一种数控式水位仪 【技术领域】
本发明属于液位测量领域，涉及一种数控式水位仪，用于江、河、湖、水文水位测量及水工模型试验中测量水位，也可用于一般液位的测量。
背景技术
目前国内的水位仪(也称水位计)有很多种，现有的水位仪多为“模拟闭环系统控制，应用伺服电机”，属于机械传动结构式，其结构比较复杂，机械加工的精度，直接影响测量的准确度。现有的水位仪中，通常的分辨率最高是0.1mm。另外，结构的复杂还造成生产成本提高。更重要的是，水位仪工作的可靠性受机械式数码盘的影响很大，其并行输出也给数据采集自动化造成布线的复杂，并且其测量精度低，造价高，影响科研试验与检测工作。
【发明内容】
(一)要解决的技术问题
摆脱传统模拟测量、伺服电机驱动、闭环控制、机械传动结构式水位仪的上述缺陷，提高水位仪液位测量的精度和分辨率，整体机构简单化，并且降低成本。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种数控式水位仪，其特征在于，包括：
浮筒，浸入被测水体中；
光电传感器，与所述浮筒上端相连，用于探测浮筒随被测水体水位的升降信息；
单片机系统，与所述光电传感器相连，接收光电传感器探测的水位升降信息并进行数据处理和显示；
步进电机，通过步进电机驱动电缆连接单片机系统，由单片机系统根据其处理获得的水位升降信息控制步进电机运动；
滚筒，与所述步进电机相连，由步进电机的运动带动滚筒相应地转动；所述滚筒上绕接有牵引绳索，所述牵引绳索下端连接所述光电传感器，通过滚筒的转动由牵引绳索带动光电传感器升降，所述浮筒由水位浮力随水位实时升降；
所述单片机系统根据其处理获得的数据信息对所述滚筒、步进电机、光电传感器以及浮筒执行数字控制操作。
其中，所述光电传感器与所述浮筒之间设置有遮光挡板。
其中，所述单片机系统设置有数码显示屏，用于动态显示被测水体水位信息。
其中，所述光电传感器内设置有一对红外线发光管和一对红外线受光管，所述受光管与浮筒带动遮光挡板随水位升降游动遮挡所述发光管发出的光线，生成模拟/数字逻辑变换。
其中，所述红外线发光管、红外线受光管通过电缆连接于单片机系统，通过电缆将受光管生成的模拟/数字逻辑信号传送至单片机系统。
其中，所述单片机系统设置有标准数据输出接口，可外接外部存储或显示设备，通过所述输出接口将水位测量过程存储及实时水位数据传送至外部存储或显示设备。
其中，所述滚筒的周长尺寸的大小根据水位量程的大小进行相应的设置，以适应不同水位量程。
其中，所述光电传感器与所述遮光挡板之间间隙滑动连接。
其中，所述两个红外线发光管之间的间距、两个红外线受光管之间的中心距根据水位量程的大小进行相应的设置，以适应不同水位量程。
其中，所述数码显示屏设置为具有千、百、十、个四位十进制可逆计数的LED数码显示屏。
(三)有益效果
本发明的数控式水位仪由单片机控制步进电机以厘米单位驱动浮筒跟随水位升降，由光电传感器指示数据逻辑工作状态，单片机运算、显示水位量，并以标准数据接口系统连接外部设备，使用方便，分辨率达到1‰，精度误差可达±1‰，整体机构简单，成本低。
【附图说明】
图1是本发明数控式水位仪的结构示意图；
图2是本发明数控式水位仪中光电传感器的结构示意图；
图3是本发明数控式水位仪受光管产生的逻辑状态示意图。
其中：1：步进电机；2：滚筒；3：牵引绳索；4：光电传感器；4-1、4-3：红外线发光管；4-2、4-4：红外线受光管；5：浮筒；5-1：遮光挡板；6：单片机系统；7：步进电机驱动电缆；8：电缆。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的数控式水位仪由浮筒、光电传感器跟随水位开始进行模拟/数字转换，之后整体系统采用数字控制，根据步进电机其定位精度及稳定度极高，保证达到1‰的分辨率，通过设计滚筒周长(直径)可以灵活设置和扩大量程，如量程为1米，分辨率1毫米；量程5米分辨率5毫米；量程10米或大于10米，分辨率及误差可以精确、稳定控制在1厘米即分辨率1‰。
本发明属于数字控制，采用光电传感器4、单片机系统6、步进电机1、数据驱动滚筒2以及浮筒5快速跟随水位升降。本发明核心技术在于应用步进电机1，光电传感器4，单片机系统6，见图1所示，步进电机1同轴安装滚筒2，牵引绳索3绕接在滚筒2上，牵引光电传感器4，光电传感器4连接浮筒5，步进电机步距角＝7.5度，即360÷7.5＝48步；本实施例中，滚筒外径周长＝48厘米，直径＝48÷π＝15.28-牵引绳索直径，步进电机每步进(步退)一步牵引绳索3带动光电传感器4上升(下降)1厘米，光电传感器4设有两对红外线发光、受光LED管，4-1和4-3为红外线发光管，4-2和4-4为红外线受光管，经由信号电缆8连接于单片机系统6；两对LED管中心距离为2厘米，传感器中间设有一个遮光挡板5-1，遮光挡板连接浮筒5，浮筒5与遮光挡板5-1之间具有间隙，属于所谓滑动软连接，由此，浮筒受水浮力作用跟随水位升降；传感器受步进电机逻辑控制，随浮筒升降。遮光挡板上沿处在两对LED光线中间属于平衡状态，如图2所示。两对LED管中心距离为2厘米是适用于量程为10米或者更大时，即每步进(步退)1厘米，分辨率即达到1厘米；若量程为1米或者以下，分辨率即为1毫米，两对LED管中心距离相应设置为2毫米。
红外发光管4-1、4-3与受光管4-2、4-4通过浮筒5带动遮光挡板5-1跟随水位升降游动遮挡与投射红外线生成逻辑数字信号，如图3所示的三种状态，a：遮光挡板处于4-1投射4-2，遮挡4-3光线，逻辑状态为：0 1；b：随水位上升，遮光挡板处于遮挡4-1、4-3，无光线投射，逻辑状态为：1 1；c：如水位下降，遮光挡板退出光线，使4-2、4-4均受投射，逻辑状态为：0 0。单片机控制步进电机逻辑1 0为平衡静止状态。逻辑状态1 1为水位上升，步进电机正向步进一步，数字显示同步加1，使4-2重新投射光线，步进电机重新处于平衡静止状态；如水位下降，挡板完全退出遮挡，4-2、4-4均受投射；逻辑状态为0 0显示水位下降，步进电机反向步退一步，数字显示同步减1，光电传感器4下降一步，使4-3光线被遮挡，形成逻辑0 1平衡静止状态，如若水位继续快速上升，则步进电机连续步进，数字显示随水位上升同步精确累加；如若水位连续下降，则步进电机连续步退，数字显示同步连续减运算，使光电传感器连续下降直至光电达到逻辑0 1，平衡静止。即，由光电传感器4完成水位升降信息的模/数(A/D)转换，将信息传递给单片机系统6，之后由单片机系统6对整个数控式水位仪进行数字控制操作。
在本实施例中，上边发光管光线直射受光管，受光管电流饱和信号传入单片机认为低电位逻辑0，下边光线被挡板遮挡，受光管电流截止，工作状态为逻辑1，组合逻辑＝0 1，此时步进电机处于静止定位状态；若水位上升浮筒带动挡板上升，挡板遮挡上边光线，见图3中b逻辑状态，使其由饱和为截止，逻辑＝0 0，单片机驱动步进电机带动滚筒向左步进一步，单片机数字同步显示+1，浮筒及传感器上升1厘米，见图3中a逻辑状态，上边LED光线恢复原来状态，步进电机重新处于静止状态；如若水位下降，浮筒带动传感器挡板下降出现图3中c逻辑状态，两个LED光线均被遮挡，逻辑＝0 0，此时单片机驱动传感器下降一步，单片机数字同步显示-1，致使图3中c逻辑状态处于图3中a逻辑状态；如若水位连续快速上升或下降，单片机即驱动步进电机连续步进、步退运行，数显精确的同步进行数据加或减运算，一直精确快速跟随水位，单片机精确快速显示水位实时数量，并由标准数据RS-232接口将内存数据传输到电脑。本实施例中的数码显示屏设置为具有千、百、十、个四位十进制可逆计数的LED数码显示屏，同步显示、记录步进电机步进(步退)步数，即同步记录、显示被测水位数值。
在该数控式水位仪装置中，所述单片机系统设置有标准数据输出接口，可外接外部存储或显示设备，通过所述输出接口将水位测量过程存储及实时水位数据传送至外部存储或显示设备。在同一待测水域中，可以使用多个水位仪，以实现测量的准确，数控式水位仪可通过有线或无线装置，将水位测量过程及结果传送至水文水位测量分析设备，实现整个水位仪的无人值守，自动工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。