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(cè)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(cè)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(cè)量。本儀器主要針對(duì)罐體內(nèi)液體進(jìn)行測(cè)量并能計(jì)算其重量，適用于對(duì)各種液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)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(cè)量液位的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)液體重量的檢測(cè)。在液罐內(nèi)，液體重量P的檢測(cè)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(cè)試的分辨率才能保證液體重量測(cè)試的精度，本系統(tǒng)中液位測(cè)試分辨率為1cm。另外，考慮到壓力傳感器接口電路相對(duì)采用超聲波傳感器的接口電路要簡(jiǎn)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(guò)MCU對(duì)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(duì)測(cè)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(duì)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(zhǎng)時(shí)間。

　　2.3 模擬信號(hào)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(wú)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(lái)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(hào)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(duì)較慢。

　　考慮到壓力信號(hào)是一個(gè)緩變信號(hào)，一般無(wú)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(duì)比，選擇采用V/F變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力信號(hào)的處理，計(jì)算處理較簡(jiǎn)單，在測(cè)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

　　圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

　　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(hào)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(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)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(hào)，分別控制進(jìn)液、出液電磁閥。聲光報(bào)警電路的控制信號(hào)為P2.5。鍵盤接口電路通過(guò)P3.0，P3.1和P3.2接入MCU用來(lái)控制系統(tǒng)的6個(gè)按鍵。系統(tǒng)通過(guò)P3.0和P3.3輸出信號(hào)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(hào)。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(lái)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。

　　本系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行液體壓力的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)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(cè)量。當(dāng)容器內(nèi)的液位值超過(guò)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(guò)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(duì)從站中的液位上下限值等進(jìn)行設(shè)置，主站在巡回檢測(cè)時(shí)，可以任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)目、從站號(hào)和從站容器中的液位高度。當(dāng)主站、從站中的液位超過(guò)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(hào)。同時(shí)從站也可以依據(jù)通信協(xié)議通過(guò)通訊模塊將從站號(hào)、液位值和報(bào)警信號(hào)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(hào)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(cè)及控制電路

　　系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集，采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大。放大后的信號(hào)送入V/F進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換，將其輸出的頻率信號(hào)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)接至MCU的P2.4腳，由MCU對(duì)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(jiàn)圖3。

　　圖3 液位測(cè)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(cè)到的液位值超過(guò)所設(shè)定的警戒值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)收到報(bào)警信號(hào)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(shí)別及處理模塊、液位檢測(cè)及控制模塊、主從站通信模塊。時(shí)間、工作環(huán)境溫度檢測(cè)模塊。

　　系統(tǒng)通過(guò)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(shí)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。可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)各電磁閥進(jìn)行手動(dòng)控制。當(dāng)液位超過(guò)警戒限時(shí)，調(diào)用液位檢測(cè)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(cè)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(guò)通信模塊發(fā)送給主站。各從站在進(jìn)行檢測(cè)和控制的同時(shí)也在不斷的偵聽(tīng)主站是否有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，如果有則立即處理。

　　6 結(jié)論

　　本儀器可廣泛應(yīng)用于測(cè)量水、油、酸類、酒類、飲料等的液位高度?？筛鶕?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(cè)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(cè)量方法非常簡(jiǎn)潔且精度高、測(cè)試范圍較廣，具備稱重功能和主-從站模式聯(lián)網(wǎng)功能。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　?。?］ 楊雷，王彩申，盧廣建．液位測(cè)量中的信號(hào)采集與處理［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2006，4-1：P177-180

　?。?］ 魏小龍．MSP430單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社．2002

　　［3］ 李肇慶，韓濤編．最新硬件接口技術(shù)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)系列串行端口技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社．2004

　?。?］ 夏路易，石宗義．電路原理圖與電路板設(shè)計(jì)教程Protel 99 se［M］．北京：北京希望電子出版社．2002