楊國(guó)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(jià)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(duì)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(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏需要每次運(yùn)輸時(shí)，派專人巡視和排查，往返一次需要半天時(shí)間，耗費(fèi)大量人力資源，因此，急需一種乙二醇在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)乙二醇檢測(cè)方法價(jià)格昂貴，且管道深埋不利于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。根據(jù)實(shí)地考察和了解，在運(yùn)輸過(guò)程中絕大部分泄漏的發(fā)生在閥門處，每個(gè)閥門都有一個(gè)專用的閥井。針對(duì)這一情況，通過(guò)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(cè)乙二醇化學(xué)性質(zhì)，轉(zhuǎn)換為檢測(cè)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(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）MODEM為無(wú)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(cè)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(wú)線遠(yuǎn)程通信單元、報(bào)警與監(jiān)測(cè)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(shí)主要會(huì)遇到下面3種情況:1）系統(tǒng)未發(fā)生泄漏和滲漏時(shí)，液位傳感器和溫濕度傳感器的監(jiān)測(cè)值:液位值0，濕度值不變;2）發(fā)生滲漏時(shí)，由于泄漏的是少量乙二醇，液位值為0，而空氣中的水分會(huì)被其吸收，造成濕度降低，通過(guò)監(jiān)測(cè)室計(jì)算機(jī)會(huì)監(jiān)測(cè)，并提示發(fā)生滲漏并發(fā)出報(bào)警;3）發(fā)生大量泄漏時(shí)，液位值不再為0，當(dāng)液位超過(guò)10 cm時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)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(cè)和濕度檢測(cè)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(cè)量范圍為0～1m供電電壓為12.5～36V，輸出信號(hào)為4～20mA，精度為0.5%，采用螺紋連接。液位傳感器輸出信號(hào)需要通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，如圖2所示，并且需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立液位和輸入電壓的關(guān)系，通過(guò)向容器里加入不同高度的水，并測(cè)量輸出電壓轉(zhuǎn)換后的值，得到如下公式

式中y為測(cè)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(hào)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(cè)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(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(shí)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(jià)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(hào)自帶8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)應(yīng)的端口為P1口，用戶可以通過(guò)軟件設(shè)定A/D接口，不需要時(shí)可以作為一般的I/O口。需要A/D轉(zhuǎn)換時(shí)通過(guò)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(wú)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(shí)的掌握各個(gè)閥門的工作狀況。本文采用的是基于公共無(wú)線移動(dòng)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］?？梢酝ㄟ^(guò)AT指令表設(shè)置設(shè)備參數(shù)，比如通過(guò)AT+CSCA=+8613800280500，就設(shè)置好了短信貓的短信中心號(hào)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(hào)。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(cè)芯片

電壓監(jiān)測(cè)用于檢測(cè)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(cè)芯片，工作電壓為2.7～6 V，芯片有16個(gè)引腳，內(nèi)部有4個(gè)電壓比較器，每個(gè)比較器的正輸入端作為基準(zhǔn)電壓源，可以用于對(duì)同一個(gè)電壓源就行分級(jí)檢測(cè)或者對(duì)4個(gè)不同的電壓源就行檢測(cè)，可以通過(guò)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(shuō)明調(diào)用短信貓程序有問(wèn)題，需要重新調(diào)用和修改，如果為CMTI，說(shuō)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(cè)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(shuō)明讀取短信成功;為ERROR說(shuō)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(shuō)明發(fā)送成功;為ERROR，說(shuō)明發(fā)送失敗，你需要檢查發(fā)送指令，接收號(hào)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(cè)試實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)采用方便測(cè)量的液體高度的開口容器，將液位傳感器放入其中，通過(guò)向容器中加入不同高度的水，測(cè)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(duì)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(cè)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(guò)100 mm，返回值都為FF，此時(shí)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(chǎng)及時(shí)處理。

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

5 結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)測(cè)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(guò)GSM MODEM及時(shí)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(cè)值和對(duì)比值存在一定誤差，但對(duì)于大量泄漏，1～2 mm的誤差并不影響對(duì)持續(xù)泄漏的監(jiān)測(cè)，通過(guò)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(wú)線實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便。

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

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