基于MSP430單片機的稱重式液位儀的設計

1引言

　　液位測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），其發展始于70年代［1］。它是一種集測量與控制于一體的智能化產品，適用于石油化工、冶金、電力、制藥、環保等行業中各種介質的液位測量。本儀器主要針對罐體內液體進行測量并能計算其重量，適用于對各種液態物質進行靜態和動態測量與監控，并具有超限報警和主-從站模式聯網功能。

　　2 系統設計方案

　　2.1 液位傳感器的選擇

　　一般情況下在液位測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，由于系統設計中要求在測量液位的同時還要實現液體重量的檢測。在液罐內，液體重量P的檢測可直接利用計算得到，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試的分辨率才能保證液體重量測試的精度，本系統中液位測試分辨率為1cm。另外，考慮到壓力傳感器接口電路相對采用超聲波傳感器的接口電路要簡單，因此確定采用壓力傳感器。

　　2.2 MSP430單片機

　　MSP430單片機為低功耗16位單片機，具有典型的SOC特點，集成大量外設。尤其是其內部集成的波特率微調器，可以使MCU在不低于32768HZ的任意晶振（但不能超過MCU對晶振要求的上限）下工作時，其通信波特率的選擇可不受波特率因子不能帶有小數的限制，即：在波特率的允許范圍內可使用任意頻率的晶振［2］ ［3］。另外，由于MSP430 MCU內部集成了溫度傳感器，可以很方便的實現對測液位所用的壓力傳感器的溫度補償。而且MSP430系列單片機針對不同的應用而由各種不同的模塊組成，這些微控制器被設計為可用電池工作，并且可以使用很長時間。

　　2.3 模擬信號轉換技術

　　由于系統的執行部件為電磁閥，易產生電磁干擾，因此為能夠可靠的工作必須要使系統具有較高的抗干擾性。

　　一種方法是直接利用MCU內部的A/D轉換器，其特點是：無須外圍電路，采樣速度快，但抗干擾能力較差［4］。

　　另一種方法是使用V/F變換器來實現A/D轉換。由于V/F變換是利用積分電容的電荷平衡原理實現電壓頻率轉換，因此該方式穩定性好，分辨率高，信號線少，便于實現光電隔離以提高系統的抗干擾性，但轉換速度相對較慢。

　　考慮到壓力信號是一個緩變信號，一般無須快速采樣，為使系統具有較高的抗干擾性，根據分析對比，選擇采用V/F變換器來實現對壓力信號的處理，計算處理較簡單，在測量精度方面也能達到使用要求，并且易于做到實時控制。

　　3 系統總體組成結構及工作原理

　　圖1 系統總體構成圖

　　如圖1所示，整個系統由單片機主機系統、傳感器信號處理電路、液位控制電路、聲光報警、鍵盤、液晶顯示、電源模塊和通信等模塊組成。P1口作為系統的數據線，V/F轉換電路的輸出信號作為中斷請求信號接至MCU的P2.4腳，P2.6和P2.7為執行部件電磁閥的控制信號，分別控制進液、出液電磁閥。聲光報警電路的控制信號為P2.5。鍵盤接口電路通過P3.0，P3.1和P3.2接入MCU用來控制系統的6個按鍵。系統通過P3.0和P3.3輸出信號給74HC245用做LCD漢字液晶顯示器的數據接口，P3.0和P3.3用做LCD的控制信號。P3.4和P3.5為MCU的串行通信數據線，經由通信電路與從機連接，用來進行主站、從站之間的串行通信。系統的電源模塊產生3.3V、＋5V和－5V電壓，分別為主機系統和傳感器接口電路提供穩定的工作電壓。

　　本系統通過壓力傳感器進行液體壓力的數據采集，經過V/F轉換模塊進行液位高度和液體重量的標定，實現高精度的測量。當容器內的液位值超過了設定值或警戒值時，系統自動啟動報警電路進行聲光提示報警。用戶可以通過鍵盤設定液位的上、下限值和進液、出液量等參數，以便使容器內液位保持設定的液位值。系統采用大屏幕液晶漢字顯示，可以顯示出當前液位值、設定的液位上下限值、容器內當前液體重量和進液、出液閥門的狀態等。主站控制8個從站中的任意一個，并完成主站和從站的同步通信，主站具有該系統的所有功能，并且可以對從站中的液位上下限值等進行設置，主站在巡回檢測時，可以任意設定要查詢的從站數目、從站號和從站容器中的液位高度。當主站、從站中的液位超過警戒限時，主站可以進行聲光報警并能顯示報警的從站號。同時從站也可以依據通信協議通過通訊模塊將從站號、液位值和報警信號傳送給主站，并且從站可以接受主站的控制信息并能自動執行，還可以自動報警和解除報警。系統中從站號可以任意設定。同時該系統還可以實時顯示工作環境的溫度和時間。

　　4 系統的主要硬件電路設計

　　4.1 V/F轉換電路設計

　　如圖2所示，輸入電壓經射隨器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6腳和7腳的RC時間常數相匹配時，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，以獲得良好的線性度。

　　圖2 V/F轉換電路原理圖

　　4.2液位檢測及控制電路

　　系統通過壓力傳感器進行數據信號采集，采集到的信號經過運算放大器進行信號放大。放大后的信號送入V/F進行壓頻轉換，將其輸出的頻率信號作為中斷請求信號接至MCU的P2.4腳，由MCU對其進行處理后，將其轉換成液位值，并根據液位設定值和上、下限值控制相應的電磁閥，使容器內液位高度與設定值保持一致。為便于電路的調試和觀察，每個電磁閥都設有工作狀態指示燈，表明當前是出液閥還是進液閥正在工作。其控制電路見圖3。

　　圖3 液位測量及控制電路

　　4.3 聲光報警電路設計

　　聲光報警電路由三極管、發光二極管、電阻、電容、蜂鳴器等組成，當所測到的液位值超過所設定的警戒值時，單片機發出報警信號，當收到報警信號后發光二極管OUT被點亮、蜂鳴器發出聲音，產生聲光報警。

　　5 系統軟件設計

　　系統的軟件采用模塊化結構設計，分為六大塊即：系統初始化模塊、LCD顯示模塊、按鍵識別及處理模塊、液位檢測及控制模塊、主從站通信模塊。時間、工作環境溫度檢測模塊。

　　系統通過初始化模塊設置顯示緩沖區、堆棧指針、操作標志和工作寄存器、各I/O端口的方向、系統定時器模塊、通信模塊、以及系統中斷設置等。鍵盤模塊負責按鍵的識別和按鍵處理，當有按鍵動作時調用相應的按鍵處理子程序進行處理。可實現對進出的液體量和上、下報警限進行設置，也可利用按鍵對各電磁閥進行手動控制。當液位超過警戒限時，調用液位檢測及控制模塊進行相應的控制，以使相應的電磁閥動作。在自動檢測和自動控制的同時，將相關數據和控制參數，通過通信模塊發送給主站。各從站在進行檢測和控制的同時也在不斷的偵聽主站是否有命令或數據發送過來，如果有則立即處理。

　　6 結論

　　本儀器可廣泛應用于測量水、油、酸類、酒類、飲料等的液位高度。可根據設定的上下兩個極限液位，自動控制進液和排液，并具有多臺聯網功能。本儀器工作性能穩定可靠，體積小，測量及控制準確靈敏，安裝使用方便，功耗低。目前已在一家食品企業中投入使用。

　　創新點

　　采用的16位單片機MSP430具有高性能低功耗的特點，是取代8位51系列單片機的較好選擇。而且測量方法非常簡潔且精度高、測試范圍較廣，具備稱重功能和主-從站模式聯網功能。

　　參 考 文 獻

　　［1］ 楊雷，王彩申，盧廣建．液位測量中的信號采集與處理［J］．微計算機信息，2006，4-1：P177-180

　　［2］ 魏小龍．MSP430單片機接口技術及系統設計實例［M］．北京：北京航空航天大學出版社．2002

　　［3］ 李肇慶，韓濤編．最新硬件接口技術應用與開發系列串行端口技術［M］．北京：國防工業出版社．2004

　　［4］ 夏路易，石宗義．電路原理圖與電路板設計教程Protel 99 se［M］．北京：北京希望電子出版社．2002