字量再送入单片机后，此数字 量在进行显示、报警及控制计算之前，还必须根据需要进行一些加工处理，如 数字滤波、标度变换、数值计算、逻辑判断以及非线性补偿等等。这些工作都 是按照一定程序所规定的算法来完成的。 测量算法是指与测量技术有关的算法，其主要内容包括：克服随机误差的 数字滤波器算法、克服系统误差的校正算法，工程量变换算法等。设计智能仪 表必须设计恰当的算法。 1 ) 数字滤波器算法 当由于存在随机干扰使被测信号混入无用的成分时，可以采用滤波器滤掉 信号中无用的成分，提高信号质量。数字滤波器通过一定的计算方法对采样信 号进行平滑加工，具有高精度、高可靠性和高稳定性的特点，因此在智能仪表 中被用来代替模拟滤波器克服随机误差。它具有以下优点： ( 1 ) 数字滤波器是由软件程序实现的，不需要硬件，因此不存在阻抗匹 配的问题。 ( 2 ) 对于多路信号输入通道，可以共用一个软件“滤波器”，从而降低仪 表的成本。 ( 3 ) 只要适当改变滤波器的程序或运算参数，就能方便的改变滤波器特 性，可以对频率很低的信号滤波。 下面是研制水位计用到的数字滤波器算法，即算术平均值滤波。 算术平均值适用对般具有干扰的信号滤波，这神信号的特点是信号本身 在某一数值范围附近上下波动。当水位计在测量水位时，由于水是动态波动即 时我们采用了些手段，但水的波动是无法避免的，这种在采样时会带来干扰， 反映到仪表中就可被视为随机干扰，可采用数字滤波算法消除。 算术平均滤波是要按输入的n 个采样数据x i ( i = 1 n ) ，寻找这样一个y ， 使y 与各个采样值之间的偏差的平方和最小，即使 n e = m i n 【( y x ) 2 】 j - i 有一元函数求极值的原理，可得 l 甚 y _ 雨备鼍 上式即为算术平均滤波的基本算式。 设第二次测量的测量值包含信号成分s i 和噪声成分n i ，进行n 次测量的 信号成分之和为： 址 y s , = n s i m 噪音的强度用均方根来衡量的，当噪音为随机信号时，进行n 次测量的噪音强 度之和为 几广 、f n ；= 瓜n ti ，i 上式s 、n 分别表示进行n 次测量后的信号和噪音的平均幅度。 这样对n 次测量进行算术平均后的信噪比为： 粤：佤兰 4 n o n n 式中的s n 是算术平均之前的信噪比，因此采用算术平均值后，信噪比提高了 倍。有式知。算术平均值对信号的平滑程度完全取决于n 。当n 较大时，平滑 度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果y 的影响小：当n 较小 时，平滑度低，灵敏度高。对于研制的水位计，n = 8 是合适的 2 7 】。设计程序 时，采样值之和存入两字节的d a t a 中，采样次数n 存入单字节计数器 c o u n t e r 中。算法的程序框图见图5 4 。 4 7 图5 4 数字滤波流程图 5 4 2 标度变换 智能化仪表在读入被测模拟信号变换成数字量后，要转化成操作人员所熟 悉的工作量。这是因为被测对象的各种数据的量纲与传感器输入值是不同的。 这些参数经传感器转换后得到的一系列数码，这些数码并不等于原来带有量纲 的参数值，它仅仅对应于参数的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才 能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度转换。 对于线性系统来说，其标度变化公式为： y _ ! k 二羔。2 1 茎型越+ y n 。一n 。 上式中：y 为实际测量值： y m a x 为测量范围最大值；y m i n 为测量范围最小值 n m a x 为y m a x 对应的编码器转换值：n m i n 为y m i n 对应的编码器转换值 x ：测量值：y 对应的编码器转换值 标度转换经常和校准算法结合起来，以消除由零位、增益和编码器转换误差带 来的系统误差 2 8 。 3 ) 数值计算 智能仪表的软件设计除了测量算法的设计外，还有各种数值计算方法，包 括数制转换、四则运算等。在设计此算法时，主要从单片机字长、测量精度、 传感器转换子长、存储器大小等方面来进行设计。 考虑到浮点数运算程序占用较大的程序存储空间，而且定点数运算速度较 快，所以数值计算采用定点数运算 2 9 3 0 1 。 由于采用了定点数运算，而且编码器输出为2 5 位的，所以数据都以四字节 形式存储。参与计算的采样数据都乘以1 0 ，这是因为仪表的分辨率为1 m m 的。 5 5l c m l 2 8 6 4 的编程 对l c m l 2 8 6 4 进行编程实际上是编写测量结果的现实程序。采用软件泽码 的方法显示十进制数。首先将要显示的测量值转换成a s c i i 码，然后送显示。汉 字在a s c i i 码要占用两个字节表示，数字只需一个字节。 l 指令简单说明： 1 1 设定d d r a m ( d i s p l a yd a t ar a m ) 地址： i r sr wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2d b ld b 0 f 001a c 6a c 5a c 4a c 3a c 2a c la c 0 没定d d r a m 地址到位地址计数器( a c ) 第一行a c 范围为8 0 h 8 7 h ； 第二行a c 范两为9 0 h 9 7 h ： 第三行a c 范围为8 8 h 8 f h ： 第四行a c 范围为9 0 h 8 f h ： 1 2 设定c g r a m ( c h a r a c t e rg e n e r a t o rr a m ) 地址 j r sr wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2 d b ld b 0 f 0001a c 5a c 4a c 3a c 2 a c la c 0 堤定c g r a m 地址到地址计数器( a c ) 1 3 进入点设定( e n t r ym o d e s e t ) l r sr wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2d b ld b o 1 000o0o0 1i ds 指定在数据的读取与写入时，设定光标的移动方向及指定显示的位移 i d ：位址计数器递增递减选择 当i d = 1 ，光标右移，d d r a m 的位址计数器+ l ； 当l d = 0 ，光标左移，d d r a m 的位址计数器1 ； s ：显示画面整体位移 1 4 显示状态开关 r s r wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2 d b ld b o 1 0o o0001d cb l 控制整体显示光标、光标位置反e i o n o f f d ： 整体显示o n o f f 控制位 d = l ，整体显示o n d = 0 ，摧体显示o f f c ：光标显示o n o f f 控制位 c = i 光标显示o n c = 0 ，光标显示o f f b ：光标位置反i 刍o n o f f 控制位 b = i ，光标位置显示反白o n 一将光标所在处的资料反白显示 b = 0 光标位置显示反白o f f 1 5 光标或显示移位控制 f r sr wd b 7d b 6d b 5d b 4 d b 3d b 2d b ld b 0 l f 000ools ，c r lxx l 设定光标的移动与显示的移位控制这个指令并不改变d d r a m 的内容 1 6 写入资料到r a m r s r wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2 d b ld b o l 【1 0d 7d 6d 5d 4 d 3d 2d 1d o i 写入资料到内部的r a m ，当写入后会使( a c ) 改变 酬 r a m 位址( c g r a m d d r a m ) 都可连续写入两个b y t e 数据当写入第二个b y t e 时，位 址计数器( a c ) 的值就会自动+ 1 。 1 7 读取r a m 的值 l r sr wd b 7d b 6d b 5d b 4d b 3d b 2d b id b 0 f 1ld 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d 0 从内部的r a m 读取数据，当读取后会使a c 改变 当