0引言
　　液(ye)位包括液(ye)位信号器(qi)和連續液(ye)位測量兩(liang)種。液位信(xin)号器是對(dui)幾個固定(ding)位置的液(ye)位進行測(ce)量，用于液(ye)位的上、下(xia)限報警等(deng);連續液位(wei)測量是對(dui)液位連續(xu)地進行測(ce)量，廣泛應(ying)🔅用于農田(tian)灌溉、定量(liang)施量、高爐(lu)沖渣水位(wei)測量、環境(jing)監測等農(nong)業生産領(ling)域，具有非(fei)常重要的(de)意義。目前(qian)，對液位測(ce)量的精度(du)要求不僅(jin)愈來愈高(gao)，且需要測(ce)量儀能🈲夠(gou)适應一些(xie)特殊環境(jing)，如高溫、高(gao)壓、強放射(she)性及強腐(fu)蝕性等條(tiao)件。液态肥(fei)因其生産(chan)費用低、肥(fei)效高、易吸(xi)收、節💛支增(zeng)産效果顯(xian)著及施用(yong)過程中可(ke)以根據需(xu)要加入土(tu)壤所缺少(shao)的植物營(ying)養元素等(deng)優勢迅速(su)得到了廣(guang)泛應用💜。而(er)變量施肥(fei)作爲農業(ye)的重要部(bu)分，其技術(shu)基礎就是(shi)對液肥液(ye)位的準确(que)控制。目前(qian)市場上，液(ye)位控制系(xi)統大緻可(ke)分爲以下(xia)兩種:
1)機械(xie)式控制系(xi)統。機械式(shi)控制系統(tong)結構簡單(dan)、成本低📞廉(lian);但這🔞種控(kong)制裝置故(gu)障多、誤動(dong)作多，且隻(zhi)能單獨控(kong)㊙️制，與計算(suan)👈機進行通(tong)信較難實(shi)現。
2)交流調(diao)壓/變頻調(diao)速控制系(xi)統。該系統(tong)是通過安(an)裝在⛹🏻‍♀️水📧泵(beng)出口管道(dao)上的壓力(li)傳感器，把(ba)出口壓力(li)變成标🔴準(zhun)工業電信(xin)号的模拟(ni)信号，經過(guo)前置放大(da)、多📧路切換(huan)、A/D變換成數(shu)字信号傳(chuan)送到單片(pian)機，經單片(pian)機運算與(yu)給☁️定量的(de)比較，進行(hang)PID運算，得出(chu)調節參量(liang);經♻️由D/A變換(huan)給調壓/變(bian)頻調速👣裝(zhuang)置輸入給(gei)定端，控制(zhi)其🐇輸出電(dian)壓變化，來(lai)調節電機(ji)的🏃🏻轉速，以(yi)達到控制(zhi)水位的目(mu)的。
　　本文以(yi)液态施肥(fei)機爲依托(tuo)，針對一定(ding)體積的液(ye)肥🍉進行液(ye)位試驗，通(tong)過以單片(pian)機和投入(ru)式液位計(ji)爲主要硬(ying)件資源設(she)計硬件電(dian)路，畫出相(xiang)應的軟件(jian)😍流🈚程圖進(jin)行測試。數(shu)據分析驗(yan)證表明:該(gai)傳感器在(zai)✂️液肥液位(wei)測量中安(an)裝維🤟護方(fang)便，能适應(ying)液肥這種(zhong)🈚特殊環🐕境(jing)，其容量和(he)液位高度(du)🔞的測量誤(wu)差也滿足(zu)實際要求(qiu)。
1系統工作(zuo)原理及組(zu)成
　　微壓式(shi)液位計采(cai)用的是壓(ya)力敏感元(yuan)件實現力(li)－電轉換。傳(chuan)感器的液(ye)位量程是(shi)0～1．3m，且這段量(liang)程液位所(suo)對應的深(shen)度約合壓(ya)力相比🧑🏾‍🤝‍🧑🏼其(qi)他要小很(hen)多，因而稱(cheng)其👅爲“微壓(ya)式”。本系☁️統(tong)是所選的(de)正是微壓(ya)🈲式傳感器(qi)，它🔴将液位(wei)信号轉換(huan)爲4～20mA标準電(dian)信号輸出(chu)。
　　若設所測(ce)液體密度(du)爲ρ，液位高(gao)度爲h，大氣(qi)壓爲ρ0，重力(li)加速度爲(wei)g，則😘液體所(suo)受壓力p=ρgh+ρ0。這(zhe)時，爲抵消(xiao)大氣壓力(li)變化所帶(dai)💃🏻來的測量(liang)誤差💋，傳感(gan)器變送器(qi)部分采用(yong)導氣電纜(lan)将大氣壓(ya)力ρ0引入敏(min)感元件的(de)負壓腔，進(jin)而使p=ρgh。顯然(ran)，若已知液(ye)體密度，通(tong)🛀🏻過測取壓(ya)力p就可換(huan)算出相應(ying)的液位高(gao)度。
1．1單片機(ji)選型
　　該系(xi)統結構相(xiang)對簡單、運(yun)行速度快(kuai)，考慮到功(gong)能和⚽成本(ben)兼顧，采用(yong)以擴展性(xing)51系列單片(pian)機STC12C5412AD爲核心(xin)控制🔴元件(jian)。該芯片具(ju)有12kB用戶可(ke)自行安排(pai)的FLASH及FEPROM空間(jian)比例💋;在同(tong)樣的工作(zuo)頻率下，平(ping)均指令運(yun)算速度是(shi)普通8051的8～12倍(bei)［4］，滿足系統(tong)對數據處(chu)理的要求(qiu)，且掉電模(mo)式可由外(wai)部中斷喚(huan)醒，适用車(che)載信息系(xi)統。系統設(she)計方案圖(tu)如圖1所

1．2投(tou)入式液位(wei)計選型
　　其(qi)基于所測(ce)液體靜壓(ya)與該液體(ti)的高度成(cheng)比例的原(yuan)理，再✊将🌐靜(jing)壓轉換爲(wei)電信号，實(shi)現非電量(liang)到電量的(de)變換，利用(yong)這一特性(xing)來完成對(dui)液位的測(ce)量。主要技(ji)術參💚數如(ru)下:量程1．3m，精(jing)度0．5%Fs，電壓18～36VDC，輸(shu)出4～20mA。
其優點(dian)包括:①能實(shi)時測量罐(guan)内各點液(ye)位;②直流4～20mA标(biao)準電流信(xin)号輸出;③密(mi)封性好，測(ce)量元件不(bu)與液肥直(zhi)接🐅接觸，避(bi)免了液肥(fei)對🌈元件的(de)腐蝕。
2硬件(jian)電路設計(ji)
2．1電源電路(lu)設計
　　電源(yuan)電路圖如(ru)圖2所示。圖(tu)2中，爲了保(bao)證液位傳(chuan)感器能獲(huo)❤️得24V的直流(liu)供電，選用(yong)具有DC－DC單片(pian)控制電路(lu)功能的MC34063芯(xin)片，片内包(bao)❓含有溫度(du)補償帶隙(xi)基準源，能(neng)輸出1．5A的開(kai)關🛀🏻電源，且(qie)是使用最(zui)少的外接(jie)元件構成(cheng)的升壓變(bian)換器、降壓(ya)變換㊙️器和(he)電源反向(xiang)器［5］。

　　本系統(tong)電源電路(lu)采用具有(you)升壓轉換(huan)作用的MC34063芯(xin)片，與電😍感(gan)L、二極管D3、三(san)極管TIP122一起(qi)構成電源(yuan)電路。若TIP122導(dao)通時，+12V的輸(shu)入✍️電壓✂️經(jing)采樣限🈲流(liu)電阻R1、R2，流經(jing)電感L，随着(zhe)電感L電流(liu)😘增加，其兩(liang)端進⭐行儲(chu)存能量。此(ci)時，二極管(guan)D3是🚩防止電(dian)容C3對地放(fang)電，并由電(dian)容C3向負載(zai)供電;若TIP122斷(duan)開時，電感(gan)L及12V的👨‍❤️‍👨輸入(ru)電壓對電(dian)容C3充電的(de)同時電容(rong)C3對負載供(gong)電，負載🐆電(dian)壓穩定在(zai)+24V，穩💋壓的負(fu)反饋信号(hao)是電阻R7、R8的(de)分壓輸入(ru)🛀到MC36063的5腳。
2．2檢(jian)測電路設(she)計
　　硬件部(bu)分的核心(xin)爲STC12C5412AD，工作電(dian)壓由LM2576從24V轉(zhuan)變爲5V來提(ti)供。同🐅時，用(yong)MCU的3個🍉輸出(chu)引腳P1．1、P1．2、P1．3連接(jie)串并轉換(huan)芯片74HC595，就可(ke)實現對😍系(xi)統所有的(de)顯示功能(neng)及顯示元(yuan)件的控制(zhi)。圖3中的74HC595芯(xin)片Q0～Q7共8位輸(shu)出控制8個(ge)發光二極(ji)管，每個二(er)極管分爲(wei)閃、亮2段，共(gong)16段，通過燈(deng)的閃亮和(he)4個數碼管(guan)顯💔示的罐(guan)内液體容(rong)積值來記(ji)錄相關液(ye)位數據。其(qi)檢測電路(lu)原理圖如(ru)圖3所示。

3系(xi)統軟件設(she)計
　　系統軟(ruan)件是利用(yong)51系列單片(pian)機集成開(kai)發工具來(lai)進行C語言(yan)設計，采用(yong)模塊化設(she)計方式，由(you)系統與監(jian)控程序💔一(yi)起🌈管理執(zhi)行。系統軟(ruan)件主要由(you)主程序、初(chu)始化程序(xu)、定時中斷(duan)處理程序(xu)組成。其中(zhong)，系統主程(cheng)序包括A/D轉(zhuan)換子程序(xu)及顯示子(zi)程序。系統(tong)初始化後(hou)進🧡入主循(xun)環，定時中(zhong)斷處理程(cheng)序是對74HC595的(de)輸出進行(hang)控🥵制。系統(tong)主程序流(liu)程如圖4所(suo)示。

4數據測(ce)試及分析(xi)
4．1測試條件(jian)
　　爲驗證本(ben)設計的可(ke)行性，基于(yu)所測液體(ti)靜壓與該(gai)😄液體的高(gao)度成比例(li)，再将靜壓(ya)轉換爲電(dian)壓的試驗(yan)原理，搭建(jian)實際🔞的電(dian)路。用現有(you)的播種機(ji)儲液罐作(zuo)💯爲容器💘可(ke)容納近1000L的(de)液體。其實(shi)際測量高(gao)度如圖5所(suo)示。因液肥(fei)✏️與水密度(du)相近，所以(yi)用水作爲(wei)🐆測試對象(xiang)，在正式用(yong)液肥時驗(yan)證誤差，算(suan)出修正🐉系(xi)數，再寫入(ru)單片機中(zhong)進行校正(zheng)。


　　首先将液(ye)位計正确(que)安裝于儲(chu)液罐底部(bu)，接通電源(yuan)後利🤟用串(chuan)有流量計(ji)的電泵開(kai)始注水，注(zhu)意觀察液(ye)❗位的變化(hua)，待快㊙️到預(yu)🆚先暫定的(de)水容量處(chu)關閉電源(yuan)。此時，用萬(wan)用表讀取(qu)液位計處(chu)🌍理後的電(dian)壓值、記錄(lu)表示高度(du)顯示的LED的(de)🆚燈/閃數及(ji)⛱️流量計顯(xian)✔️示的實際(ji)⁉️注水容量(liang)，再用米尺(chi)丈量水的(de)實際液位(wei)高度。試驗(yan)🌈結果如表(biao)1所🍓示。
4．2數據(ju)分析
　　觀察(cha)表1的數據(ju)之間存在(zai)某種線性(xing)關系，用Mat-Lab對(dui)表1的壓力(li)與容量及(ji)液位高度(du)數據進行(hang)一次曲線(xian)拟合，如圖(tu)6所示。

　　根據(ju)圖6的拟合(he)曲線，可得(de)到對應的(de)回歸方程(cheng)爲
y1=513．0775x－542．8718
y2=45．1123x－39．7716其中，x代(dai)表電壓;y1爲(wei)容量;y2爲液(ye)位高度。
由(you)此可見:電(dian)壓與容量(liang)及液位高(gao)度之間确(que)實存在良(liang)🎯好的線性(xing)相關性，且(qie)從表1中也(ye)可以看出(chu)LED燈的亮🥵、閃(shan)數👨‍❤️‍👨随液位(wei)高度而變(bian)化。　　因此，一(yi)旦配比好(hao)定量的液(ye)肥，在變量(liang)施肥機工(gong)作時，可以(yi)根據LED燈來(lai)判斷其💰液(ye)位高度，用(yong)數碼管來(lai)顯示其♉容(rong)量。
分析對(dui)比表2的數(shu)據可知:液(ye)位高度誤(wu)差在允許(xu)範圍之内(nei)📱，拟🛀合容量(liang)的負數除(chu)了與傳感(gan)器的安裝(zhuang)位置及⭐儲(chu)液👈罐的🌈形(xing)狀🔞有關👣以(yi)外，和換算(suan)容量的基(ji)點(零點)也(ye)😍相關。因此(ci)，可以重新(xin)選一個容(rong)量和高度(du)基點來解(jie)決。

5結論
　　以(yi)STC12C5412AD單片機爲(wei)核心的液(ye)肥檢測系(xi)統，可以動(dong)态地顯示(shi)液位及容(rong)量的變化(hua)，實用性較(jiao)強，且成本(ben)低廉。在随(sui)機⭕的測⭐量(liang)試驗中，節(jie)省了人力(li)及物力，同(tong)時也提高(gao)了檢🌂測的(de)效率。該投(tou)入式液位(wei)計體積小(xiao)巧、使用💞方(fang)便、維護成(cheng)本不高，優(you)于其他如(ru)超聲波傳(chuan)感器。試驗(yan)數據分析(xi)表明:該微(wei)壓🚩傳感器(qi)性能指标(biao)能滿足🤟較(jiao)高精度要(yao)求的測量(liang)，爲液肥播(bo)種機的進(jin)一步智🚩能(neng)化奠定了(le)一定♋的實(shi)踐基礎，對(dui)其它的液(ye)位測量🐆也(ye)具有較好(hao)的借鑒作(zuo)用。

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