MSP430在大量程浮子式液位計中的應(yīng)用

    摘要：在對傳統(tǒng)浮子式液位計優(yōu)缺點進行分析的基礎(chǔ)上，介紹了采用TI公司MSP430F133單片機改進傳統(tǒng)浮子式液位計液位測量的方法，給出了具體電路的設(shè)計方法和軟件設(shè)計注意事項。

    關(guān)鍵詞：浮子；液位計；單片機；超低功耗

水文測量中最常用的測量終端莫過于液位計，按測量方式大致可分為機械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點。機械浮子式和光電浮子式都是來用機械齒輪減速產(chǎn)生進位和退位的辦法來形成編碼，為了產(chǎn)生可靠編碼，一般都用格雷碼輸出，這種液位計的優(yōu)點是價格相對較低，缺點是機械加工復(fù)雜、運行阻力大、使用壽命短；超聲波液位計和激光液位計測量精度較高且沒有機械部件，故可靠性較高，但使用中發(fā)現(xiàn)它對反射目標有一定的要求，受環(huán)境因素影響較大，最關(guān)鍵的一點是因為復(fù)雜的信號處理電路導(dǎo)致其成本居高不下，目前還難以推廣；振弦式液位計主要用于小量程液位的測量。為了用較低的成本完成大量程液位的長期可靠測量，筆者利用ＭＳＰ４３０單片機的低功耗特性結(jié)合光電液位的絕對位置測量功能設(shè)計了一種新型液位計—磁光液位計，現(xiàn)簡要介紹如下。

１ 機械工作原理

本液位計同普通光電液位計一樣有一個光電碼盤（如圖１所示），碼盤白色部分反射光線，而黑色部分吸收光線，圖２所示的光耦和圖１所示的碼盤間距約２ｍｍ，并采用圓心安裝。光耦隨電路板固定在液位計外殼上，液位變化時浮子牽引水位輪轉(zhuǎn)動，安裝在同一軸上的碼盤也隨水位輪作圓周運動，當碼盤旋轉(zhuǎn)時，碼盤就會吸收或反射來自光耦的光線，從而使８位光耦根據(jù)碼盤和光耦的相對位置輸出８位格雷碼編碼，傳統(tǒng)的光電液位計用一個減速齒輪帶動另一個碼盤轉(zhuǎn)動從而獲得高位編碼，而本液位計摒棄了所有的齒輪減速機構(gòu)，用安裝角度為１２０°的三只干簧管來計算碼盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當碼盤旋轉(zhuǎn)時安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據(jù)這一次序就可以判斷液位是以液位上升的方向增加圈數(shù)還是以液位下降的方向減少圈數(shù)。這樣一來單圈的絕對位置可以通過碼盤的編碼得到，而旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以由干簧管的吸合次序得到，綜合起來就可以得到液位高程，從而完成液位的測量。

２ ＭＳＰ４３０單片機簡介

ＭＳＰ４３０系列是ＴＩ公司的超低功耗單片機，它有多種低功耗模式，在ＬＰＭ４模式時的典型工作電流僅為０．１μＡ，并能在６μｓ內(nèi)響應(yīng)外部中斷；另外它還有特別寬的工作電壓范圍：１．８～３．６Ｖ，實際使用中發(fā)現(xiàn)：常溫下即便電源電壓為１.２Ｖ，該器件仍能全速正常工作。ＭＳＰ４３０Ｆ１３３的性能特征見表１。

表1 MSP430F133的性能特征

設(shè)計時選用一只１Ｆ的電容來儲存電能，假設(shè)加上１２Ｖ電源后電路充電電流為１００ｍＡ，充電時間為２ｓ，則按０．５μＡ（實際放電電流不大于此數(shù)據(jù)值）放電可持續(xù)１１０小時。因此只要液位測量間隔不大于１１０小時就能保證單片機在掉電期間正常工作。在本電路中ＭＳＰ４３０平時以內(nèi)部ＲＣ振蕩器作為主時鐘，以鐘表晶體振蕩器（３２７６８Ｈｚ）作為通信時鐘，最高通信速率可達９６００ｂｐｓ，低功耗ＬＰＭ４時關(guān)閉所有時鐘源。

３ 電路工作原理

圖３所示是本液位計電路的工作原理圖，當測量當前液位時，首先由上位控制器給電路加１２Ｖ電源，此時繼電器ＪＤ１吸合，一方面由Ｒ２８、Ｕ３組成的穩(wěn)壓電路給電容Ｃ４６進行恒流限壓充電，以補充斷電后單片機工作所需電能，另一方面將Ｗａｋｅ信號由“０”切換到“１”，喚醒單片機進入全速正常工作狀態(tài)，通過測量８只光電耦合器電平可得到碼盤在一個圓周內(nèi)的具體位置編碼（８ｂｉｔ格雷碼），再加上正（反）向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以計算出實際液位，也可換算成格雷碼輸出以兼容其它浮子式液位計，同時還通過４８５總線按要求的協(xié)議輸出液位以滿足自動測量的要求。６位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源由單片機的口線來提供，目的也是便于在掉電時關(guān)閉液晶顯示器的電源。

一旦外部＋１２Ｖ電源撤去，Ｗａｋｅ信號將消失，單片機立即將口線切換到合適的電平，并進入低功耗狀態(tài)ＬＰＭ４，此時ＣＰＵ的功耗只有０．１μＡ，碼盤上的磁鐵隨碼盤轉(zhuǎn)動，當磁鐵轉(zhuǎn)動到三只干簧管附近時，干簧管吸合并立即引起單片機引腳電平的變化，ＭＳＰ４３０單片機能在６μｓ的時間內(nèi)在低功耗狀態(tài)響應(yīng)這一變化，記錄下變化過程后又立即回到低功耗狀態(tài)以最大限度地節(jié)省電能。研究中發(fā)現(xiàn)，干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開狀態(tài)有一個遲滯過程，正好可以防止液位在某一點輕微波動時使干簧管頻繁動作，從而避免單片機退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管以１２０°的間隔均勻地分布在同一圓周上，允許液位計以盡可能大的角速度旋轉(zhuǎn)。假定ＭＳＰ４３０Ｆ１３３響應(yīng)并處理一個外圍中斷的時間（與中斷程序復(fù)雜程度和時鐘速度有關(guān)）為２００μｓ，則ＣＰＵ能夠響應(yīng)的最大角速度為１２０°／２００μｓ。在筆者的一個制作實例中電路（含干簧管部分）經(jīng)過了１２０圈／秒的測試。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收３．０Ｖ／２０Ｍ＝０．１５μＡ電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機待機電流最小０．１μＡ，最大０．２５μＡ，若電容充滿電可保證單片機在掉電后仍能正常工作一個月以上。

由于舍棄了機械減速裝置，液位計轉(zhuǎn)動時只需克服兩只固定軸承的阻力，因此，大大加強了機械靈活性和可靠性。當傳動輪周長為２５６ｍｍ時，液位計的分辨率為１ｍｍ，能滿足大部分測量要求。圖３中采用１６位格雷碼輸出，量程可達６５．５３５ｍ，若用軟件將液位分辨率設(shè)置為１ｃｍ，則輸出量程可達６５５．３５ｍ，實際上只要引出線足夠多，量程并沒有限制，可根據(jù)要求做成任意量程的液位計。圖３的電路圖只是原理示意圖，實際應(yīng)用中還要考慮抗干擾、野外使用的防雷處理等。

液位計的軟件設(shè)計也非常簡單，限于篇幅不多贅述，只需注意的是：在進入ＬＰＭ４前將口線置成合適的電平，如格雷碼輸出置成低電平、４８５接口芯片Ｕ１０置成低功耗狀態(tài)、液晶口線和電源置成低電平，以便使口線不消耗電流，從而使整機的低功耗得到保證。

４ 結(jié)束語

在野外水位自動測量中，為了降低功耗，傳感器采用間歇上電方式，由于傳感器輸出應(yīng)為絕對量編碼，因此在設(shè)計時采用很多齒輪變換和凸輪進位，這樣做帶來了設(shè)計的復(fù)雜性，并降低了傳感器的穩(wěn)定可靠性。

利用本文所述原理和方法研制出的ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計具有相對量軸角編碼器的優(yōu)點，如精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價格低廉、使用方便等，利用ＭＳＰ４３０Ｆ１３３單片機的低功耗特點，使ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計能滿足絕對量編碼輸出的要求。

圖3

    激光水位計和超聲波水位計的分辨率為毫米，但其誤差為相對誤差，量程稍大時，水位測量的絕對誤差甚至可能會超過規(guī)范所規(guī)定的誤差標準(±２ｃｍ)。浮子水位計原理簡單、誤差來源少，為水利部門常用水位測量儀器，但當前只有厘米級分辨率的浮子水位計，用于集水面積較大的水庫水位觀測時，使水庫流量計算過程產(chǎn)生鋸齒狀變化。因此，研制出毫米級浮子式液位計是水文工作者多年的愿望。

ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計為國內(nèi)第一只分辨率為毫米的浮子式水位編碼器。水位信息自動采集系統(tǒng)中通常使用兩個字節(jié)表示水位信息，最大可表示６５５３５ｍｍ。而對浮子式磁光液位計而言，其量程很大，可滿足所有液位測量要求。

經(jīng)過兩年實踐證明，ＷＺＹ－Ⅲ型浮子式磁光液位計不僅降低了浮子式液位計的成本，還大大提高了水位觀測精度和儀器可靠性，不失為一個改造絕對量光電編碼液位計和替換機械編碼液位計的好產(chǎn)品。