基于MSP430電感式傳感技術(shù)的水位控制器設(shè)計(jì)

劉洪波，張照偉，高華婷 ，田大軍，賈榮華

（1.濟(jì)南正平自動(dòng)化設(shè)備有限公司，山東濟(jì)南，250101；2.濟(jì)南升平軟件有限公司，山東濟(jì)南，250101）

1 研究背景

近些年來，國內(nèi)醫(yī)學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，老百姓對(duì)健康的要求越來越高，意味著醫(yī)學(xué)技術(shù)及醫(yī)療設(shè)備的需要也有很大的提升，尤其對(duì)醫(yī)療消毒和滅菌技術(shù)的要求也有了更大的需求，相對(duì)應(yīng)的對(duì)醫(yī)療設(shè)備的要求也必須提高，過去一臺(tái)消毒滅菌設(shè)備可能使用幾年甚至十幾年都能滿足要求，現(xiàn)在老百姓看病和去醫(yī)院的頻次大幅提高，導(dǎo)致醫(yī)療滅菌設(shè)備的使用年限大大減小了，在消毒滅菌方面也必須提出新的技術(shù)和方法，科學(xué)合理的使用滅菌設(shè)備，提高和更新新的技術(shù)，促使現(xiàn)代醫(yī)療器械的消毒滅菌技術(shù)得到快速發(fā)展，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電感式傳感技術(shù)的水位控制器就是在此背景下應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生的。

基于MSP430的電感式傳感技術(shù)的水位控制器是用在電熱蒸汽發(fā)生器里面，電熱蒸汽發(fā)生器既所謂的電鍋爐，利用電加熱電阻絲的方式把水加熱成蒸汽的醫(yī)療設(shè)備，廣泛應(yīng)用在醫(yī)療消毒、滅菌等場(chǎng)合。水位控制器是電蒸汽發(fā)生器的核心系統(tǒng)，傳統(tǒng)的測(cè)量水位方式是利用電極彈針來檢測(cè)水位，現(xiàn)如今因?qū)︶t(yī)療滅菌設(shè)備的高要求，電熱蒸汽發(fā)生器需采用超純水，超純水應(yīng)是清潔、無腐蝕性、無雜質(zhì)的清水，這樣更能符合殺毒滅菌的高要求。之前使用的電蒸汽水一般使用經(jīng)水處理后的軟水或經(jīng)過濾池過濾的水對(duì)水位控制器的電極應(yīng)定期清洗 ,容易使電極積垢使電控失靈，另外就是現(xiàn)在對(duì)消毒滅菌的要求已大大提高，過去普通軟水是無法達(dá)到現(xiàn)在科學(xué)醫(yī)療的要求，超純水水質(zhì)已經(jīng)發(fā)生變化，已經(jīng)無法利用水的導(dǎo)電性能測(cè)量水位的高低，也就無法控制注水泵的供水和電加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱。本系統(tǒng)利用完整模擬前端電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，此轉(zhuǎn)換器經(jīng)過優(yōu)化，可用于諸如存在性檢測(cè)和事件計(jì)數(shù)等非接觸式應(yīng)用中的工業(yè)接近傳感器，測(cè)量的數(shù)值快速轉(zhuǎn)為電感數(shù)字集成到終端設(shè)備系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

2 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

醫(yī)學(xué)上的殺毒滅菌技術(shù)是將所有微生物全部殺死來防止病人感染的辦法，在醫(yī)院里開展醫(yī)療科研、治療等工作,也離不開殺毒滅菌設(shè)備,如何科學(xué)有效的滅菌消毒,是多年來一直研究的問題。長期以來醫(yī)療行業(yè)都是采用壓力蒸汽滅菌的方式，該方式需要在一個(gè)密封耐高壓環(huán)境容器中用電加熱進(jìn)行，故還得需要一種系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)高壓密封容器內(nèi)的水位高低，不至于因?yàn)樗贿^低而燒壞電熱蒸汽發(fā)生器。

感應(yīng)線性位置傳感器的基本原理與渦流現(xiàn)象有關(guān)，本系統(tǒng)是利用電磁感應(yīng)技術(shù)取代機(jī)械觸點(diǎn)，由于傳統(tǒng)機(jī)械觸點(diǎn)無法在高壓密封環(huán)境中得到應(yīng)用或者是會(huì)受到影響，本系統(tǒng)的基本原理是通過線圈的交流電流產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近線圈時(shí)，則震蕩磁場(chǎng)就脈沖變化，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)變化會(huì)影響原始磁場(chǎng)形成渦流損耗，這種反應(yīng)就改變了線圈的特性，線圈的電阻和電感就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，LDC1101前端電路通過將閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的震蕩幅度調(diào)節(jié)到一個(gè)核定的水平來完成檢測(cè)諧振器所消耗的能量，通過檢測(cè)線圈的功率，LDC1101前端電路就可以確定損耗的電阻值。

系統(tǒng)主要包括MSP430、LM1117穩(wěn)壓芯片及穩(wěn)壓電路、上位機(jī)電腦、LDC1101前端電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器及放置于電熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)部前端印刷電路板線圈及空心銅球組成的機(jī)械部分，首先是單片機(jī)MSP430給LDC1101前端電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器維持高頻率的電流信號(hào)，當(dāng)置于水面的銅球浮起的時(shí)候會(huì)慢慢接近印刷電路板的線圈，等銅球接近或者位于印刷電路板線圈中央位置時(shí)，銅球會(huì)切割印刷電路板的線圈磁感線，這時(shí)LDC1101前段電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器就會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)MSP430，單片機(jī)MSP430就會(huì)將所得數(shù)據(jù)通過USB將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)電腦實(shí)時(shí)顯示出來，這樣就可以大體判斷電熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)水位的高低，等檢測(cè)不到水位信號(hào)時(shí)，通過上位機(jī)即可通過注水泵給電熱發(fā)生器注水，不會(huì)因?yàn)殡姛嵴羝l(fā)生器水位過低干涸而燒壞設(shè)備。圖1是系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。

3 系統(tǒng)功能組成

系統(tǒng)核心部分主要有單片機(jī)MSP430、LM1117穩(wěn)壓芯片及穩(wěn)壓電路、上位機(jī)電腦軟件、LDC1101前端電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器及放置于電熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)部前端印刷電路板線圈及銅球組成的機(jī)械部分，本系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新部分是MSP430單片機(jī)及LDC1101前段電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器及放置于電熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)部前段印刷電路線圈及空心銅球部分，其中位于電熱發(fā)生器內(nèi)的部分是利用非金屬材料將電感接近傳感器及前端電路的印刷電路板線圈密封固定好合適位置，在線圈中心放置一個(gè)非金屬筒裝腔體，在腔體內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)銅的空心球，可漂浮于水面上。此參考設(shè)計(jì)使用1.8V～3.3V 高分辨率、高速電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，提供可編程決策閾值設(shè)置和寬泛的傳感器頻率范圍。

MSP430單片機(jī)作為LDC1101傳感器和USB接口之間的橋梁，LDC1101利用電腦的應(yīng)用界面進(jìn)行設(shè)備配置和檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)應(yīng)用界面進(jìn)行處理和分析。

■3.1 單片機(jī)及穩(wěn)壓電源

本系統(tǒng)采用單片機(jī)MSP430作為主控制器，此設(shè)備采用USB供電形式，同時(shí)USB也肩負(fù)著將數(shù)據(jù)上傳到PC電腦的功能，低功耗性能就需要要求整體系統(tǒng)盡可能都采用低耗電元器件，另外，MSP430單片機(jī)是一種功能齊全的單片機(jī)，外設(shè)種類多，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

穩(wěn)壓電源管理電路是采用LM1117低壓差電壓調(diào)節(jié)器，該元件具有輸入電壓5V和標(biāo)稱電壓為5V的標(biāo)準(zhǔn)USB端口供電，另外LM1117輸出電壓可調(diào)，通過調(diào)節(jié)外部2個(gè)電阻可實(shí)現(xiàn)1.25～13.8V輸出電壓范圍，另外還有電流限制和熱保護(hù)功能，系統(tǒng)中LM1117電源芯片提供MSP430單片機(jī)電源需求和LDC1101傳感器的3.3V輸出功能，系統(tǒng)電源電路簡單穩(wěn)定，完全滿足系統(tǒng)電源的要求。

■3.2 LDC1101前端電路

傳感器就是系統(tǒng)控制的神經(jīng)系統(tǒng)，好的傳感器可以提供更準(zhǔn)確的信號(hào)，但是可輸出傳感器是無法控制過程的，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)需要在傳感器表面很近的范圍內(nèi)檢測(cè)技術(shù)目標(biāo)時(shí)，感應(yīng)式非接觸傳感器就很適合這樣情況，此外，該傳感器具有在惡劣環(huán)境條件下可靠工作的檢測(cè)記錄，它是一種非接觸式，不受磁場(chǎng)環(huán)境影響的特性，且具有很高的可靠性，此傳感器完全可以取代機(jī)械開關(guān)來實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)的功能，另外可以利用其可編程行設(shè)置閾值和傳感器偏離表范圍，用檢測(cè)閾值調(diào)整到所期望的檢測(cè)距離。LDC1101具有高分辨率和低成本行，即使在惡劣環(huán)境中也可以實(shí)現(xiàn)近距離傳感，LDC1101采用印刷電路板線圈作為傳感器，為系統(tǒng)提供更可靠性和高性能的解決辦法，LDC1101的SPI與單片機(jī)通信，然后用PC電腦的LabVIEW的用戶界面通信，具有中斷功能，能夠滿足本系統(tǒng)的要求。圖2是LDC1101前端電路圖。

圖2 LDC1101前端電路圖

LDC1101 是工作電壓介于1.8～3.3V之間、具有高分辨率的電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可對(duì)位置、旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)進(jìn)行短距離、高速、無觸點(diǎn)感測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠、精確的測(cè)量，非常適合戶外或環(huán)境苛刻的地方。LDC1101支持各種電感/電容(LC)組合，振蕩頻率范圍為500kHz～10MHz且RP范圍為1.25kΩ～90kΩ。系統(tǒng)通過4線SPI進(jìn)行配置和檢索轉(zhuǎn)換結(jié)果。電路上配置了一個(gè)15nF的電容元件，用于內(nèi)部LDO旁路和VDD電源旁路。

■3.3 線圈及空心銅球

系統(tǒng)中線圈及空心銅球通過非金屬材料固定于離電熱發(fā)生器中央位置，遠(yuǎn)離電熱發(fā)生器金屬殼體，防止影響系統(tǒng)的檢測(cè)與可靠性，線圈主要就是印刷電路板的線圈，在印刷電路板的中心位置是置空部分，用于放置非金屬耐高溫材料設(shè)計(jì)的空心筒狀腔體，空心筒狀腔體的直徑15cm,高度是30cm，空心銅球的直徑是10cm,下方和上方均有小于空心銅球直徑的過孔，將設(shè)計(jì)的能浮于水面的空心銅球置于腔體內(nèi)部，腔體內(nèi)的銅球能隨著電熱發(fā)生器內(nèi)部水位的高低而上下移動(dòng)。固定腔體和印刷電路板的線圈根據(jù)閾值多次測(cè)量固定好位置，這樣就能通過空心銅球隨著水面的高低監(jiān)測(cè)電熱發(fā)生器內(nèi)部水位的高低，當(dāng)高于水面位置和低于水面位置時(shí)都能夠觸發(fā)報(bào)警，通過注水泵來調(diào)整電熱發(fā)生器內(nèi)部水位。

4 小結(jié)

本方案設(shè)計(jì)的新型電熱發(fā)生器電磁傳感器水位控制器，比傳統(tǒng)的水位控制器應(yīng)用于更加苛刻的環(huán)境，設(shè)計(jì)方案巧妙，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電熱蒸汽發(fā)生器水位的自動(dòng)檢測(cè)和控制，尤其是適合高溫或封閉環(huán)境中使用的理想技術(shù)，而且成本低，體積小巧易于安裝。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電熱蒸汽發(fā)生器水位控制器能夠替代傳統(tǒng)的一般探針及利用電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)水位的水位控制器，可廣泛應(yīng)用在高溫蒸汽滅菌器設(shè)備上，經(jīng)過多次試驗(yàn)和應(yīng)用運(yùn)行穩(wěn)定可靠，也沒有燒壞電熱蒸汽發(fā)生器的事故，同時(shí)使現(xiàn)代醫(yī)療器械的消毒滅菌技術(shù)得到了很大的提升，具有很大的市場(chǎng)前景。