吳帥龍 孫培德

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要測量類似單容水箱的液位高度。文中設(shè)計了一款簡易液位測控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計包括單片機(jī)最小電路、數(shù)據(jù)采集模塊、光耦隔離與驅(qū)動模塊、按鍵與顯示模塊;軟件設(shè)計包括按鍵掃描設(shè)計、PID控制設(shè)計和系統(tǒng)軟件。測控系統(tǒng)價格低廉、容易操作，為液位測量控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計提供了一定參考。

關(guān)鍵詞：液位;測控系統(tǒng);PID;硬件設(shè)計;軟件設(shè)計;MSP430F5529

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開工業(yè)供水系統(tǒng)，我國的工業(yè)水箱和鍋爐數(shù)量高達(dá)上百萬臺[1]。液位檢測儀廣泛用于石油、化工、工業(yè)生活用水等領(lǐng)域[2]。液位檢測是過程控制領(lǐng)域的重要組成部分[3]，液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分，對節(jié)約資源、安全生產(chǎn)等至關(guān)重要[4]。因此，需以液位為研究對象以及對液位進(jìn)行實時準(zhǔn)確的測量，以保障正常生產(chǎn)[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)基于TI公司單片機(jī)MSP430F5529設(shè)計，包括傳感器檢測模塊、傳感器輸出信號變換模塊、時鐘模塊、顯示模塊、按鍵設(shè)置模塊、直流水泵驅(qū)動模塊、光耦隔離模塊等。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

系統(tǒng)在不同的測試環(huán)境下先進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，在誤差允許范圍內(nèi)，調(diào)試完畢后，即可在特定環(huán)境下正常使用。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)主要采用TI公司設(shè)計生產(chǎn)的MSP430F5529單片機(jī)，該型號單片機(jī)時鐘頻率高、內(nèi)存大，可滿足系統(tǒng)采集模塊對速率和緩沖的要求。單片機(jī)外圍由時鐘模塊、復(fù)位模塊、電源等構(gòu)成。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集選用電容傳感器，將柔性PCB緊密貼在容器外側(cè)。傳感器較窄一端采用FPC接插件，可以直接連接在FDC2214傳感器信號采集模塊的輸入接口端。傳感器輸出信號變換模塊的核心芯片為FDC2214，其它電路器件均屬芯片的外圍電路，包括電感、晶振和電容等。關(guān)鍵器件參數(shù)：晶振為40 MHz，外接電感為18 μH，電容為33 pF。其中，最核心的數(shù)據(jù)變換模塊電路原理如圖2所示。FDC2214芯片的4個測量通道由待測電容、外接電感L和電容C，以及芯片內(nèi)部的振蕩電路、驅(qū)動電路組成，待測電容不同，則振蕩頻率不同，數(shù)據(jù)采集端子如圖2中的P1所示。FDC2214每個通道在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值量化結(jié)果存在對應(yīng)通道的寄存器里。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理中心MSP430F5529LP通過I2C與FDC2214通信，定時讀取FDC2214寄存器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要使用圖2所示的SDA，SCL進(jìn)行I2C通信。

2.3 光耦隔離與驅(qū)動模塊

系統(tǒng)控制信號輸出后，控制開關(guān)電路工作，開關(guān)電路進(jìn)一步控制直流水泵的正常工作。為保障系統(tǒng)安全，考慮如下兩種方案：

（1）采用半橋驅(qū)動芯片，如IR2104與NMOS管配合搭建半橋。

（2）采用光耦芯片，如6N137與N溝道MOS管配合驅(qū)動無刷電機(jī)。

綜合考慮后，選擇光耦芯片與NMOS配合的方案，原因在于光耦芯片6N137抗外界干擾能力強(qiáng)，且該水泵工作電壓不高，工作電流小，功率小，因此采用功耗更低的180N10N芯片。光耦隔離模塊如圖3所示，驅(qū)動模塊如圖4所示。

2.4 按鍵與顯示模塊

按鍵模塊采用典型的4×4矩陣陣列模式。顯示模塊考慮如下2種方式：

（1）LCD1602。1602液晶也被稱為1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。其由若干個5×7或者5×11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間亦有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，但不能很好地顯示圖形和漢字。

（2）LCD12864。帶中文字庫的128X64-0402B每屏可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16×8點陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示。帶中文字庫的128X64-0402B內(nèi)部提供128×2 B的字符顯示RAM緩沖區(qū)（DDRAM）。字符顯示通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現(xiàn)。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫）、HCGROM（ASCII碼字庫）及CGRAM（自定義字形）的內(nèi)容。

考慮到顯示效果和操作便捷性，系統(tǒng)選用LCD12864。屏幕功能的排版設(shè)定：第一行顯示液位的測量高度;第二行顯示當(dāng)前所按下的數(shù)字按鍵;第三行顯示液位的目標(biāo)高度;第四行顯示目前的運行狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件編譯開發(fā)環(huán)境

CCS（Code Composer Studio，CCS）是美國德州儀器公司（Texas Instrument）出品的代碼開發(fā)和調(diào)試套件。TI公司的產(chǎn)品線中有一大塊業(yè)務(wù)是數(shù)字信號處理器（DSP）和微處理器（MCU），CCS便是供用戶開發(fā)和調(diào)試DSP和MCU程序的集成開發(fā)軟件。Code Composer Studio IDE提供強(qiáng)健、成熟的核心功能與簡便易用的配置和圖形可視化工具，使系統(tǒng)設(shè)計更便捷。

3.2 按鍵掃描程序設(shè)計

4×4鍵盤設(shè)計中1～9鍵用以調(diào)節(jié)目標(biāo)水位，控制目標(biāo)水位為按鍵數(shù)字值乘10 mm的水位，即按數(shù)字5，目標(biāo)水位為50 mm?！癆，B”鍵用來控制系統(tǒng)運行和待機(jī)，當(dāng)按下A之后，屏幕顯示當(dāng)前水位與運行狀態(tài)，按下B后，屏幕當(dāng)前水位與運行狀態(tài)關(guān)閉，同時水泵停止注水。“*，#”用以微調(diào)目標(biāo)水位高度，按下“*”鍵后目標(biāo)水位減1 mm，按下“#”鍵后目標(biāo)水位加1 mm?！癈，D”鍵用以調(diào)節(jié)水位計算誤差。每次開啟系統(tǒng)時，因為環(huán)境的改變，記錄在單片機(jī)程序里的計算水位程序可能產(chǎn)生幾毫米的誤差，為了減少誤差，加入了手動調(diào)節(jié)誤差功能。按下“C”鍵計算水位加1 mm，按下“D”鍵計算水位減1 mm。0鍵則是用來維持當(dāng)前水泵的抽水速度，液面穩(wěn)定便于調(diào)節(jié)水位誤差。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在設(shè)計系統(tǒng)軟件的控制程序時，考慮以下兩種方案：

（1）采用PID控制算法來調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比，進(jìn)而控制抽水速度;

（2）采用PID控制算法分段調(diào)節(jié)輸出PWM波的占空比，進(jìn)而控制抽水速度。

經(jīng)驗證，采用第一種方案調(diào)節(jié)速度較慢，而且超調(diào)量大;采用第二種方案能夠較快調(diào)節(jié)液面高度并最終使液面高度在期望值上下較小波動，且超調(diào)量小，故系統(tǒng)軟件設(shè)計采用第二種方案。PID控制算法采用增量式PID控制，因為驅(qū)動對象是水泵的電機(jī)，而對于電機(jī)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要控制量的增量，因此通過該增量來控制電機(jī)抽水的速度。位置式PID一般輸出值能夠直接控制對象，例如閥門等。初始階段，采用基本PID進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)被控液面接近目標(biāo)值時，對積分系數(shù)進(jìn)行大幅度削弱，再進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，不僅能減少因積分作用而引起的超調(diào)量過大影響，同時又能消除穩(wěn)態(tài)誤差。離散PID[7]：

4 結(jié) 語

在實際調(diào)試過程中，PID控制難以調(diào)試。理論上PID的Kp值越大，超調(diào)越大，靜態(tài)誤差減小;Ki值越大，超調(diào)越大，靜態(tài)誤差消除;Kd值越大，超調(diào)減小。系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，軟件容易操作和調(diào)試，系統(tǒng)價格低廉，為工業(yè)生產(chǎn)體系中的液位檢測環(huán)節(jié)提供了簡單易行的測控系統(tǒng)方案。

參 考 文 獻(xiàn)

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