感应式数字水位传感器智能变送器设计

2．1．1 电路原理分析
从感应式数字水位传感器的原理可以得出：流入水位传感器的电流与水位是成线性变化的，而且当水位固定不变化时，流入水位传感器的电流是确定值。现假设水位的变化是△L，电流的变化是△I1，于是△I1=K·△L(其中K是比例系数)。在分析带有运算放大器的电路时，总是把它看成理想运放。根据理想运放的分析方法设输出电压变化为△Vo，则可以得到

其中

因此可以上式看出：输出电压的变化△Vo与水位的变化△L成正比例线性变化。其中调节电位器R6和电位器R2可以保证输出电压Vo在1～2．4 V范围内变化。R6是调节零点电位器，R2是调节满度电位器。
2．1．2 滤波电路分析
另外，信号调理电路中还设计滤波电路，是为了滤去测量现场的干扰，例如电气干扰、电磁干扰，使系统的信噪比增加。如图2所示，电阻R2和电容C1组成简单的无源RC低通滤波器。电阻R3、R7，电容C2及运放组成一阶反相输入RC有源低通滤波器，有源滤波器比无源滤波器具有更优越的性能，提高了频率特性值，改善了选择性。
2．2 4～20mA输出电路
AD421是ADI公司推出的一款单片高性能数模转换器(DAC)。它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4～20 mA电流输出，在智能仪表方面应用广泛。AD421与单片机的连接主要有串行数据输入端和控制端，在时钟CLOCK作用下，输入移位寄存器把DATA引脚上的数据逐位读入，LATCH锁存脉冲把寄存器中的数据锁存到DAC中。根据其工作原理，AD421与C8051F020芯片的接口电路如图3所示。AD421的数据接口和单片机P3．0口相连，用来接收16位的串行数据。单片机P3．6口用来产生时钟信号，而P3．5口用来产生锁存信号。在实际应用中，为了保证信号的传输，一般要在单片机和AD421之间加入隔离器件，实现通讯的隔离，常用的方法有使用ADI推出的ADUM系列隔离器件，比如ADuM 1310，或者使用光耦。在这里，采用光耦来实现通讯的隔离。