簡易液位測控系統(tǒng)設(shè)計

引 言

國民經(jīng)濟的發(fā)展離不開工業(yè)供水系統(tǒng)，我國的工業(yè)水箱和鍋爐數(shù)量高達上百萬臺 [1]。液位檢測儀廣泛用于石油、化工、工業(yè)生活用水等領(lǐng)域 [2]。液位檢測是過程控制領(lǐng)域的重要組成部分 [3]，液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分，對節(jié)約資源、安全生產(chǎn)等至關(guān)重要 [4]。因此，需以液位為研究對象以及對液位進行實時準確的測量，以保障正常生產(chǎn) [5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)基于 TI 公司單片機 MSP430F5529 設(shè)計，包括傳感器檢測模塊、傳感器輸出信號變換模塊、時鐘模塊、顯示模塊、按鍵設(shè)置模塊、直流水泵驅(qū)動模塊、光耦隔離模塊等。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖 1 所示。

圖 1 液位測控系統(tǒng)設(shè)計框圖

系統(tǒng)在不同的測試環(huán)境下先進行參數(shù)調(diào)試，在誤差允許范圍內(nèi)，調(diào)試完畢后，即可在特定環(huán)境下正常使用。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機主要采用 TI 公司設(shè)計生產(chǎn)的 MSP430F5529 單片機，該型號單片機時鐘頻率高、內(nèi)存大，可滿足系統(tǒng)采集模塊對速率和緩沖的要求。單片機外圍由時鐘模塊、復(fù)位模塊、電源等構(gòu)成。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集選用電容傳感器，將柔性 PCB 緊密貼在容器外側(cè)。傳感器較窄一端采用 FPC 接插件，可以直接連接在FDC2214 傳感器信號采集模塊的輸入接口端。傳感器輸出信號變換模塊的核心芯片為 FDC2214，其它電路器件均屬芯片的外圍電路，包括電感、晶振和電容等。關(guān)鍵器件參數(shù) ：晶振為 40 MHz，外接電感為 18 μH，電容為 33 pF。其中，最核心的數(shù)據(jù)變換模塊電路原理如圖 2 所示。FDC2214 芯片的 4 個測量通道由待測電容、外接電感 L 和電容 C，以及芯片內(nèi)部的振蕩電路、驅(qū)動電路組成，待測電容不同，則振蕩頻率不同，數(shù)據(jù)采集端子如圖 2 中的 P1 所示。FDC2214 每個通道在 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)值量化結(jié)果存在對應(yīng)通道的寄存器里。上位機數(shù)據(jù)處理中心 MSP430F5529LP 通過 I2C 與FDC2214 通信，定時讀取 FDC2214 寄存器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要使用圖 2 所示的 SDA，SCL 進行 I2C 通信。

2.3 光耦隔離與驅(qū)動模塊

系統(tǒng)控制信號輸出后，控制開關(guān)電路工作，開關(guān)電路進一步控制直流水泵的正常工作。為保障系統(tǒng)安全，考慮如下兩種方案 ：

(1) 采用半橋驅(qū)動芯片，如 IR2104 與 NMOS管配合搭建半橋。

(2) 采用光耦芯片，如 6N137與 N溝道 MOS管配合驅(qū)動無刷電機。

綜合考慮后，選擇光耦芯片與 NMOS 配合的方案，原因在于光耦芯片 6N137 抗外界干擾能力強， 且該水泵工作電壓不高，工作電流小，功率小，因此采用功耗更低的180N10N 芯片。光耦隔離模塊如圖 3 所示，驅(qū)動模塊如圖 4 所示。

2.4 按鍵與顯示模塊

按鍵模塊采用典型的 4×4 矩陣陣列模式。顯示模塊考慮如下 2 種方式 ：

(1) LCD1602。1602液晶也被稱為 1602字符型液晶， 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。其由若干個 5×7或者 5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間亦有間隔，起到了字符間距和行間距的作用， 但不能很好地顯示圖形和漢字。

(2) LCD12864。帶中文字庫的 128X64-0402B每屏可顯示 4 行 8 列共 32 個 16×16 點陣的漢字，每個顯示 RAM 可顯示 1 個中文字符或 2 個 16×8 點陣全高 ASCII 碼字符，即每屏最多可實現(xiàn) 32 個中文字符或 64 個 ASCII 碼字符的顯示。帶中文字庫的 128X64-0402B 內(nèi)部提供 128×2 B 的字符顯示RAM 緩沖區(qū)（DDRAM）。字符顯示通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示 RAM 實現(xiàn)。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示 CGROM（中文字庫）、HCGROM（ASCII 碼字庫）及 CGRAM（自定義字形）的內(nèi)容。

考慮到顯示效果和操作便捷性，系統(tǒng)選用 LCD12864。屏幕功能的排版設(shè)定 ：第一行顯示液位的測量高度 ；第二行顯示當前所按下的數(shù)字按鍵 ；第三行顯示液位的目標高度 ； 第四行顯示目前的運行狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件編譯開發(fā)環(huán)境

CCS（Code Composer Studio，CCS）是美國德州儀器公司（Texas Instrument）出品的代碼開發(fā)和調(diào)試套件。TI 公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器（DSP）和微處理器（MCU），CCS 便是供用戶開發(fā)和調(diào)試 DSP 和 MCU程序的集成開發(fā)軟件。Code Composer Studio IDE 提供強健、成熟的核心功能與簡便易用的配置和圖形可視化工具，使系統(tǒng)設(shè)計更便捷。

3.2 按鍵掃描程序設(shè)計

4×4鍵盤設(shè)計中 1 ～9 鍵用以調(diào)節(jié)目標水位，控制目標水位為按鍵數(shù)字值乘 10mm的水位，即按數(shù)字 5，目標水位為 50mm?！癆，B”鍵用來控制系統(tǒng)運行和待機，當按下 A之后，屏幕顯示當前水位與運行狀態(tài)，按下 B 后，屏幕當前水位與運行狀態(tài)關(guān)閉，同時水泵停止注水?！?，#”用以微調(diào)目標水位高度，按下“*”鍵后目標水位減 1 mm，按下“#” 鍵后目標水位加 1 mm?！癈，D”鍵用以調(diào)節(jié)水位計算誤差。每次開啟系統(tǒng)時，因為環(huán)境的改變，記錄在單片機程序里的計算水位程序可能產(chǎn)生幾毫米的誤差，為了減少誤差，加入了手動調(diào)節(jié)誤差功能。按下“C”鍵計算水位加 1 mm，按下“D”鍵計算水位減1 mm。0 鍵則是用來維持當前水泵的抽水速度， 液面穩(wěn)定便于調(diào)節(jié)水位誤差。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在設(shè)計系統(tǒng)軟件的控制程序時，考慮以下兩種方案 ：

(1) 采用 PID控制算法來調(diào)節(jié)輸出 PWM波的占空比， 進而控制抽水速度 ；

(2) 采用 PID控制算法分段調(diào)節(jié)輸出 PWM波的占空比，進而控制抽水速度。

經(jīng)驗證，采用第一種方案調(diào)節(jié)速度較慢，而且超調(diào)量大 ； 采用第二種方案能夠較快調(diào)節(jié)液面高度并最終使液面高度在 期望值上下較小波動，且超調(diào)量小，故系統(tǒng)軟件設(shè)計采用第 二種方案。PID控制算法采用增量式 PID 控制，因為驅(qū)動對象是水泵的電機，而對于電機控制，執(zhí)行機構(gòu)需要控制量的 增量，因此通過該增量來控制電機抽水的速度。位置式 PID 一般輸出值能夠直接控制對象，例如閥門等。初始階段，采 用基本 PID進行調(diào)節(jié)，當被控液面接近目標值時，對積分系數(shù)進行大幅度削弱，再進行 PID調(diào)節(jié)，不僅能減少因積分作用而引起的超調(diào)量過大影響，同時又能消除穩(wěn)態(tài)誤差。離散PID[7]：

在代碼中，T 取 1，Kp，Ti，Td 由調(diào)試得到，輸出的 Δu增加到調(diào)節(jié) PWM 的占空比參數(shù)上，用于調(diào)節(jié)水泵抽水的速度，直到液位高度到達目標液位，此時 Δu=0，水泵抽水速度基本穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，液面平穩(wěn)。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖 5 所示。

4 結(jié) 語

在實際調(diào)試過程中，PID 控制難以調(diào)試。理論上 PID 的 Kp 值越大，超調(diào)越大，靜態(tài)誤差減小 ；Ki 值越大，超調(diào)越大，靜態(tài)誤差消除 ；Kd 值越大，超調(diào)減小。系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，軟件容易操作和調(diào)試，系統(tǒng)價格低廉，為工業(yè)生產(chǎn)體系中的液位檢測環(huán)節(jié)提供了簡單易行的測控系統(tǒng)方案。