来源：国外电子元器件 作者：南京河海大学 舒大兴 广东廉江水利局 陈 伟 摘要：在对传统浮子式液位计优缺点进行分析的基础上，介绍了采用ti公司msp430f133单片机改进传统浮子式液位计液位测量的方法，给出了具体电路的设计方法和软件设计注意事项。 关键词：浮子；液位计；单片机；超低功耗 水文测量中最常用的测量终端莫过于液位计，按测量方式大致可分为机械浮子式、光电浮子式、超声波式、激光式、振弦式等多种形式，它们各有优缺点。机械浮子式和光电浮子式都是来用机械齿轮减速产生进位和退位的办法来形成编码，为了产生可靠编码，一般都用格雷码输出，这种液位计的优点是价格相对较低，缺点是机械加工复杂、运行阻力大、使用寿命短；超声波液位计和激光液位计测量精度较高且没有机械部件，故可靠性较高，但使用中发现它对反射目标有一定的要求，受环境因素影响较大，最关键的一点是因为复杂的信号处理电路导致其成本居高不下，目前还难以推广；振弦式液位计主要用于小量程液位的测量。为了用较低的成本完成大量程液位的长期可靠测量，笔者利用ｍｓｐ４３０单片机的低功耗特性结合光电液位的绝对位置测量功能设计了一种新型液位计—磁光液位计，现简要介绍如下。１ 机械工作原理 本液位计同普通光电液位计一样有一个光电码盘（如图１所示），码盘白色部分反射光线，而黑色部分吸收光线，图２所示的光耦和图１所示的码盘间距约２ｍｍ，并采用圆心安装。光耦随电路板固定在液位计外壳上，液位变化时浮子牵引水位轮转动，安装在同一轴上的码盘也随水位轮作圆周运动，当码盘旋转时，码盘就会吸收或反射来自光耦的光线，从而使８位光耦根据码盘和光耦的相对位置输出８位格雷码编码，传统的光电液位计用一个减速齿轮带动另一个码盘转动从而获得高位编码，而本液位计摒弃了所有的齿轮减速机构，用安装角度为１２０°的三只干簧管来计算码盘旋转的圈数，当码盘旋转时安装于其上的磁铁依次吸合三只干簧管，根据这一次序就可以判断液位是以液位上升的方向增加圈数还是以液位下降的方向减少圈数。这样一来单圈的绝对位置可以通过码盘的编码得到，而旋转的圈数可以由干簧管的吸合次序得到，综合起来就可以得到液位高程，从而完成液位的测量。２ ｍｓｐ４３０单片机简介 ｍｓｐ４３０系列是ｔｉ公司的超低功耗单片机，它有多种低功耗模式，在ｌｐｍ４模式时的典型工作电流仅为０．１μａ，并能在６μｓ内响应外部中断；另外它还有特别宽的工作电压范围：１．８～３．６ｖ，实际使用中发现：常温下即便电源电压为１.２ｖ，该器件仍能全速正常工作。ｍｓｐ４３０ｆ１３３的性能特征见表１。表1 msp430f133的性能特征 设计时选用一只１ｆ的电容来储存电能，假设加上１２ｖ电源后电路充电电流为１００ｍａ，充电时间为２ｓ，则按０．５μａ（实际放电电流不大于此数据值）放电可持续１１０小时。因此只要液位测量间隔不大于１１０小时就能保证单片机在掉电期间正常工作。在本电路中ｍｓｐ４３０平时以内部ｒｃ振荡器作为主时钟，以钟表晶体振荡器（３２７６８ｈｚ）作为通信时钟，最高通信速率可达９６００ｂｐｓ，低功耗ｌｐｍ４时关闭所有时钟源。３ 电路工作原理 图３所示是本液位计电路的工作原理图，当测量当前液位时，首先由上位控制器给电路加１２ｖ电源，此时继电器ｊｄ１吸合，一方面由ｒ２８、ｕ３组成的稳压电路给电容ｃ４６进行恒流限压充电，以补充断电后单片机工作所需电能，另一方面将ｗａｋｅ信号由“０”切换到“１”，唤醒单片机进入全速正常工作状态，通过测量８只光电耦合器电平可得到码盘在一个圆周内的具体位置编码（８ｂｉｔ格雷码），再加上正（反）向旋转的圈数就可以计算出实际液位，也可换算成格雷码输出以兼容其它浮子式液位计，同时还通过４８５总线按要求的协议输出液位以满足自动测量的要求。６位液晶显示器用于在本地显示液位值，其电源由单片机的口线来提供，目的也是便于在掉电时关闭液晶显示器的电源。 一旦外部＋１２ｖ电源撤去，ｗａｋｅ信号将消失，单片机立即将口线切换到合适的电平，并进入低功耗状态ｌｐｍ４，此时ｃｐｕ的功耗只有０．１μａ，码盘上的磁铁随码盘转动，当磁铁转动到三只干簧管附近时，干簧管吸合并立即引起单片机引脚电平的变化，ｍｓｐ４３０单片机能在６μｓ的时间内在低功耗状态响应这一变化，记录下变化过程后又立即回到低功耗状态以最大限度地节省电能。研究中发现，干簧管从吸合状态回到断开状态有一个迟滞过程，正好可以防止液位在某一点轻微波动时使干簧管频繁动作，从而避免单片机退出掉电状态而消耗额外的电能。在电路板上三只干簧管以１２０°的间隔均匀地分布在同一圆周上，允许液位计