乙二醇檢測(cè)系統(tǒng)底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾 力，黃 劼，楊 艷

（四川大學(xué)制造學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

乙二醇是一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的液體，要直接進(jìn)行檢測(cè)，手段比較復(fù)雜，費(fèi)用較高，目前市面上的傳感器均難以滿(mǎn)足檢測(cè)需求，在無(wú)人值守的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。因此，采用測(cè)量乙二醇液位的辦法，同時(shí)針對(duì)乙二醇吸收水分和對(duì)溫度有影響的性質(zhì)，可以采用檢測(cè)乙二醇周?chē)諝獾臏囟群蜐穸鹊霓k法進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量值通過(guò)GSM MODEM實(shí)現(xiàn)傳輸[1-2]。這種方式免去了鋪設(shè)大量通信電纜的工序，成本低廉，穩(wěn)定性好，可節(jié)約大量人力物力資源。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件選擇

系統(tǒng)控制器采用STC12C5410AD型單片機(jī)，該型號(hào)帶有8路10位精度的ADC。

溫濕度的測(cè)量采用SHT71型傳感器，該型號(hào)傳感器輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)I2C總線(xiàn)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。液位傳感器采用LMP633系列纜式靜壓傳感器，測(cè)量范圍是0～1 m，供電電壓12.5～36 V，輸出信號(hào)4～20mA。

1.2 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

通常在管道的連接處發(fā)生泄露的幾率大于管道其他部位，因此液位傳感器應(yīng)該安裝在此處。如圖1所示，檢測(cè)容器與管道的連接處通過(guò)漏斗相連，一旦發(fā)生泄露，乙二醇通過(guò)漏斗進(jìn)入容器內(nèi)。檢測(cè)容器應(yīng)該盡量做到密封，防止其他液體進(jìn)入容器影響測(cè)量。液位傳感器安裝在檢測(cè)容器底部，溫濕度傳感器、GSM MODEM、信號(hào)處理電路安裝在檢測(cè)容器壁上。系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，之后系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，此時(shí)可以發(fā)送檢測(cè)命令或者休眠命令。如果發(fā)送檢測(cè)命令，系統(tǒng)把液位傳感器和溫濕度傳感器測(cè)量值通過(guò)GSM MODEM送至控制器，處理完成之后，通過(guò)GSM MODEM把測(cè)量值發(fā)送至操作員處[3-4]。如果發(fā)送休眠指令，GSM MODEM、液位傳感器和溫濕度傳感器斷電，只有控制器處于通電狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠。

圖1 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.3 硬件電路構(gòu)成

如圖2所示，系統(tǒng)采用24V電池供電。24V電壓通過(guò)LM2576穩(wěn)壓芯片降壓之后可獲得9，12，5 V電壓，分別給GSM MODEM、液位傳感器、單片機(jī)及其外圍器件供電。同時(shí)，24，9，12，5V電壓分別送入CN1185電壓檢測(cè)芯片進(jìn)行檢測(cè)，以獲取當(dāng)前電池電壓信息。電池電壓低于19 V時(shí)，太陽(yáng)能充電器自動(dòng)給電池充電，同時(shí)GSM MODEM把將電壓過(guò)低信息發(fā)送出去。液位傳感器輸出4～20mA模擬量，送入單片機(jī)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到8位數(shù)字量，溫濕度傳感器直接輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的8位數(shù)字信號(hào)至單片機(jī)。液位值和溫濕度值通過(guò)GSM MODEM發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這里L(fēng)M2576芯片是穩(wěn)壓芯片，通過(guò)控制其使能端來(lái)使其停止工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)電路的通斷電操作，以達(dá)到節(jié)能的目的[5-6]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，上電之后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，之后程序進(jìn)入主循環(huán)?？刂破髟谥餮h(huán)程序中等待接收GSM MODEM傳來(lái)的數(shù)據(jù)，判斷是否有新指令到。沒(méi)有新指令，返回繼續(xù)等待接收；有新指令則分析指令內(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容作進(jìn)一步處理。

主循環(huán)程序?qū)ε袛郍SM MODEM返回值進(jìn)行判斷，不同的返回值代表的含義如下：返回值是ERROR，代表GSM MODEM接收指令出錯(cuò)，程序返回，ERROR丟棄；返回值是 CMTI，代表 GSM MODEM接收到新的短信息等待讀取，此時(shí)調(diào)用讀取指令，讀取并保存GSM MODEM中的內(nèi)容，同時(shí)判斷該指令是否為控制命令，是控制命令則提取命令內(nèi)容和發(fā)送端電話(huà)號(hào)碼，完成后刪除本條信息，不是控制命令，作為干擾短信處理，刪除信息；返回值是CMGR，代表GSM MODEM成功讀取一條短信息，程序返回；返回值是CMGS，代表GSM MODEM成功發(fā)送短信息，程序返回[7]。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

圖3 主程序結(jié)構(gòu)圖

2.2 中斷程序設(shè)計(jì)

在乙二醇輸送過(guò)程中，如果采用GSM MODEM連續(xù)發(fā)送測(cè)量值的方式，不光提高了通信費(fèi)用，增加電池耗電量，而且對(duì)于乙二醇發(fā)生泄露這種偶然情況并不適用，只需要間隔一定的時(shí)間發(fā)送一次測(cè)量值便可知道現(xiàn)場(chǎng)的情況，即設(shè)定一個(gè)檢測(cè)周期，當(dāng)設(shè)定的周期時(shí)間到，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)送檢測(cè)值。另外，由于系統(tǒng)是電池供電，從節(jié)約電池耗電量方面考慮，在沒(méi)有輸送乙二醇時(shí)，可使GSM MODEM、液位傳感器、溫濕度傳感器和其他一些芯片斷電，使系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。待休眠一段時(shí)間之后系統(tǒng)蘇醒，開(kāi)機(jī)4min檢測(cè)是否收到控制命令，如果沒(méi)有則重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)必須保持供電，以便休眠結(jié)束能夠喚醒斷電的傳感器和芯片。同樣，當(dāng)系統(tǒng)處于檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，使GSM MODEM和液位傳感器斷電，當(dāng)檢測(cè)周期時(shí)間到時(shí)，給GSM MODEM通電，發(fā)送測(cè)量值。因此，系統(tǒng)的程序需要實(shí)現(xiàn)GSM MODEM斷電和通電，設(shè)定定時(shí)周期和休眠周期等功能。

假設(shè)中斷時(shí)間為60ms，單片機(jī)每間隔60ms執(zhí)行中斷程序一次。為了達(dá)到需要的定時(shí)周期，可以通過(guò)設(shè)定循環(huán)變量的辦法實(shí)現(xiàn)。例如設(shè)定LOOPL、LOOPH作為2個(gè)循環(huán)變量，可實(shí)現(xiàn)一基本定時(shí)單位，然后設(shè)定另一循環(huán)變量TIME，TIME為基本定時(shí)單位的倍數(shù)。如果不能滿(mǎn)足定時(shí)長(zhǎng)度，可適當(dāng)增加循環(huán)變量。

需要注意的是，GSM MODEM收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)存在垃圾短信干擾的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)定一個(gè)特殊格式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。例如，采用SCZZXXXX55的格式，其中SCZZ和55是數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓潭ǜ袷?，XXXX為有效數(shù)據(jù)，任何非此格式的短信皆作干擾短信處理，通過(guò)程序直接丟棄。

圖4所示為中斷程序流程圖，60 ms定時(shí)時(shí)間到，程序進(jìn)入中斷執(zhí)行程序，首先判斷定時(shí)時(shí)間單位是否到，其次判斷要求實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間是否到。如果定時(shí)時(shí)間到，下一步接下來(lái)就判斷系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，設(shè)定一變量SYSSTOP來(lái)表示系統(tǒng)工作狀態(tài)，如果為0則表示系統(tǒng)工作，為1表示系統(tǒng)停止工作。

SYSSTOP為1時(shí)，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，根據(jù)前面可以知道，此時(shí)GSM MODEM有通電和未通電兩種狀態(tài)，因此接下來(lái)判斷GSM MODEM是否通電。沒(méi)有通電，表示系統(tǒng)的休眠周期結(jié)束，接下來(lái)需要給GSM MODEM上電，開(kāi)機(jī)4 min判斷是否有新的控制命令到。如果GSM MODEM處于通電狀態(tài)，表示4 min開(kāi)機(jī)時(shí)間到，GSM MODEM斷電，系統(tǒng)重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。

SYSSTOP為0時(shí)，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，同樣需要判斷GSM MODEM是否通電，設(shè)定CATSTA表示GSM MODEM狀態(tài)，為1表示通電，為0則表示斷電。CATSTA為1時(shí)，表示GSM MODEM已發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)至操作員處，GSM MODEM和傳感器斷電；CATSTA為0時(shí)，表示檢測(cè)周期時(shí)間到，應(yīng)該給GSM MODEM和傳感器上電、采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。但GSM MODEM上電之后，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前應(yīng)該設(shè)定一段延時(shí)時(shí)間，使其完成自檢和初始化[8]。

圖4 中斷流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乙二醇傳輸過(guò)程中的無(wú)人值守檢測(cè)，經(jīng)濟(jì)適用，性能穩(wěn)定，且采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，適合數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。目前實(shí)驗(yàn)室調(diào)試階段已經(jīng)成功，對(duì)于類(lèi)似的具有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)的液體和氣體檢測(cè)具有廣泛的適用性。

[1]朱向慶，陳志雄.遠(yuǎn)程分布式溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（1）：55-57.

[2]劉子龍.基于STC單片機(jī)的物流定位終端系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30（5）：73-76.

[3]曹柏榮，馮運(yùn)達(dá)，瞿丹霞.無(wú)線(xiàn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2005（7）：30-31.

[4]黃世奇，鄭健，陸燕，等.溫濕度遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004（2）：47-58.

[5]馮顯英，葛榮雨.基于數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2006（1）：29-40.

[6]翟春艷，岳修正，肖宏，等.基于單片的溫濕度感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011（12）：40-49.

[7]楊建華，劉皓，劉文琦.基于GSM/SMS的分布式測(cè)控系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)[J].控制工程，2005（1）：33-58.

[8]婁輝，黃海.遠(yuǎn)程測(cè)控中GSM Modem短信開(kāi)發(fā)[J].電子電器，2006（1）：54-69.