基于MSP430單片機(jī)的稱重式液位儀的設(shè)計(jì)

1 引言

液位測控儀是屬于智能化儀器儀表的一種(指采用了微處理器的儀器儀表)，其發(fā)展始于70年代[1]。它是一種集測量與控制于一體的智能化產(chǎn)品，適用于石油化工、冶金、電力、制藥、環(huán)保等行業(yè)中各種介質(zhì)的液位測量。本儀器主要針對罐體內(nèi)液體進(jìn)行測量并能計(jì)算其重量，適用于對各種液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量與監(jiān)控，并具有超限報(bào)警和主-從站模式聯(lián)網(wǎng)功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 液位傳感器的選擇

一般情況下在液位測量中所采用的傳感器有：壓力傳感器、超聲波傳感器、浮子式傳感器等，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要求在測量液位的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)液體重量的檢測。在液罐內(nèi)，液體重量P的檢測可直接利用計(jì)算得到，即P=H*S*ρ(H為液體高度CM;S為圓面積M2;ρ為液體比重)，因此只有提高液位測試的分辨率才能保證液體重量測試的精度，本系統(tǒng)中液位測試分辨率為1cm。另外，考慮到壓力傳感器接口電路相對采用超聲波傳感器的接口電路要簡單，因此確定采用壓力傳感器。

2.2 MSP430單片機(jī)

MSP430單片機(jī)為低功耗16位單片機(jī)，具有典型的SOC特點(diǎn)，集成大量外設(shè)。尤其是其內(nèi)部集成的波特率微調(diào)器，可以使MCU在不低于32768HZ的任意晶振(但不能超過MCU對晶振要求的上限)下工作時(shí)，其通信波特率的選擇可不受波特率因子不能帶有小數(shù)的限制，即：在波特率的允許范圍內(nèi)可使用任意頻率的晶振[2] [3]。另外，由于MSP430 MCU內(nèi)部集成了溫度傳感器，可以很方便的實(shí)現(xiàn)對測液位所用的壓力傳感器的溫度補(bǔ)償。而且MSP430系列單片機(jī)針對不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器被設(shè)計(jì)為可用電池工作，并且可以使用很長時(shí)間。

2.3 模擬信號轉(zhuǎn)換技術(shù)

由于系統(tǒng)的執(zhí)行部件為電磁閥，易產(chǎn)生電磁干擾，因此為能夠可靠的工作必須要使系統(tǒng)具有較高的抗干擾性。

一種方法是直接利用MCU內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，其特點(diǎn)是：無須外圍電路，采樣速度快，但抗干擾能力較差[4]。

另一種方法是使用V/F變換器來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。由于V/F變換是利用積分電容的電荷平衡原理實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換，因此該方式穩(wěn)定性好，分辨率高，信號線少，便于實(shí)現(xiàn)光電隔離以提高系統(tǒng)的抗干擾性，但轉(zhuǎn)換速度相對較慢。

考慮到壓力信號是一個(gè)緩變信號，一般無須快速采樣，為使系統(tǒng)具有較高的抗干擾性，根據(jù)分析對比，選擇采用V/F變換器來實(shí)現(xiàn)對壓力信號的處理，計(jì)算處理較簡單，在測量精度方面也能達(dá)到使用要求，并且易于做到實(shí)時(shí)控制。

3 系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)、傳感器信號處理電路、液位控制電路、聲光報(bào)警、鍵盤、液晶顯示、電源模塊和通信等模塊組成。P1口作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線，V/F轉(zhuǎn)換電路的輸出信號作為中斷請求信號接至MCU的P2.4腳，P2.6和P2.7為執(zhí)行部件電磁閥的控制信號，分別控制進(jìn)液、出液電磁閥。聲光報(bào)警電路的控制信號為P2.5。鍵盤接口電路通過P3.0，P3.1和P3.2接入MCU用來控制系統(tǒng)的6個(gè)按鍵。系統(tǒng)通過P3.0和P3.3輸出信號給74HC245用做LCD漢字液晶顯示器的數(shù)據(jù)接口，P3.0和P3.3用做LCD的控制信號。P3.4和P3.5為MCU的串行通信數(shù)據(jù)線，經(jīng)由通信電路與從機(jī)連接，用來進(jìn)行主站、從站之間的串行通信。系統(tǒng)的電源模塊產(chǎn)生3.3V、+5V和-5V電壓，分別為主機(jī)系統(tǒng)和傳感器接口電路提供穩(wěn)定的工作電壓。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

本系統(tǒng)通過壓力傳感器進(jìn)行液體壓力的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過V/F轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行液位高度和液體重量的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)高精度的測量。當(dāng)容器內(nèi)的液位值超過了設(shè)定值或警戒值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行聲光提示報(bào)警。用戶可以通過鍵盤設(shè)定液位的上、下限值和進(jìn)液、出液量等參數(shù)，以便使容器內(nèi)液位保持設(shè)定的液位值。系統(tǒng)采用大屏幕液晶漢字顯示，可以顯示出當(dāng)前液位值、設(shè)定的液位上下限值、容器內(nèi)當(dāng)前液體重量和進(jìn)液、出液閥門的狀態(tài)等。主站控制8個(gè)從站中的任意一個(gè)，并完成主站和從站的同步通信，主站具有該系統(tǒng)的所有功能，并且可以對從站中的液位上下限值等進(jìn)行設(shè)置，主站在巡回檢測時(shí)，可以任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)目、從站號和從站容器中的液位高度。當(dāng)主站、從站中的液位超過警戒限時(shí)，主站可以進(jìn)行聲光報(bào)警并能顯示報(bào)警的從站號。同時(shí)從站也可以依據(jù)通信協(xié)議通過通訊模塊將從站號、液位值和報(bào)警信號傳送給主站，并且從站可以接受主站的控制信息并能自動(dòng)執(zhí)行，還可以自動(dòng)報(bào)警和解除報(bào)警。系統(tǒng)中從站號可以任意設(shè)定。同時(shí)該系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)顯示工作環(huán)境的溫度和時(shí)間。

4 系統(tǒng)的主要硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 V/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，輸入電壓經(jīng)射隨器UD1A從LM331的7腳輸入，電阻RD7 可以抵消6腳的偏流影響，從而減小頻率誤差，為了減少LM331的增益誤差和由RD10、RD11、CD2引起的偏差，RD13選用51K電阻CD1為濾波電容。當(dāng)6腳和7腳的RC時(shí)間常數(shù)相匹配時(shí)，輸入電壓的階躍變化將引起輸出頻率的階躍變化，如果CD3比CD1大的多那么輸入電壓的階躍變化可引起輸出頻率的瞬間停止，6腳的電阻和電容可以差生滯后效應(yīng)，以獲得良好的線性度。

圖2 V/F轉(zhuǎn)換電路原理圖

4.2液位檢測及控制電路

系統(tǒng)通過壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)信號采集，采集到的信號經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行信號放大。放大后的信號送入V/F進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換，將其輸出的頻率信號作為中斷請求信號接至MCU的P2.4腳，由MCU對其進(jìn)行處理后，將其轉(zhuǎn)換成液位值，并根據(jù)液位設(shè)定值和上、下限值控制相應(yīng)的電磁閥，使容器內(nèi)液位高度與設(shè)定值保持一致。為便于電路的調(diào)試和觀察，每個(gè)電磁閥都設(shè)有工作狀態(tài)指示燈，表明當(dāng)前是出液閥還是進(jìn)液閥正在工作。其控制電路見圖3。

圖3 液位測量及控制電路

4.3 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路由三極管、發(fā)光二極管、電阻、電容、蜂鳴器等組成，當(dāng)所測到的液位值超過所設(shè)定的警戒值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號，當(dāng)收到報(bào)警信號后發(fā)光二極管OUT被點(diǎn)亮、蜂鳴器發(fā)出聲音，產(chǎn)生聲光報(bào)警。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為六大塊即：系統(tǒng)初始化模塊、LCD顯示模塊、按鍵識別及處理模塊、液位檢測及控制模塊、主從站通信模塊。時(shí)間、工作環(huán)境溫度檢測模塊。

系統(tǒng)通過初始化模塊設(shè)置顯示緩沖區(qū)、堆棧指針、操作標(biāo)志和工作寄存器、各I/O端口的方向、系統(tǒng)定時(shí)器模塊、通信模塊、以及系統(tǒng)中斷設(shè)置等。鍵盤模塊負(fù)責(zé)按鍵的識別和按鍵處理，當(dāng)有按鍵動(dòng)作時(shí)調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理子程序進(jìn)行處理?？蓪?shí)現(xiàn)對進(jìn)出的液體量和上、下報(bào)警限進(jìn)行設(shè)置，也可利用按鍵對各電磁閥進(jìn)行手動(dòng)控制。當(dāng)液位超過警戒限時(shí)，調(diào)用液位檢測及控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制，以使相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作。在自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的同時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)和控制參數(shù)，通過通信模塊發(fā)送給主站。各從站在進(jìn)行檢測和控制的同時(shí)也在不斷的偵聽主站是否有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送過來，如果有則立即處理。

6 結(jié)論

本儀器可廣泛應(yīng)用于測量水、油、酸類、酒類、飲料等的液位高度。可根據(jù)設(shè)定的上下兩個(gè)極限液位，自動(dòng)控制進(jìn)液和排液，并具有多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)功能。本儀器工作性能穩(wěn)定可靠，體積小，測量及控制準(zhǔn)確靈敏，安裝使用方便，功耗低。目前已在一家食品企業(yè)中投入使用。

創(chuàng)新點(diǎn)

采用的16位單片機(jī)MSP430具有高性能低功耗的特點(diǎn)，是取代8位51系列單片機(jī)的較好選擇。而且測量方法非常簡潔且精度高、測試范圍較廣，具備稱重功能和主-從站模式聯(lián)網(wǎng)功能。