目 录
1 前言 1
1.1 课题研究的背景及其重要意义 1
1.1.1 课题研究背景 1
1.1.2 课题研究意义 1
1.2 智能仪器的研究状况 2
1.3 智能仪器的发展趋势 4
1.4 液位和液体流速检测系统的结构和功能 6
1.5 本文的主要工作 7
2 系统设计的整体规划 8
2.1 测量的基本理论 8
2.1.1 测量的基本概念及方法 8
2.1.2 现有液位测量方法及存在的问题 8
2.2 系统结构 11
2.3 软件模块框图 12
3 单片机控制电路 14
3.1 传感器输出电路及相关的计算 14
3.1.1 脉冲宽度检测 14
3.1.2 频率检测 15
3.2 本地液位信号变送模块的供电方案 16
3.3 单片机的 CCP 模块的捕捉功能 16
3.4 抗干扰措施 17
4 键盘显示电路 19
4.1 键盘显示接口设计 19
4.2 键盘显示部分软件设计流程 21
4.3 报警电路与地址设定电路及其程序流程 34
5 相互通道设计 37
5.1 系统整体结构 37
5.2 主控机的整体设计 37
5.2.1 主控机的结构 37
5.2.2 通信选择电路 38
5.2.3 无线通信模块 F05系列 40

3

西安理工大学硕士学位论文
5.3 可靠的数据编码 40
5.3.1 设计原理 40
5.3.2 实现电路及程序 42
5.4 无线传输数据的帧格式 43
5.5 传输数据的CRC 校验 44
5.5.1 检错与纠错 4
5.5.2 CRC 校验原理 44
5.5.3 系统中CRC -16校验过程 46
5.6 、 多机间的无线通信 48
6 总结与展望 49
致谢 50
参考文献 51
读研期间发表的论文 53

1 前言

1.1 课题研究的背景及其重要意义

1.1.1 课题研究背景

液位测量一直与自动化密切相关，液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域，尤其 是工业生产过程领域。化工、石油、矿山等企业总是有许多盛液的反应锅(罐)或贮槽需 要测定液位；水电、港务、航道等部门也需要测定水库、港口或航道的水位；国防部门等 需要测定飞机、坦克之类的动力油箱中的油位。从测量范围来说，小的只有几十个厘米， 大的可达几十米；从精度要求来说，有的只允许1 毫米误差，有的却允许几厘米甚至几 十厘米的误差；从测量环境和条件来说，有的很简单，有的却非常复杂112713)。
目前国内外在液位监测方面采用的技术和产品很多，按所采用的测量技术及使用方法 分类，传统的液位测量归纳起来主要有以下几种：差压式、浮体式、声波式、电容式、核 辐射式、直流电极式、光纤式、感应式等等4。
近年来由于微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。新的检测原理与 电子部件的应用使得液位测量仪更趋向小型化和微型化，特别是一些小型现场液位开关发 展极快，如超声液位计和振动式液位开关，由于没有可动部件，所以可靠性高，不仅可现 场显示，而且可以发出控制信号。与此同时，液位检测也在向着智能化发展，在液位测量 领域内广泛应用微处理技术，以实现故障诊断和报警，目的是提高测量的精确度、可靠性、 安全性和多功能化。在传感器方面，在应用和设计中尽量实现不接触式或不渗透式测量， 其中以超声波式液位计、光学式液位计、电磁式液位计与辐射式液位计最为典型，从而提 高探头对恶劣的过程条件的抵抗能力。

1.1.2 课题研究意义

在石油化工、饮料、轻纺等行业，企业生产管理部门每天都要掌握罐内储存介质的 液位、密度、温度、体积和质量等重要数据。多年来，广大用户一直在寻找一种价格便宜、 寿命长，能精确监视储罐货存、工艺流程、计量交接、便于操作维护、易于计算机网络化 管理的新技术、新设备。在国内企业，90年代开始， HIG 系统在沿海少数合资石化公司

有少量应用，由于价格较高等原因，在国内企业一直很难推广，国内用户需要的不仅是性 能具备国外先进水平的同类设备，更为重要的是结合我国石化企业储运领域的实际使用情 况、用户经济承受能力和日后系统维护方便的高精度液位测量系统。目前，国内大多石油 行业储罐液位测量仍采用人工测量方法，因此研制一套成本低、寿命长、易于安装和维护 的高精度测量系统替代进口产品，具有巨大的经济效益。
在自动医疗监护系统中，信号提取是医疗监护系统工作的首要前提。医疗液位信号 自动检测和传输也是信号提取的过程，医疗工作人员常常需要检测和控制液体的储量或液 位，如人工肾机的透析液储液罐中透析液储量、自动洗胃机中冲洗液的液量、中医使用的 药浴机中煎药锅中的水位、等等。如果对仪器中液体储量疏于监测，在液体储量失控情况 下可能会给患者带来伤害甚至危机其生命。通过对这些液体储量的监测，医护人员便可以 随时了解液体余量，并能在液体缺少时及时自动和人工补充或者采取其他措施，维护医疗 设备的安全运行。因此，如何更好地对医疗液位进行监测， 一直是医学工程人员考虑较多 的课题之一。
为此我们研制了液位和液体流速实时检测系统，该系统自动检测液位，精确测量液体 流速，并且进行巡回检测和显示。当液位低于设定下限值、液体流速过高或过低时，在上 位机和相应的下位机发出声光报警，提醒有关人员及时处理。

1.2智能仪器的研究状况

智能仪器是一种典型的单片机应用系统，它是计算机技术、现代测量技术与大规模 集成电路相结合的产物。
自从1971年世界上出现了第一种微处理器以来，微计算机技术得到了迅猛的发展， 电子计算机从过去的庞然大物缩小到可以置于测量仪器中，作为仪器的控制器、存储器及 运算器，并使其具有智能的作用。1973年出现了第一台智能仪器——内部装有4位微处 理器的电容电桥，1975年出现了70多种智能仪器，1979年已增至600余种，1980年出 现了1000种左右，随后的智能仪器的发展速度更是迅猛。
最早出现的智能仪器之一是美国 HP 公司的1772A 示波器，它的微处理器部分是用 HP-35 手持计算机改装的，其保留的传统硬件较多，而且没有对外接口功能。早期的智 能仪器都采用4位微处理器，如美国的DANA 公司的9000系列计时器/计数器； Systron Donner 公司的7115数字电压表其面板采用了键盘，淘汰了传统的波段开关和调节器，并

具有计算功能、自动校准功能、对外接口功能及自诊断功能。商品化的智能仪器最早出现 于1973年，1978年至1980年智能化仪器设计日趋完善， 一些常用的智能仪器在一些大 公司的主持下已基本上实现了系列化，如英国 DATRON 公司的智能数字电压表系列及 瑞士 Mettler 公司的智能化电子天平系列等，这些智能仪器大都采用了8位微处理器，少 数还采用了16位微处理器。80年代初期，出现了可携式精密数字万用表、可程控校准仪 等。进入90年代后，在高准确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微计 算机技术的了6。
我国电磁测量信息处理仪器学会于1984年正式成立了“自动测试与智能仪器专业学 组”,1986年 IMEKO(International Measurement Confederation)以“智能仪器”为主题 召开了专门的讨论会，IFAC(International Federation ofAutomatic Control)1988年的理事 会正式确定“智能元件及仪器”为其系列学术委员会之一。1989年在我国武汉召开了第 一届测试技术与智能仪器国际学术研讨会。此后，我国有关智能仪器的研究与应用层出不 穷 7 。
智能仪器作为新一代的电子仪器，从工作原理来看它的发展经历了三个阶段。

1. 模拟式仪器。
   模拟式仪器的基本结构是电磁式和力学式，仪器基于电磁测量原理和力学转换原理并 用指针来显示最终的测量结果。典型的模拟式仪器有指针式电压表、电流表、功率表和一 些通用的测试仪器，这些仪器不管其原理和结构如何都有一个共同的特征，直接对模拟信 号进行测量或控制并最终以指针的运动来显示测量结果7。
2. 数字化仪器。
   数字化仪器的基本原理是将待测的模拟信号转换成数字信号后进行测量，并将测量结 果以数字形式进行显示与输出。数字化仪器精度高、速度快、显示清晰直观。典型的数字 化仪器如数字电压表、数字频率计、数字式温度显示调节仪等。数字式仪器与模拟式仪器 相比在原理、结构上发生了根本性变化，其基本原理是将模拟信号转化为数字信号进行测 量或控制，尤其数字集成电路被大量采用，A/D 转换、D/A 转换和十进制数码显示是数 字化仪器最明显的特征标志。数字化仪器给人以直观的感觉、响应速度和测控精度也比模 拟式仪器提高了许多7。
3. 智能仪器。
   智能仪器是指能在计算机的控制下，通过各种测量传感器将被测信号转换成电压或电 流信号，再经 A/D 转换器转换为数字量送入计算机进行计算与处理，并根据实际要求进

行各种操作的一类仪器。智能仪器无论在测量速度、精确度、自动化程度还是性能价格比 等方面，都是传统仪器所不可比拟的，它具有数据存储、运算和逻辑判断能力，能根据被 测参数的变化自动选择量程，可自动校正、自动补偿。微处理器是智能仪器的控制中枢， 其功能由软、硬件相结合来完成7。
智能仪器的发展体现在对传统仪器的改进和新型仪器的出现两个方面，比如传统的手 持式万用表，采用单片机控制后，功能更加多样，使用更加方便，可靠性及准确度也大大 提高。目前，已研制出的智能仪器有智能通用计数器、智能多用表、温度程序控制仪、变 频调速控制器、多通道 PH 控制器、色谱分析数据处理仪、高频多线示波器、激光测距 仪、红外线气体分析仪、B 超探测仪、智能流量计、数字万用表与智能电度表等。此外， 在磁测量仪器方面，采用微机的精密测磁装置已经可以实现对磁性材料的智能化测量。这 种新型的测磁装置测量准确度高、数据处理能力强、量限宽、自动化程度高、操作简便、 可自动绘图及打印测试结果6。
经过十多年来的发展，智能仪器在测量过程自动化、测量结果的数据处理及一机多 用等方面取得了巨大的进展。目前，智能仪器已广泛应用于工业企业、医疗、科研单位 和家用电器中，正向着结构简化、体积减小、成本降低、性能价格比提高的方向发展。近 年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处理发展，体现为模糊判断、故障诊 断、容错技术、传感器融合、机件寿命预测等。

1.3 智能仪器的发展趋势

智能化测量仪表的发展趋势体现在以下几个方面：
1、微型化
微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从 而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字 信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪 器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用领域也 将不断扩大。
2、多功能化
多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。例如，为了设计速度较快和结构较复杂的 数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、频率合成器和任意波形发生器等功能的

函数发生器。这种多功能的综合型产品不但在性能上(如准确度)比专用脉冲发生器和频 率合成器好，而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。
3、人工智能化
人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医 疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能， 即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉(图形及色彩辨读)、听觉(语音识别及语言领 悟)、思维(推理、判断、学习与联想)等方面具有一定的能力8。这样，智能仪器可 无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。显然，人工智能在现代仪器仪表中的应用， 使我们不仅可以解决用传统方法很难解决的一类问题，而且可望解决用传统方法根本不能 解决的问题。
4、网络化
伴随着网络技术的飞速发展， Internet 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统 设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet 的通讯能力以及对设计好的智能仪器 仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。
5、虚拟仪器化
测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚 拟现实系统中，数据分析和显示完全用PC 机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的 数据采集硬件，就可以与PC 机组成测量仪器。这种基于PC 机的测量仪器称为虚拟仪器。 在虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同 的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心，“软件就是仪器”19[10。
智能化仪器仪表是计算机科学、控制工程、数字信号处理等新兴技术与传统的仪器仪 表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加 广泛的应用。作为智能仪表核心部件的单片机技术是推动智能仪表向小型化、多功能化、 更加灵活的方向发展的动力。可以预料，各种功能的智能化测量仪表在不远的将来会广泛 地使用在社会的各个领域。
与传统仪器仪表相比，智能仪表具有以下功能特点11 :
① 操作自动化。仪表的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的 采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全 部自动化。
② 具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自

动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启 动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。
③具有数据处理功能，这是智能仪表的主要优点之一。智能仪表由于采用了单片机或 控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常 灵活地加以解决。
④具有友好的人机对话能力。智能仪表使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人 员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪表还通过显示屏将 仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪表的操作 更加方便直观。
⑤具有可程控操作能力。 一般智能仪表都配有GPIB,RS232C,RS485 等标准的通信接 口，可以很方便地与PC 机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统， 来完成更复杂的测试任务。

1.4 液位和液体流速检测系统的结构和功能

为适应产品智能化、人性化的一个发展趋势，本系统采用无线通信技术，既能实现本 地人机信息交换、声光报警的功能，又能实现液位的远程检测显示和远程监控的功能。
本系统的使用面向非常广，通过此装置，可以减少人工，实现智能化。可以通过上 位机来实时监控各下位机的液位状况和液体流速。本系统基于MCS51 系列单片机，利用 单片机的中断功能，通过捕捉信号的上升沿和下降沿，实现液位检测和流速检测。在任一 下位机和总监控室都可以设定液位下限和液体流速上下限以及动态显示。扩展的无线监控 功能使得上位机可以通过自定协议控制各个下位机，并检测接收下位机的状态参量。
按功能分析，液位自动检测系统主要由传感器，信号转换电路、单片机及外围电路、 显示报警、无线通信模块和主站等部分组成。系统包括从站和主站两个大的功能模块：
(1)从站模块。
本模块包括信号采集电路，还包括液体流完或发生异常报警电路，液位检测显示电路 和液体流速显示。在液体流完和流速过高或过低时进行声光报警，本模块通过无线传输模 块实现下位机和上位机的实时通信功能。
(2)主站模块。
显示器屏幕模拟状态显示，声光报警，键盘控制操作与从站的通信，通过无线通信循

环采集从站的液位和流速数据。

1.5 本文的主要工作

1)本文介绍了智能化测量仪表的发展状况和趋势，阐明了课题背景，指出了课题研究的 现实意义，并简单提出了研究和设计方法。
2)液位自动检测系统的总体设计，在硬件方面，以MICROCHIP 公司的中档系列单片机 为核心构成液位监控系统。 一台51单片机分机负责一个下位机的液位监控任务，下 位机与上位机的通信可以采用无线通讯方式，无线通讯对发送数据进行 CRC 校验和 独特的编码，提高了数据传输的可靠性。有线通讯可靠性高，通讯速度快，但成本高。 无线传输避免了远距离布线所带来的损耗大，成本高的缺点。由PC 机直接通过RE232 串行通讯读取上位机处理后的数据，进行集中图形显示(这部分工作由其他同学完
成 ) 。
3)完成硬件调试工作。

2 系统设计的整体规划

2.1 测量的基本理论

测量是检测技术的主要组成部分，测量得到的是定量的结果。人类生产力的发展促 进了测量技术的进步。商品交换必须有统一的度、量、衡；天文、地理也离不开测量； 17世纪的工业革命对测量提出了更高的要求，如蒸气机必须配备压力表、温度表、流量 表、水位计等仪表。现代社会要求测量必须达到更高的准确度，更小的误差，更快的速 度，更高的可靠性，测量的方法也日新月异。
本文设计的原则是设计高性能低价格的产品方案。所以在方法实现的取舍上会着重 考虑这一点。
2.1.1 测量的基本概念及方法

测量是借助专门的技术和仪表设备，采用一定的方法取得某一客观事物定量数据资 料的认识过程。所谓定量，就是使用一定精度等级的测量仪器仪表，比较准确的测得被 测量的数值。例如，用电子天平测量大气尘降，可以精确到0.lmg; 又如，用磁敏三极 管可以测出地球磁场万分之一的变化，从而可以用于探矿或判定海底沉船的位置。测量 过程实质上是一个比较的过程，即将被测量与一个同性质的、作为测量单位的标准进行 比较，从而确定被测量是标准量的若十倍或几分之几的比较过程，用天平测量物体的质 量就是一个典型的例子。
测量结果可以表现为一定的数字，也可表现为一条曲线，或者显示成某种图形等， 测量结果包含数值(大小和符号)以及单位。
对于测量方法，从不同的角度出发，根据被测量是否随时间变化可分为静态测量和 动态测量。根据测量的手段不同可分为直接测量和间接测量。根据测量结果的显示方式， 可分为模拟式测量和数字式测量。根据测量时是否与被测对象接触，可分为接触式测量 和非接触式测量。另外为了监视生产过程，或在生产流水线上检测产品质量的测量称为 在线测量，反之属于离线测量。本论文研究的液位检测方法，属于动态测量，直接测量， 数字式测量和在线测量等不同分类122。

2.1.2 现有液位测量方法及存在的问题

从简单原始的浮子，到光纤传感器、计算机等现代技术，都可以在液位测量中得以 施展。从测量原理看，目前己经有浮子、压差、电容、超声、射线光纤、磁致伸缩式等

液位测量仪表，而且众多国外研究机构仍在不断改进现有产品，开发新产品。任何一种 液位计一都不会完全取代另外一种，它们都有着自己适宜的应用范围。下面对这些液位 测量方法加以综述。
(1)浮子式液位计
浮子式液位计就是将特定密度的浮子置于液面之上，并将浮子与容器外的弹簧，马 达通过推挽钢带联成一体。当液面浮子升降时，弹簧马达随之正反转，这样就将液面高 度转换成了马达的转角信号，继而转变成电信号显示、远传。在大型容器中，一般还需 要加装钢丝作为浮子的导向轨道。
浮子法简单易行，有比较高的精度。但对粘度大的液体，浮子容易被粘结；尤其是 当液面剧烈波动时，钢带随之剧烈晃动，短期内可以导致钢带的疲劳断裂。一旦钢带折 断，对大型原油罐而言，其维修是极其困难的，因为不仅需要排空罐内液体，进罐维修 人员还将面临有毒、缺氧、黑暗、罐底滑倒、易燃易爆等恶劣处境。事实上，断带就意 味着液位计的废弃，可维护性是很差的。
(2)差压式液位计
用差压变送器测取瓶底及瓶顶两处的静压之差△P, 按静压原理，△P=Hpg, 其中H 是液柱高度，液体密度p 是常数，故差压的大小就反映了液位的高低。
差压液位计完全在瓶外安装，易于维护。但是，瓶底引压管线(或介质接触面)常 被沉淀物、粘稠介质堵塞，影响压力传递，尤其在寒冷季节堵塞更加严重，必须定期排 污，维护量大。另外，该方法属于间接测量方法，测量精度受液体密度的影响。比如， 储油罐中原油密度受成分、含水率、温度的影响会发生变化，导致液位测量误差。所以 说差压法用在原油储油罐中是一种维护量大、精度不高的方法。对于沸腾状态的液体(如 啤酒),差压法还可能得出“虚假液位”。
(3)电容式液位计
对圆柱壳金属容器，在其中心竖直插入一根电极，则电极与器壁之间就可视为柱型 电容器。液上部分的电容器以空气为电介质，液下部分的电容器以液体为电介质，二者 并联构成了整个电容，该电容的容量公式为：

其中e,e。分别为空气和液体的介电常数，H,D,d 为柱型容器的高度、内径和内 电极外径，L 为液体高度。在以上参数都是常数的情况下，总电容C 与液位高度L 存在 着线性关系。将此电容进行必要的转换，就可以得到液位(13)【142。
这种方法灵敏度高，动态响应特性好，其中电容测试转换电路的抗干扰性能是关键 的。它的缺点是工作湿度、温度、电极腐蚀会影响测量精度，测量输出经常漂移，须定 期标定。

(4)雷达/超声波液位计
雷达/超声波液位计依据脉冲一回波方式工作，天线向被测对象发射出较短波段的微 波脉冲，一部分微波穿过介质，另外一部分在被测物料的表面产生反射后，由发射器接 受，发射器天线到物料表面的距离正比于微波脉冲的运行时间：
D=c×t/2
式中：D 为发射天线与物料间的距离； c 为声速；
t为运行时间；
对发射与反射波束中的每一点都进行超声采样采集，信号经处理后得到介质与发射
天线之间的距离。
如果希望高精度测量(1mm) 则需要应用频差原理，应用复合脉冲雷达技术，用同 一天线将一段经调制的脉冲发射并接受，与被测介质表面返回的脉冲信号作比较，其频 差代表了所测距离，从而得到物位高度。
超声波液位计适用于各种液体(如高粘度液体，其表面为水平即可)、开闭口容器 和槽渠等场合。它的各个部件不需接触液体，从而克服了浮子式、差压式、电容式等接 触测量所带来的泄漏、清洗等麻烦。但是其换能器仍要安装在容器内部顶端，易被蒸汽 腐蚀，且工作温度、湿度都会影响超声波传播速度，从而造成测量误差16。超声波液 位计的安装还需要有一条从换能器到液面的垂直、反射通畅通道，不能被内部件所阻挡。 这个要求在内装空冷、加热盘管的容器上是难以满足的。
(5)磁致伸缩式液位计
磁致伸缩式液位计的工作原理是磁致伸缩效应，其核心的传感部件是美国 MTS 公 司发明的磁致伸缩线。当要进行测量时，数测仪电子头部产生一低电流“询问”脉冲，
此电流同时产生沿波导管内的感应线向下运行的电流磁场。在数测仪管外配有浮子，此 浮子沿测量杆随着液位波动而上下移动。由于浮子内装有一组永久磁铁，所以浮子同时 产生一个磁场。当电流磁场与此浮子磁场相遇时，产生波导扭曲的脉冲，简称为“返回” 脉冲。询问脉冲发出至检测到返回脉冲的时间确认为浮子的位置15’。其优点是首先，
没有强制运动部件、没有疲劳，是无损伤性检测，寿命长、稳定性好。其次，其扭转应 力波的特异性好，不存在干扰。再次，应力波的传播速度不变，仅取决于磁致伸缩线材 料，与其它因素无关。其缺点是采用插入式安装，属于接触测量。由于仍使用浮子，所 以不适于原油等高粘度易粘结的介质，对大型容器，故障维修困难。其原理如图2-1所 示