王延年，李雄飛

（西安工程大學電子信息學院，陜西西安 710048）

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的工業(yè)生產(chǎn)領域需要對液位進行實時監(jiān)測以及對安全運行數(shù)據(jù)進行實時反饋，如常見的鍋爐液位、油罐液位、化工原料液位等，這對正常安全生產(chǎn)起著至關重要的作用[1]。由于被檢測液體本身可能具有腐蝕性、毒性和刺激性，不能依靠人為去獲取液位數(shù)據(jù)。在現(xiàn)代化工控領域中不僅要求可以實現(xiàn)液位實時監(jiān)測和報警，甚至更多時候需要系統(tǒng)進行自我液位調(diào)節(jié)，使得整個系統(tǒng)始終保持在安全生產(chǎn)液位[2]。這對系統(tǒng)控制的設計提出了更高的要求，設計出符合企業(yè)生產(chǎn)的全自動液位監(jiān)控系統(tǒng)既可以提高企業(yè)生產(chǎn)效率又可以降低生產(chǎn)成本[3]。集成化網(wǎng)絡和通信技術的迅速發(fā)展，為液位監(jiān)控技術提供了良好的軟件編程和硬件設計平臺[4]。新的液位監(jiān)控系統(tǒng)趨于便捷化、自動化和智能化，有利于提高測量的準確度和安全性[5]。

文中設計了一種差壓式液位數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，采用AT89S52 單片機作為系統(tǒng)的主控芯片，使用差壓傳感器進行液位信號的采集，將采集信號進行相應的數(shù)制轉換，通過單片機與上位機進行數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)顯示與控制的功能。利用MCGS 軟件制作相應的監(jiān)控畫面，實現(xiàn)對液位的變化進行預報警，提高液位監(jiān)控的實時性[6]。整個設計中需要完成三大塊：液位監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路設計、液位監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計、調(diào)試仿真。

1 系統(tǒng)方案設計

考慮到實際設計需求與成本，由于PLC 的價格昂貴且體系結構封閉，各PLC 廠家硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)也各異[7]，當用戶選擇了一種PLC 產(chǎn)品后，必須選擇與其相應的控制規(guī)程，并且學習特定的編程語言[8]。而單片機的體積較小、集成度較高、編程比較方便、功耗和價格都很低、操作簡單、通用性好，在工業(yè)生產(chǎn)中應用比較廣泛[9]。因此該文選取單片機來實現(xiàn)液位監(jiān)控系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)包含電源、晶振、復位、鍵盤、顯示、液位信號采集、模數(shù)轉換、報警、電機控制等模塊，以及相應模塊的軟件系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)核心采用單片機，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 基于單片機的液位監(jiān)控系統(tǒng)框圖

該設計選取AT89S52 單片機為控制核心，選取ZPM430 傳感器進行數(shù)據(jù)采集。AT89S52 單片機的功能非常多，存儲容量很大，定時器可以實現(xiàn)多種功能，內(nèi)置8kROM，足以容納通用程序，價格低，編程比較方便，ISP 比較簡單可靠而且可下載，閃存ROM下載次數(shù)多，高達10 000 次以上，可靠性高[10]。ZPM430 傳感器精度高、穩(wěn)定性好，而且它有很多種壓力接口和電氣接線形式供選擇，廣泛應用于電力、石油、化工、水文等領域的各種氣體和液位的差壓測量[11]。

2 系統(tǒng)電路設計

2.1 顯示電路設計

該系統(tǒng)需要顯示當前液位值以及預報警值，所以在該設計中選用了LCD1602 顯示模塊，該模塊可以將顯示屏和驅(qū)動集成電路作為一個整體來使用[12]。字符型LCD1602 的驅(qū)動器一般是HD44780，其一般有16 條外部接口信號。其中有8 條數(shù)據(jù)總線，3 條控制線分別為RS、R/W 和E。RS 是輸入端，其功能是選擇寄存器，當RS 為高電平時，選擇數(shù)據(jù)寄存器；為低電平時，選擇指令寄存器。R/W 為讀寫選擇端，當R/W 為高電平時，選擇讀操作；為低電平時，選擇寫操作。E 是使能信號端。

LCD1602顯示模塊與單片機直接相連，LCD1602的八位數(shù)據(jù)線D0～D7 與單片機的P0.0～P0.7 口對應連接，另外，因為單片機的P0 口內(nèi)部不帶上拉電阻，所以需要外接上拉電阻來增強輸出能力?？刂凭€RS 與單片機的P1.0 口相連，當輸入高電平時，為數(shù)據(jù)信號；當輸入低電平時，為命令信號。R/W 與單片機的P1.1 口相連，當輸入高電平時，為讀數(shù)據(jù)信號；當輸入低電平時，為寫數(shù)據(jù)信號。使能信號E 與單片機的P1.2口相連，管腳GND 接地，管腳VCC 接+5 V電源，管腳VEE 外接一個電位器，用來調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對比度。

2.2 報警電路設計

該系統(tǒng)是一個液位監(jiān)控系統(tǒng)，必須在液位超出或低于正常使用范圍時及時提醒工作人員，這就必須要用到報警電路。該設計采用雙重報警的方式來有效清晰地提醒工作人員，該報警電路包括音頻報警電路和信號燈報警電路。

2.2.1 音頻報警電路

音頻報警電路由蜂鳴器發(fā)聲報警，當液位處于非正常范圍時發(fā)出警報聲，便于工作人員及時查明并排除故障。電路中蜂鳴器的正極接到三極管8550的集電極C 端，三極管的發(fā)射極E 接到電源VCC 上，三極管的基極B 通過一個限流電阻R6后由單片機的管腳P2.2 控制，即接到接線口P2.2 上。當引腳P2.2為高電平時，三極管無法導通，故沒有電流流過線圈，這時蜂鳴器不發(fā)聲；當引腳P2.2 為低電平時，三極管導通，有電流流過蜂鳴器，構成了閉合的回路，蜂鳴器可以發(fā)聲。所以，只要編好程序來控制單片機P2.2 端口的電平高低，就可實現(xiàn)報警功能。蜂鳴器報警電路如圖2 所示。

圖2 蜂鳴器報警電路

2.2.2 信號燈報警電路

蜂鳴器報警只能讓工作人員知道液位此時不在正常范圍內(nèi)，但是并不能讓工作人員知道液位究竟是高了還是低了。而信號燈報警就可以彌補這個缺失，其與蜂鳴器配合使用達到完美報警。當液位低于下限報警值時，單片機的引腳P2.3 為低電平，發(fā)光二極管D2 導通，低位報警信號燈點亮，為高電平時，信號燈滅。當液位高于上限報警值時，引腳P2.4 為低電平，發(fā)光二極管D3 導通，高位報警信號燈點亮，為高電平時，信號燈滅。R3和R4是兩個限流電阻，保護發(fā)光二極管不被燒壞。信號燈報警電路如圖3 所示。

圖3 信號燈報警電路

2.3 控制電路的設計

控制電路主要控制的是供水電機的啟停，當液位低于報警下限值時，供水電機啟動，開始補水；當液位高于上限報警值時，電機停止補水。其工作原理：當三極管的基極與單片機的P2.0 端口連接并處于低電平時，三極管導通，此時RL1 繼電器的線圈得電，常開開關吸合，電機接入電源，開始補水。當三極管的基極與單片機的P2.0 端口連接并處于高電平時，三極管截止，此時RL1 繼電器的線圈失電，常開開關彈開，電機與電源斷開，停止補水。由于系統(tǒng)的I/O 端口的輸出太弱，因此使用三極管來控制繼電器的連接?？刂齐娐啡鐖D4 所示。

圖4 控制電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

主程序是控制單片機進行工作的程序，是整個程序設計中最關鍵的[13]。主程序是固化到單片機中的，其工作過程首先是負責將單片機進行端口初始化，然后跳轉到差壓式液位傳感器的采集子程序上并執(zhí)行該程序，將采集到的模擬量信號傳送到模數(shù)轉換器進行數(shù)據(jù)轉換，以便單片機處理，然后執(zhí)行數(shù)碼顯示子程序，使系統(tǒng)的LCD 顯示屏進入工作狀態(tài)。主程序流程如圖5 所示。

圖5 主程序流程

3.2 報警控制子程序

報警控制子程序的工作原理如下：由主程序調(diào)用報警控制子程序，首先判斷檢測到的液位值是否低于下限值，如果低于下限值，則執(zhí)行電機啟動程序，下限報警指示燈亮，在檢測值恢復到限值范圍內(nèi)后，下限報警指示燈滅并返回；然后判斷檢測到的液位值是否高于上限值，如果高于上限值，則執(zhí)行電機停止程序，上限報警指示燈亮，同時蜂鳴器啟動報警，檢測值恢復到設置范圍后，上限報警指示燈滅，蜂鳴器停止報警并返回，然后延時等待，直到下次調(diào)用該子程序。報警控制子程序的流程如圖6 所示。

圖6 報警控制子程序流程

4 仿真調(diào)試

該系統(tǒng)設計使用Keil5 程序軟件以及Proteus 模擬軟件。Keil5 軟件使用C 語言開發(fā)系統(tǒng)，兼具架構優(yōu)勢、能力優(yōu)勢、讀取優(yōu)勢、可編譯源程序，連接和定位目標文件庫，創(chuàng)建HEX 文件，調(diào)試目標程序[14]。Proteus 軟件可以實現(xiàn)原理圖繪制、代碼調(diào)試、單片機與外圍電路仿真，還能一鍵切換到PCB 的設計[15]。

4.1 系統(tǒng)電路仿真

將所有元器件連接好后，在調(diào)試下拉菜單欄中點擊開始仿真。顯示屏上顯示默認設定值：當前液位為5 m，上限報警值SH為7 m，下限報警值為3 m，電源指示燈D1 亮。將電位器的值調(diào)大，顯示屏上的當前液位隨之變大，將其調(diào)小，當前液位隨之減小。當液位高于7 m 時，蜂鳴器報警，同時D4 指示燈亮，水泵停止供水。當液位低于3 m 時，D3 指示燈亮，同時水泵開始補水。按下S1 鍵，報警燈閃爍，處于編輯狀態(tài)，按一次S2 鍵，報警值加1，按一次S3 鍵，報警值減1，S1 可以選擇設置H 和L。

4.2 實時監(jiān)控畫面仿真

該設計使用MCGS 模擬運行軟件[16]，制作了液位監(jiān)控畫面來模擬實時報警畫面運行結果，報警畫面主要由實時曲線、歷史曲線和計劃曲線組成，其模擬運行結果如圖7 所示。實時曲線是對當前液位情況作出報警的，歷史曲線可以用來查看之前的報警情況，計劃曲線是用來設定預期的報警值的。

圖7 報警畫面顯示

5 結束語

該文以工業(yè)控制生產(chǎn)為背景，設計了基于單片機的差壓式液位監(jiān)控系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件編程設計，進一步完成了系統(tǒng)配套監(jiān)控畫面的制作，實現(xiàn)了液位的實時監(jiān)測、調(diào)整、報警以及數(shù)據(jù)報表上傳，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)要求，提高了安全生產(chǎn)效率的同時節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本。