阅读说明：本技术 一种三线并联式电子水尺电路 (Three-wire parallel electronic water gauge circuit ) 是由 陈石平 彭进双 于 2020-02-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三线并联式电子水尺电路,电路由等间距并联排列的多级水位检测子电路、分压电路、微处理器等组成。水位检测子电路由PMOS管、电阻、检测电极和公共极组成。利用水体是否接触检测电极来决定PMOS管的导通与截止,进而确定是否给检测信号传递提供一条低阻抗路径,经过多级并联汇合传递,最后微处理器MCU使用AD进行模数转换得到电压值并与参考电压进行比较,得到水位信息。本发明的三线制取代以往的四线制,模拟信号取代数字信号,具有量程范围大、任意裁剪、超低功耗、工作电压和温度范围广、重量轻、尺寸小、响应速度快、抗扰强、防腐性强等特点,防水级别可达IP68,进一步加工成柔性电子水尺。(The invention discloses a three-wire parallel electronic water gauge circuit which comprises a multi-stage water level detection sub-circuit, a voltage division circuit, a microprocessor and the like which are arranged in parallel at equal intervals. The water level detection sub-circuit consists of a PMOS tube, a resistor, a detection electrode and a common electrode. Whether a water body contacts the detection electrode is utilized to determine the conduction and the cut-off of the PMOS tube, whether a low impedance path is provided for the transmission of the detection signal is further determined, the low impedance path is subjected to multistage parallel converging transmission, and finally the microprocessor MCU performs analog-to-digital conversion by using the AD to obtain a voltage value and compares the voltage value with a reference voltage to obtain water level information. The three-wire system replaces the prior four-wire system, the analog signal replaces the digital signal, the water-proof electronic water gauge has the characteristics of large measuring range, random cutting, ultralow power consumption, wide working voltage and temperature range, light weight, small size, high response speed, strong interference resistance, strong corrosion resistance and the like, the water-proof level can reach IP68, and the water-proof electronic water gauge can be further processed into the flexible electronic water gauge.)

一种三线并联式电子水尺电路

技术领域

本发明涉及水位测量技术领域，尤其涉及一种三线并联式电子水尺电路。

背景技术

电子水尺(电极式水位传感器)是一种水位测量传感器，利用水的导电性，通过等间距并联排列的信号检测电极来采集水深信息，采集电路的信号检测电极可根据电位高低来判断电极是否接触水体。根据没入水中电极的数量多少来判断水深。市面上的电子水尺多由电路板、公共极、检测电极、环氧树脂、金属外壳等组成，其中公共极连接金属外壳，检测电极与PCB电路板连接，公共极和检测电极裸露，以便与水良好接触。

电子水尺一般采用数字逻辑芯片、电阻、电容等元器件组成，芯片功耗为数百微安级，成本低，表贴面积大(属于集成电路)，易于集成在PCB板上，与电压比较器一样，也属于一种低功耗遇水监测电路，具体如下：

(1)遥测电子水尺，发明专利，公开(公告)号为CN201520716037.4：电路部分包含数字逻辑电路板、无线传输模块、充电电池以及稳压电路板，以及数字逻辑电路板电气连接的探针(电极)。

(2)一种新型电子水尺，发明专利，公开(公告)号为CN201721276232.5：传感测量体利用机械方法定位感应水位变化，经模数转换模块进行数字编码处理，实现数字化分度、数字化采样、数字化传输，将模拟信号转换成数字信号后传送至中央控制器。

(3)一体化多段检索式智能电子水尺，发明专利，公开(公告)号为CN201520468625.0：数据采集单元传感采集模块包含多个触点(电极)，触点包含触点供电模块、触点电平高低采集模块、信号回传模块。

由于上述方案采用数字逻辑芯片：需要较为复杂的时序电路和微处理器(MCU)多个接口引脚，检测电极级联级数过多会降低水位采集速度，降低抗干扰性能，难以适应数据更新频率高的场合，需要研制一种新型电子水尺，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种三线并联式电子水尺电路，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种三线并联式电子水尺电路，包括等间距并联排列的水位检测子电路级联、分压电路、微处理器，所述水位检测子电路级联的第一级水位检测子电路由PMOS管M1，电阻S1、R1，检测电极X1和公共极G1组成，所述检测电极X1同时连接电阻R1一脚和PMOS管栅极(G极)，R1另一脚同时连接电源VCC和PMOS管源极(S极)，PMOS管漏极(D极)串联限流电阻S1后得到一路水位检测信号V_AD；所述第一级水位检测子电路的后续各级水位检测子电路与第一级水位检测子电路结构相同。等间距并联排列的多级水位检测子电路级联构成电子水尺电路，利用水体是否接触检测电极来决定PMOS管的导通与截止，进而确定是否给水位信号传递提供一条低阻抗路径，经过多级并联汇合，最后MCU使用AD进行模数转换得到电压值并与参考电压进行比较，得到水位信息。

优选的，所述各级水位检测子电路的PMOS管漏极串联限流电阻后的水位检测信号V_AD端连接在一起。

优选的，所述各级水位检测子电路的PMOS管漏极串联限流电阻后的水位检测信号V_AD端为分压电路提供电源，且分压电路的分压处连接微处理器。

优选的，所述微处理器集成AD转换电路。

优选的，所述水位检测子电路级联设置在柔性或硬性电路板上。

优选的，所述各级水位检测子电路的PMOS管源极与检测电极之间的电阻可调节，以根据不同工作电压VCC和水体阻值R0，满足接触水时能足够开启PMOS管，否则PMOS管截止。

本发明的有益效果是：

本发明的三线制取代以往的四线制，模拟信号取代数字信号，具有量程范围大、任意裁剪、超低功耗、工作电压和温度范围广、重量轻、尺寸小、响应速度快、抗扰强、防腐性强等特点，防水级别可达IP68，进一步加工成柔性电子水尺。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明水位检测子电路原理图。

图2为本发明三线并联式电子水尺电路原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种三线并联式电子水尺电路，电路由等间距并联排列的水位检测子电路级联、分压电路、微处理器等组成。水位检测子电路由PMOS管M1、电阻S1、R1，检测电极X1和公共极G1等组成。检测电极X1同时连接电阻R1和PMOS管栅极，R1另一脚同时连接电源VCC和PMOS管源极，PMOS管漏极串联限流电阻S1后得到一路水位检测信号V_AD，其中，

当检测电极X1和公共极(电源负极GND)G1未接触到水时，PMOS管栅极、源极之间的电压约等于0V，PMOS管截止不导通，电源VCC无法经过S1变成V_AD；若检测电极X1和G1被水淹没时，检测电极X1信号Water1电压由高变低，大小为电阻R1与水体电阻R0的分压值，PMOS管栅极、源极之间的电压小于PMOS管导通阈值电压(负电压)，PMOS管导通，M1导通阻抗非常小(数十毫欧姆，远小于电阻S1阻值)，电源VCC经过低阻抗路径(PMOS管)变成信号V_AD，其压降可以忽略不计。

其中，等间距并联排列的多级水位检测子电路级联构成电子水尺电路，利用水体是否接触检测电极来决定PMOS管的导通与截止，进而确定是否给水位信号传递提供一条低阻抗路径，经过多级并联汇合，最后MCU使用AD进行模数转换得到电压值并与参考电压进行比较，得到水位信息。

水位检测子电路根据不同工作电压和水体阻值R0(由检测电极X1、公共极G1的接触面积和距离、水体导电率决定)，调整偏置电阻R1、R2、......、Rn大小，满足接触水时能足够开启PMOS管，否则PMOS管截止。

水位检测子电路由小型化元器件组成，多级并联可以加工成FPC柔性电路板，通过软硅胶灌胶做防水处理可以达到IP68，进一步加工成柔性电子水尺，满足不同场合的安装。

使用分立元器件，采用组合逻辑电路实现，三线制取代以往的四线制，模拟信号取代数字信号，具有量程范围大、任意裁剪、超低功耗、工作电压和温度范围广、重量轻、尺寸小、响应速度快、抗扰强、防腐性强等特点。在电路硬件上可以完全兼容与电压型投入式压力传感器，只需重新焊接ADC取样电阻和修改协议即可，大大扩展了应用范围。

以下给出具体实施例说明本发明的原理和应用：

本发明公开了一种三线并联式电子水尺电路，电路由等间距排列的水位检测子电路级联、分压电路、微处理器等组成。第一级水位检测子电路处于水位最低处，由PMOS管M1、电阻S1、R1，检测电极X1和公共极G1等组成。电路中信号Water1同时连接电阻R1和R2，R1另一脚和PMOS管源极同时连接电源V0，R2另一脚连接PMOS管栅极，PMOS管漏极为水位检测信号V1，限流电阻S1连接PMOS管源极和漏极。

PMOS管选型：考虑到水位检测子电路级联级数较多，尽可能选用PMOS管低导通阻抗Rds(数十毫欧姆)、小型化尺寸、低导通阈值、价格便宜的功率型PMOS管，多个PMOS管级联的导通阻抗比较低，整体导通压降小。

水位检测子电路中PMOS管的导通与截止条件：取决于PMOS管栅极、源极之间的导通阈值电压Vgs(th)大小，Vgs(th)与R1、水体阻值R0(由检测电极X1、公共极G1的接触面积和距离、水体导电率决定)有关，Vgs＝-VCC*R1/(R1+R0)，Vgs小于本PMOS管导通阈值电压Vgs(th)(负电压)，根据实际应用情况先确定水体阻值R0范围再确定R1大小。

当检测电极X1和公共极(电源负极GND)G1未接触到水时，PMOS管栅极、源极之间的电压约等于0V，PMOS管截止不导通，电源VCC无法经过S1变成V_AD；若检测电极X1和G1被水淹没时，检测电极X1信号Water1电压由高变低，大小为电阻R1与水体电阻R0的分压值，PMOS管栅极、源极之间的电压小于PMOS管导通阈值电压(负电压)，PMOS管导通，M1导通阻抗非常小(数十毫欧姆，远小于电阻S1阻值)，电源VCC经过低阻抗路径(PMOS管)变成信号V_AD，其压降可以忽略不计。

由上分析可知，当第二级水位检测子电路检测电极X2未接触到水时，M2管截止；反之X2接触到水时，M2管导通，V1经过M2管变成水位检测信号V_AD(几乎无衰减)......其它级水位检测子电路依此类推。

限流电阻取值S1：考虑到AD转换器转换后MCU微处理的数据处理方便，优先选用每级水位检测子电路的限流电阻大小相等：即R(n+2)＝R、S1＝S2＝S3＝......＝Sn＝kR(k远大于1)、R(n+1)＝m*R，m的取值视电源VCC和微处理器MCU的工作电压VDD而定，以免电压VCC直接进入MCU造成烧毁，m＝VCC/VDD且向下取整(如VCC＝12V、VCC＝3.3V，则m＝3)，一般情况下VCC＝VDD，即m＝0。由于一般AD转换器需要汲取一定的电流才能正常工作，PMOS管的Rds为数十毫欧姆(远小于阻值R)不予考虑，因此总的限流电阻阻值介于(k+m+1)*R～(k/n+m+1)*R之间，取值范围取决于AD转换器汲取的电流大小，总的限流电阻阻值过大AD转换电压误差会变大，过小限流电阻功耗较大，因此R的取值必须进行适当折中，满足使用要求。

计算分析过程如下(假设m＝0)：都未检测到水时，电源VCC无法经过M1、M2、M3、......、Mn其中的任何一个或者多个得到水位检测信号V_AD，MCU得到的电压信分压号为Vn_AD＝0V；

第一级检测到水时，电源VCC通过M1(M2、M3、......、Mn截止不导通)得到水位检测信号V_AD，Rds不予考虑，MCU得到的电压信分压号为Vn_AD＝VCC*R(n+2)/(S1+R(n+2))＝VCC*R/(kR+R)＝VCC/(k+1)；

第二级检测到水时，电源VCC并联通过M1、M2(M3、......、Mn截止不导通)，得到水位检测信号V_AD，Rds不予考虑，S1并联S2，MCU得到的电压信分压号为V_AD＝VCC*R/(kR/2+R)＝VCC*2/(k+2)；

第N(3≤N≤n-1)级检测到水时，电源VCC并联通过M1、M2、......、MN(MN+1、......、Mn截止不导通)得到水位检测信号Vn_AD，Rds不予考虑，S1并联S2、......、SN，MCU得到的电压信分压号为Vn_AD＝VCC*R/(kR/N+R)＝VCC*N/(k+N)。

第n级检测到水时，电源VCC并联通过M1、M2、......、Mn，得到水位检测信号V_AD，Rds不予考虑，S1并联S2、......、Sn，MCU得到的电压信分压号为Vn_AD＝VCC*R/(kR/n+R)＝VCC*n/(k+n)。

目前微控制器内置多个ADC转换器(M＝12/14/16位)，Vn_AD＝＝VCC*n/(k+n)随着n增加是增函数，为了保证分辨力，最后两级级量化电压差满足：

VCC*n/(k+n)-VCC*(n-1)/(k+n-1)≥VCC/(2^M-1) (1)

消去VCC得到式(2)

消去分母得到式(3)

(2^M-1)(nk+n²-n-nk+k-n²+n)≥k²+kn-k+kn+n²-n (3)

整理得到式(4)

k2^M-k≥k²+kn-k+kn+n²-n (4)

进一步整理得到式(5)

n²-(1-2k)n+k²-k2^M≤0 (5)

得到结果如式(6)

若M＝12，k＝121得到n的取值范围：-824.4≤n≤583.4，最多可以并联583级检测子电路。M＝14、16、18、20分别得到的检测子电路如下表所示。

表1级联级数n取值范围

	M＝12bit	M＝14bit	M＝16bit	M＝18bit	M＝20bit
						n最大值	583	1287	2695	5511	11143

M＝12、14、16、18、20，量化的级数分别为583、1287、2695、5511、11143个，若信号检测电极的排列间距为1cm，测量范围可达分别为583cm、1287cm、2695cm、5511cm、11143cm，测量长度范围非常广，目前电子水尺级联级数为n＝100左右即可满足要求。

需要焊接的电阻种类只有两三种，采购方便，优先选用高精度的电阻，同等ADC位数得到级联级数少于实施方式一的相同限流电阻，实施方案优先选择方式一。

因此我们可以根据MCU采集得到的电压信号判断检测电极的级数，进而得到水位信息。

依据图2我们还可以对电子水尺任意进行裁剪：裁剪任意一级无需要焊接操作，只需做好防水处理即可，对于裁剪的电路，只需修改MCU的内部参数即可，无需改动其他硬件电路，大大扩展了应用范围。对于裁剪的电路，只需修改MCU的内部参数即可，无需改动其他硬件电路，大大扩展了应用范围。

本电路对外连接有：电源VCC、水位信号Vn_AD、电源负极组成，因此只需要三芯电缆即可，三线制取代以往的四线制(电源正极、485+/232TX、485-/232RX、电源负极)；水位信号Vn_AD是模拟信号，需要经过ADC处理，因此模拟信号取代数字信号，具有超低功耗、抗扰强等特点。本电路利用偏置电流、信号电流分流，共三根线，与电压型投入式压力传感器有异曲同工之妙，在电路硬件上可以完全兼容与电压型投入式压力传感器，只需重新焊接ADC取样电阻和修改协议即可，大大扩展了应用范围。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。