吳帥龍 孫培德

摘 要：工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要測(cè)量類似單容水箱的液位高度。文中設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易液位測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(dòng)模塊、按鍵與顯示模塊;軟件設(shè)計(jì)包括按鍵掃描設(shè)計(jì)、PID控制設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件。測(cè)控系統(tǒng)價(jià)格低廉、容易操作，為液位測(cè)量控制系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)提供了一定參考。

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

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

0 引 言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)工業(yè)供水系統(tǒng)，我國(guó)的工業(yè)水箱和鍋爐數(shù)量高達(dá)上百萬(wàn)臺(tái)[1]。液位檢測(cè)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(cè)是過(guò)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(duì)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(duì)象以及對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量，以保障正常生產(chǎn)[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

系統(tǒng)在不同的測(cè)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(jì)

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(jì)生產(chǎn)的MSP430F5529單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)時(shí)鐘頻率高、內(nèi)存大，可滿足系統(tǒng)采集模塊對(duì)速率和緩沖的要求。單片機(jī)外圍由時(shí)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(hào)采集模塊的輸入接口端。傳感器輸出信號(hào)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(gè)測(cè)量通道由待測(cè)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(dòng)電路組成，待測(cè)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(gè)通道在A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值量化結(jié)果存在對(duì)應(yīng)通道的寄存器里。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理中心MSP430F5529LP通過(guò)I2C與FDC2214通信，定時(shí)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(dòng)模塊

系統(tǒng)控制信號(hào)輸出后，控制開(kāi)關(guān)電路工作，開(kāi)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(dòng)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(dòng)無(wú)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(dòng)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(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。其由若干個(gè)5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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(kù)的128X64-0402B每屏可顯示4行8列共32個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)16×8點(diǎn)陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。帶中文字庫(kù)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(guò)將字符顯示編碼寫(xiě)入該字符顯示RAM實(shí)現(xiàn)。根據(jù)寫(xiě)入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫(kù)）、HCGROM（ASCII碼字庫(kù)）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(cè)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(yùn)行狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境

CCS（Code Composer Studio，CCS）是美國(guó)德州儀器公司（Texas Instrument）出品的代碼開(kāi)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(hào)處理器（DSP）和微處理器（MCU），CCS便是供用戶開(kāi)發(fā)和調(diào)試DSP和MCU程序的集成開(kāi)發(fā)軟件。Code Composer Studio IDE提供強(qiáng)健、成熟的核心功能與簡(jiǎn)便易用的配置和圖形可視化工具，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更便捷。

3.2 按鍵掃描程序設(shè)計(jì)

4×4鍵盤設(shè)計(jì)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(lái)控制系統(tǒng)運(yùn)行和待機(jī)，當(dāng)按下A之后，屏幕顯示當(dāng)前水位與運(yùn)行狀態(tài)，按下B后，屏幕當(dāng)前水位與運(yùn)行狀態(tài)關(guān)閉，同時(shí)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(jì)算誤差。每次開(kāi)啟系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)榄h(huán)境的改變，記錄在單片機(jī)程序里的計(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)誤差功能。按下“C”鍵計(jì)算水位加1 mm，按下“D”鍵計(jì)算水位減1 mm。0鍵則是用來(lái)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(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的控制程序時(shí)，考慮以下兩種方案：

（1）采用PID控制算法來(lái)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(yàn)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(dòng)，且超調(diào)量小，故系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用第二種方案。PID控制算法采用增量式PID控制，因?yàn)轵?qū)動(dòng)對(duì)象是水泵的電機(jī)，而對(duì)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(guò)該增量來(lái)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(duì)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(shí)，對(duì)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(guò)大影響，同時(shí)又能消除穩(wěn)態(tài)誤差。離散PID[7]：

4 結(jié) 語(yǔ)

在實(shí)際調(diào)試過(guò)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(jì)簡(jiǎn)單，軟件容易操作和調(diào)試，系統(tǒng)價(jià)格低廉，為工業(yè)生產(chǎn)體系中的液位檢測(cè)環(huán)節(jié)提供了簡(jiǎn)單易行的測(cè)控系統(tǒng)方案。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測(cè)與控制技術(shù)[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

[2]張一民，韓玉杰，徐宇.一種新型液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009，37（3）：37-38.

[3]陳波，楊晶.一種單片機(jī)控制的液位檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)[J].成功（教育），2012（10）：50.

[4]顏媚，馬鳳翔，李金虎，等.液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（21）：139-142.

[5]張宗強(qiáng).基于Java Applet的液位PID控制仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（9）：28-30.

[6]聶朋，麻永林，邢淑清，等.基于LabVIEW的電磁波峰焊非接觸液位測(cè)量系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016（8）：108-110.

[7]陶東婭.基于NiosⅡ的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

[8]何玉發(fā)，李忠偉.儲(chǔ)油罐液位測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2006，27（11）：66-67.

[9]李春麗.非接觸式外測(cè)液位計(jì)液氯儲(chǔ)槽液位測(cè)量中的案例分析[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014，4（5）：11-12.

[10]余明亮，彭菊紅.PID控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（4）：95-98.