基于單片機(jī)的差壓式液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王延年，李雄飛

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安 710048）

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需要對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)安全運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，如常見的鍋爐液位、油罐液位、化工原料液位等，這對(duì)正常安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用[1]。由于被檢測(cè)液體本身可能具有腐蝕性、毒性和刺激性，不能依靠人為去獲取液位數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代化工控領(lǐng)域中不僅要求可以實(shí)現(xiàn)液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，甚至更多時(shí)候需要系統(tǒng)進(jìn)行自我液位調(diào)節(jié)，使得整個(gè)系統(tǒng)始終保持在安全生產(chǎn)液位[2]。這對(duì)系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，設(shè)計(jì)出符合企業(yè)生產(chǎn)的全自動(dòng)液位監(jiān)控系統(tǒng)既可以提高企業(yè)生產(chǎn)效率又可以降低生產(chǎn)成本[3]。集成化網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，為液位監(jiān)控技術(shù)提供了良好的軟件編程和硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)[4]。新的液位監(jiān)控系統(tǒng)趨于便捷化、自動(dòng)化和智能化，有利于提高測(cè)量的準(zhǔn)確度和安全性[5]。

文中設(shè)計(jì)了一種差壓式液位數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，采用AT89S52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，使用差壓傳感器進(jìn)行液位信號(hào)的采集，將采集信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)制轉(zhuǎn)換，通過單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)顯示與控制的功能。利用MCGS 軟件制作相應(yīng)的監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的變化進(jìn)行預(yù)報(bào)警，提高液位監(jiān)控的實(shí)時(shí)性[6]。整個(gè)設(shè)計(jì)中需要完成三大塊：液位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)、液位監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試仿真。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)需求與成本，由于PLC 的價(jià)格昂貴且體系結(jié)構(gòu)封閉，各PLC 廠家硬件體系互不兼容，編程語(yǔ)言及指令系統(tǒng)也各異[7]，當(dāng)用戶選擇了一種PLC 產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，并且學(xué)習(xí)特定的編程語(yǔ)言[8]。而單片機(jī)的體積較小、集成度較高、編程比較方便、功耗和價(jià)格都很低、操作簡(jiǎn)單、通用性好，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛[9]。因此該文選取單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包含電源、晶振、復(fù)位、鍵盤、顯示、液位信號(hào)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、報(bào)警、電機(jī)控制等模塊，以及相應(yīng)模塊的軟件系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)核心采用單片機(jī)，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)框圖

該設(shè)計(jì)選取AT89S52 單片機(jī)為控制核心，選取ZPM430 傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。AT89S52 單片機(jī)的功能非常多，存儲(chǔ)容量很大，定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)多種功能，內(nèi)置8kROM，足以容納通用程序，價(jià)格低，編程比較方便，ISP 比較簡(jiǎn)單可靠而且可下載，閃存ROM下載次數(shù)多，高達(dá)10 000 次以上，可靠性高[10]。ZPM430 傳感器精度高、穩(wěn)定性好，而且它有很多種壓力接口和電氣接線形式供選擇，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、水文等領(lǐng)域的各種氣體和液位的差壓測(cè)量[11]。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 顯示電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)需要顯示當(dāng)前液位值以及預(yù)報(bào)警值，所以在該設(shè)計(jì)中選用了LCD1602 顯示模塊，該模塊可以將顯示屏和驅(qū)動(dòng)集成電路作為一個(gè)整體來(lái)使用[12]。字符型LCD1602 的驅(qū)動(dòng)器一般是HD44780，其一般有16 條外部接口信號(hào)。其中有8 條數(shù)據(jù)總線，3 條控制線分別為RS、R/W 和E。RS 是輸入端，其功能是選擇寄存器，當(dāng)RS 為高電平時(shí)，選擇數(shù)據(jù)寄存器；為低電平時(shí)，選擇指令寄存器。R/W 為讀寫選擇端，當(dāng)R/W 為高電平時(shí)，選擇讀操作；為低電平時(shí)，選擇寫操作。E 是使能信號(hào)端。

LCD1602顯示模塊與單片機(jī)直接相連，LCD1602的八位數(shù)據(jù)線D0～D7 與單片機(jī)的P0.0～P0.7 口對(duì)應(yīng)連接，另外，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P0 口內(nèi)部不帶上拉電阻，所以需要外接上拉電阻來(lái)增強(qiáng)輸出能力?？刂凭€RS 與單片機(jī)的P1.0 口相連，當(dāng)輸入高電平時(shí)，為數(shù)據(jù)信號(hào)；當(dāng)輸入低電平時(shí)，為命令信號(hào)。R/W 與單片機(jī)的P1.1 口相連，當(dāng)輸入高電平時(shí)，為讀數(shù)據(jù)信號(hào)；當(dāng)輸入低電平時(shí)，為寫數(shù)據(jù)信號(hào)。使能信號(hào)E 與單片機(jī)的P1.2口相連，管腳GND 接地，管腳VCC 接+5 V電源，管腳VEE 外接一個(gè)電位器，用來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對(duì)比度。

2.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是一個(gè)液位監(jiān)控系統(tǒng)，必須在液位超出或低于正常使用范圍時(shí)及時(shí)提醒工作人員，這就必須要用到報(bào)警電路。該設(shè)計(jì)采用雙重報(bào)警的方式來(lái)有效清晰地提醒工作人員，該報(bào)警電路包括音頻報(bào)警電路和信號(hào)燈報(bào)警電路。

2.2.1 音頻報(bào)警電路

音頻報(bào)警電路由蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，當(dāng)液位處于非正常范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)聲，便于工作人員及時(shí)查明并排除故障。電路中蜂鳴器的正極接到三極管8550的集電極C 端，三極管的發(fā)射極E 接到電源VCC 上，三極管的基極B 通過一個(gè)限流電阻R6后由單片機(jī)的管腳P2.2 控制，即接到接線口P2.2 上。當(dāng)引腳P2.2為高電平時(shí)，三極管無(wú)法導(dǎo)通，故沒有電流流過線圈，這時(shí)蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)引腳P2.2 為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，有電流流過蜂鳴器，構(gòu)成了閉合的回路，蜂鳴器可以發(fā)聲。所以，只要編好程序來(lái)控制單片機(jī)P2.2 端口的電平高低，就可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。蜂鳴器報(bào)警電路如圖2 所示。

圖2 蜂鳴器報(bào)警電路

2.2.2 信號(hào)燈報(bào)警電路

蜂鳴器報(bào)警只能讓工作人員知道液位此時(shí)不在正常范圍內(nèi)，但是并不能讓工作人員知道液位究竟是高了還是低了。而信號(hào)燈報(bào)警就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺失，其與蜂鳴器配合使用達(dá)到完美報(bào)警。當(dāng)液位低于下限報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)的引腳P2.3 為低電平，發(fā)光二極管D2 導(dǎo)通，低位報(bào)警信號(hào)燈點(diǎn)亮，為高電平時(shí)，信號(hào)燈滅。當(dāng)液位高于上限報(bào)警值時(shí)，引腳P2.4 為低電平，發(fā)光二極管D3 導(dǎo)通，高位報(bào)警信號(hào)燈點(diǎn)亮，為高電平時(shí)，信號(hào)燈滅。R3和R4是兩個(gè)限流電阻，保護(hù)發(fā)光二極管不被燒壞。信號(hào)燈報(bào)警電路如圖3 所示。

圖3 信號(hào)燈報(bào)警電路

2.3 控制電路的設(shè)計(jì)

控制電路主要控制的是供水電機(jī)的啟停，當(dāng)液位低于報(bào)警下限值時(shí)，供水電機(jī)啟動(dòng)，開始補(bǔ)水；當(dāng)液位高于上限報(bào)警值時(shí)，電機(jī)停止補(bǔ)水。其工作原理：當(dāng)三極管的基極與單片機(jī)的P2.0 端口連接并處于低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，此時(shí)RL1 繼電器的線圈得電，常開開關(guān)吸合，電機(jī)接入電源，開始補(bǔ)水。當(dāng)三極管的基極與單片機(jī)的P2.0 端口連接并處于高電平時(shí)，三極管截止，此時(shí)RL1 繼電器的線圈失電，常開開關(guān)彈開，電機(jī)與電源斷開，停止補(bǔ)水。由于系統(tǒng)的I/O 端口的輸出太弱，因此使用三極管來(lái)控制繼電器的連接?？刂齐娐啡鐖D4 所示。

圖4 控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序是控制單片機(jī)進(jìn)行工作的程序，是整個(gè)程序設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的[13]。主程序是固化到單片機(jī)中的，其工作過程首先是負(fù)責(zé)將單片機(jī)進(jìn)行端口初始化，然后跳轉(zhuǎn)到差壓式液位傳感器的采集子程序上并執(zhí)行該程序，將采集到的模擬量信號(hào)傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以便單片機(jī)處理，然后執(zhí)行數(shù)碼顯示子程序，使系統(tǒng)的LCD 顯示屏進(jìn)入工作狀態(tài)。主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程

3.2 報(bào)警控制子程序

報(bào)警控制子程序的工作原理如下：由主程序調(diào)用報(bào)警控制子程序，首先判斷檢測(cè)到的液位值是否低于下限值，如果低于下限值，則執(zhí)行電機(jī)啟動(dòng)程序，下限報(bào)警指示燈亮，在檢測(cè)值恢復(fù)到限值范圍內(nèi)后，下限報(bào)警指示燈滅并返回；然后判斷檢測(cè)到的液位值是否高于上限值，如果高于上限值，則執(zhí)行電機(jī)停止程序，上限報(bào)警指示燈亮，同時(shí)蜂鳴器啟動(dòng)報(bào)警，檢測(cè)值恢復(fù)到設(shè)置范圍后，上限報(bào)警指示燈滅，蜂鳴器停止報(bào)警并返回，然后延時(shí)等待，直到下次調(diào)用該子程序。報(bào)警控制子程序的流程如圖6 所示。

圖6 報(bào)警控制子程序流程

4 仿真調(diào)試

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用Keil5 程序軟件以及Proteus 模擬軟件。Keil5 軟件使用C 語(yǔ)言開發(fā)系統(tǒng)，兼具架構(gòu)優(yōu)勢(shì)、能力優(yōu)勢(shì)、讀取優(yōu)勢(shì)、可編譯源程序，連接和定位目標(biāo)文件庫(kù)，創(chuàng)建HEX 文件，調(diào)試目標(biāo)程序[14]。Proteus 軟件可以實(shí)現(xiàn)原理圖繪制、代碼調(diào)試、單片機(jī)與外圍電路仿真，還能一鍵切換到PCB 的設(shè)計(jì)[15]。

4.1 系統(tǒng)電路仿真

將所有元器件連接好后，在調(diào)試下拉菜單欄中點(diǎn)擊開始仿真。顯示屏上顯示默認(rèn)設(shè)定值：當(dāng)前液位為5 m，上限報(bào)警值SH為7 m，下限報(bào)警值為3 m，電源指示燈D1 亮。將電位器的值調(diào)大，顯示屏上的當(dāng)前液位隨之變大，將其調(diào)小，當(dāng)前液位隨之減小。當(dāng)液位高于7 m 時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)D4 指示燈亮，水泵停止供水。當(dāng)液位低于3 m 時(shí)，D3 指示燈亮，同時(shí)水泵開始補(bǔ)水。按下S1 鍵，報(bào)警燈閃爍，處于編輯狀態(tài)，按一次S2 鍵，報(bào)警值加1，按一次S3 鍵，報(bào)警值減1，S1 可以選擇設(shè)置H 和L。

4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面仿真

該設(shè)計(jì)使用MCGS 模擬運(yùn)行軟件[16]，制作了液位監(jiān)控畫面來(lái)模擬實(shí)時(shí)報(bào)警畫面運(yùn)行結(jié)果，報(bào)警畫面主要由實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和計(jì)劃曲線組成，其模擬運(yùn)行結(jié)果如圖7 所示。實(shí)時(shí)曲線是對(duì)當(dāng)前液位情況作出報(bào)警的，歷史曲線可以用來(lái)查看之前的報(bào)警情況，計(jì)劃曲線是用來(lái)設(shè)定預(yù)期的報(bào)警值的。

圖7 報(bào)警畫面顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

該文以工業(yè)控制生產(chǎn)為背景，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的差壓式液位監(jiān)控系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完成了系統(tǒng)配套監(jiān)控畫面的制作，實(shí)現(xiàn)了液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)整、報(bào)警以及數(shù)據(jù)報(bào)表上傳，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，提高了安全生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本。