楊國濤，龍 偉，曾 力

（四川大學(xué)制造學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

乙二醇是一種工業(yè)價值很高，但也是一種有毒化學(xué)物質(zhì)，一旦泄漏或者溢出對周邊的人和生態(tài)環(huán)境造成相當(dāng)嚴(yán)重威脅。許多釀酒企業(yè)大量需要乙二醇，并采用管道運(yùn)輸，管道多深埋于野外地下，為及時發(fā)現(xiàn)泄漏需要每次運(yùn)輸時，派專人巡視和排查，往返一次需要半天時間，耗費(fèi)大量人力資源，因此，急需一種乙二醇在線監(jiān)測系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)乙二醇檢測方法價格昂貴，且管道深埋不利于傳統(tǒng)的檢測方法。根據(jù)實(shí)地考察和了解，在運(yùn)輸過程中絕大部分泄漏的發(fā)生在閥門處，每個閥門都有一個專用的閥井。針對這一情況，通過設(shè)計(jì)專門的容器［1］，并結(jié)合液位傳感器，將傳統(tǒng)的直接檢測乙二醇化學(xué)性質(zhì)，轉(zhuǎn)換為檢測乙二醇泄漏的液位值，降低了設(shè)備成本和技術(shù)難度。

本文設(shè)計(jì)了一種以液位傳感器為核心，單片機(jī)（MCU）為數(shù)據(jù)處理單元，全球移動通信系統(tǒng)（GSM）MODEM為無線遠(yuǎn)程通信手段［2］，計(jì)算機(jī)為泄漏顯示和報(bào)警單元的乙二醇在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由四部分組成:傳感器單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線遠(yuǎn)程通信單元、報(bào)警與監(jiān)測單元［3］，其結(jié)構(gòu)［4］如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 System structure

系統(tǒng)工作時主要會遇到下面3種情況:1）系統(tǒng)未發(fā)生泄漏和滲漏時，液位傳感器和溫濕度傳感器的監(jiān)測值:液位值0，濕度值不變;2）發(fā)生滲漏時，由于泄漏的是少量乙二醇，液位值為0，而空氣中的水分會被其吸收，造成濕度降低，通過監(jiān)測室計(jì)算機(jī)會監(jiān)測，并提示發(fā)生滲漏并發(fā)出報(bào)警;3）發(fā)生大量泄漏時，液位值不再為0，當(dāng)液位超過10 cm時，計(jì)算機(jī)會提示大量泄漏并報(bào)警。

2 硬件系統(tǒng)組成與功能

2.1 傳感器單元

傳感器單元主要負(fù)責(zé)液位的檢測和濕度檢測作為滲漏信息。

2.1.1 液位傳感器

液位傳感器采用LMP633系列纜式靜壓傳感器測量范圍為0～1m供電電壓為12.5～36V，輸出信號為4～20mA，精度為0.5%，采用螺紋連接。液位傳感器輸出信號需要通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，如圖2所示，并且需要通過實(shí)驗(yàn)建立液位和輸入電壓的關(guān)系，通過向容器里加入不同高度的水，并測量輸出電壓轉(zhuǎn)換后的值，得到如下公式

式中y為測量的液位值，mm;x為液位傳感器電壓值。液位傳感器轉(zhuǎn)換電路如圖2。

圖2 液壓傳感器信號轉(zhuǎn)換電路Fig 2 Signal conversion circuit of hydraulic pressure sensor

2.1.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于滲漏測量，采用比較常用的SHT71型傳感器［6］，供電范圍為2.4～5.5 V，傳感器輸出經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號通過I2C總線與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信［5］，連接電路如圖 3［7］。

圖3 溫濕度傳感器連接電路Fig 3 Connection circuit of temperature and humidity sensor

圖3中，1腳為串行時鐘輸入口SCK，2腳為電源輸入端VDD，3腳為接地腳，4腳為串行數(shù)據(jù)輸入輸出腳［8］。

2.2 數(shù)據(jù)處理單元

單片機(jī)單元主要負(fù)責(zé)采集液位、溫度與濕度值，控制GSM單元，將采集到的液位、溫度與濕度值發(fā)送給工作室里的計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)采用的控制器為性價比非常高的宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5410AD型單片機(jī)40腳，DIP封裝，內(nèi)部集成512 bytes的內(nèi)存，工作電壓在3.5～5.5 V，該型號自帶8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，對應(yīng)的端口為P1口，用戶可以通過軟件設(shè)定A/D接口，不需要時可以作為一般的I/O口。需要A/D轉(zhuǎn)換時通過配置寄存器P1M0（地址91H），P1M1（地址92H），很方便地實(shí)現(xiàn)將液位傳感器的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

2.3 GSM 單元

GSM單元用于無線傳送單片機(jī)采集到的液位、溫度與濕度值，方便企業(yè)辦公人員及時的掌握各個閥門的工作狀況。本文采用的是基于公共無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的短消息技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，采用的WAVECOM公司生產(chǎn)的RS—232接口的GSM MODE，該設(shè)備集成了AT指令，用于開發(fā)和控制，非常方便［9］。可以通過AT指令表設(shè)置設(shè)備參數(shù)，比如通過AT+CSCA=+8613800280500，就設(shè)置好了短信貓的短信中心號碼，操作非常方便。

2.4 電源電路

2.4.1 穩(wěn)壓降壓芯片

系統(tǒng)電源采用的是24 V可充電鋰離子電池，部分芯片電路的供電需要穩(wěn)壓降壓芯片，穩(wěn)壓降壓芯片選用的是LM2576 系列，輸入電壓為7～60 V，固定輸出值為 15，12，5，3.3 V，還有輸出電壓可調(diào)的型號。例如:單片機(jī)工作電壓為 5 V，則選用 LM2576—5.0，連接電路如圖 4。

圖4 單片機(jī)LM2576供電電路Fig 4 Power supply circuit of MCU LM2576

2.4.2 電壓監(jiān)測芯片

電壓監(jiān)測用于檢測電池、單片機(jī)供電、液位傳感器供電和短信貓供電情況。采用的是CN1185四通道低功耗的電壓檢測芯片，工作電壓為2.7～6 V，芯片有16個引腳，內(nèi)部有4個電壓比較器，每個比較器的正輸入端作為基準(zhǔn)電壓源，可以用于對同一個電壓源就行分級檢測或者對4個不同的電壓源就行檢測，可以通過9腳設(shè)置電壓翻轉(zhuǎn)閾值，高電平翻轉(zhuǎn)閾值為1.22 V，低電平翻轉(zhuǎn)閾值為1.56 V，輸入電壓小于閾值，則輸出為低電平，連接電路如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)

GSM MODEM控制主程序結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

1）系統(tǒng)上電之后，進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)初始化。

2）單片機(jī)讀取RS—232接口緩存區(qū)，判斷GSM MODEM是否有返回的數(shù)據(jù)，沒有返回?cái)?shù)據(jù)，就原地等待;有，就進(jìn)行判斷返回內(nèi)容。

3）讀取GSM MODEM（短信貓）的返回值，辨析返回內(nèi)容，返回ERROR，說明調(diào)用短信貓程序有問題，需要重新調(diào)用和修改，如果為CMTI，說明接收到新短信，則調(diào)用短信讀取程序，讀取短信能容;若均不是，則進(jìn)行下一步判斷。

圖5 CN1185電壓監(jiān)測電路Fig 5 CN1185 voltage monitoring circuit

4）調(diào)用讀取短信指令后，如果返回值為GMGR，說明讀取短信成功;為ERROR說明讀取失敗，需重新確認(rèn)讀取地址。

5）調(diào)用發(fā)送短信指令后，返回值為CMGS說明發(fā)送成功;為ERROR，說明發(fā)送失敗，你需要檢查發(fā)送指令，接收號碼，指令結(jié)尾是否正確。

圖6 主程序結(jié)構(gòu)圖Fig 6 Structure diagram of main program

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)

測試系統(tǒng)采用方便測量的液體高度的開口容器，將液位傳感器放入其中，通過向容器中加入不同高度的水，測量容器中水的實(shí)際高度，并與短信接收到的液位值進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中SCZZ100060F153F00F055為實(shí)驗(yàn)接收短信數(shù)據(jù)SCZZ和結(jié)尾55為排除干擾短信使用的協(xié)議格式，后面依次，1表示1#閥井，后2位00表示當(dāng)前液位值，再后4位為溫濕度值，其他為電壓監(jiān)測值和效驗(yàn)值。將當(dāng)前十六進(jìn)制的液位值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再代入公式（1），可以計(jì)算出當(dāng)前液位，分別為00，49，79 mm，當(dāng)液位等于或者超過100 mm，返回值都為FF，此時計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)出泄漏報(bào)警，等待工作人員趕到現(xiàn)場及時處理。

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)Tab 1 System test data

5 結(jié)論

通過系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)表明:本系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確獲取當(dāng)前液位值，并能通過GSM MODEM及時地將當(dāng)前液位值發(fā)送給遠(yuǎn)端的工作室，由于傳感器誤差，A/D轉(zhuǎn)換誤差，所以，監(jiān)測值和對比值存在一定誤差，但對于大量泄漏，1～2 mm的誤差并不影響對持續(xù)泄漏的監(jiān)測，通過上述分析和實(shí)驗(yàn)，本設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)乙二醇泄漏無線實(shí)時的監(jiān)測，長時間運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便。

［1］曾 力，黃 劼，楊 艷.乙二醇檢測系統(tǒng)底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國測試，2012（2）:93-95.

［2］楊建華，劉 皓，劉文琦.基于GSM/SMS的分布式測控系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)［J］.控制工程2005（1）:67-69，76.

［3］富煥章.一種STC電路的實(shí)現(xiàn)方法［J］.中國民航學(xué)院學(xué)報(bào)，1990（1）:12-20.

［4］郭 燕.基于STC單片機(jī)的氨氣測控儀的研制［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012（11）:88-90，95.

［5］朱向慶，陳志雄.遠(yuǎn)程分布式溫濕度實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010（1）:55-57，63.

［6］曹柏榮，馮運(yùn)達(dá)，瞿丹霞.無線溫濕度測量系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］.自動化儀表，2005（7）:30-31，34.

［7］馮顯英，葛榮雨.基于數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測控系統(tǒng)［J］.自動化儀表，2006（1）:59-61.

［8］李建蘭，邵建龍，張志宏，等.基于STC12C系列單片機(jī)的DS18B20編程［J］.國外電子測量技術(shù)，2009（1）:88-95.

［9］婁 輝，黃 海.遠(yuǎn)程測控中GSM Modem短信開發(fā)［J］.電子電器，2006（1）:235-237，250.