多適應性遠程無人液位控制系統設計

宋長軍

（渭南職業技術學院 陜西 渭南 714000）

多適應性遠程無人液位控制系統設計

宋長軍

（渭南職業技術學院 陜西 渭南 714000）

針對高寒、偏遠、有毒、放射性、易燃易爆等條件下，依靠人工難以完成液位控制的問題，提出了多適應性遠程無人液位控制系統設計。系統由上位機、下位機構成。下位機由STC89C52主控芯片、超聲波液位監測和ULN2429A液面測量單元，液位自動控制模塊、GPRS通訊模塊等構成。液位測量模塊對液位不斷進行監測，同時將液位信息通過GPRS模塊實時傳送回上位機。當液位低于工作下限時，主控芯片控制液體自動控制模塊回注液體。系統能夠對導電和非導電多種性質的液體實現遠程無人控制，具有一定的實用價值。

STC89C52；GPRS；SIM300；無人監測；液位控制

在石油化工、水利水電、農田灌溉、環境監測以及食品加工等眾多行業中，實時準確監測液位是生產生活正常進行的必須條件。目前較為常用的液位測量儀主要有浮力式液位計、差壓式液位計、磁性翻板液位計、超聲波液位計等[1-3]。由人工在現場完成液位測量。但面對一些特殊場合，特別是在高寒、偏遠、有毒、放射性、易燃易爆等條件下，由人工監測液位難以完成。針對這一問題，研究設計可適應導電、非導電多種性質的液體（如油和水），同時能夠實現液體自動加注的遠程無人液位控制系統具有重要意義。

1 系統整體設計

本系統主要由上位機、下位機構成。上位機主要是接收下位機上報的液位信息，并提供友好的可視化操作界面。下位機主要由STC89C52主控芯片[4-5]、液位監測及自動控制模塊、GPRS通訊模塊等構成。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統工作流程

2.1 下位機

上電自檢完成后，液位監測模塊開始工。溫度檢測模塊檢測出現場環境溫度，把采集的溫度數據傳送給主控芯片，而后主控芯片控制溫度補償程序對超聲波的傳播速度進行調整，以提高檢測精度。超聲波測量單元持續工作，并不斷將液位信息通過GPRS模塊實時傳送回上位機。植入式液位測量單元工作，如果液位低于工作下限，則通過GPRS模塊發送報警信息至上位機，同時向主控芯片發出信號，由主控芯片控制液體自動控制模塊注入液體。主控芯片隨時通過GPRS模塊接收上位機控制信號，并執行相應操作。

2.2 上位機

上位機接收下位機傳回的實時液位信息。根據液位下降速度估算剩余工作時間，為管理員提供加注液體預警信息。當接收到液位過低報警時，發出報警信號，同時通過GPRS單元發出加注液體信號，控制下位機液體自動控制單元工作，實現液體加注。

3 系統硬件設計

3.1 液位監測模塊

系統中采用2種技術實現對液位的監測，分別是超聲波液位測量單元和ULN2429A液面測量單元。

超聲波液位測量技術不需要在流體測量中插入其他測量元件，適合多種液體測量，特別是高黏度、強腐蝕，非導電性的液體液位測量[6-8]。在系統中設計超聲波液位測量單元可大大提高對多種液體的適應性。超聲波液位測量單元主要用于精確測量液位，特別是與上位機軟件結合使用，可以液位下降趨勢預測功能。超聲波發射單元連接直P1.0引腳。超聲波接收單元選用CX20106A芯片[9-10]，連接至P2.7引腳。鑒于超聲波傳播速度易受溫度影響，因此需要設計溫度補償電路，在此選用DS18B20數字溫度傳感器測定現場實時溫度[11]，而后由主控芯片結合超聲波傳播速度與溫度之間的比對關系實時調整聲速。其電路連接至P0.1引腳。超聲波液位測量單元電路原理如圖2所示。

圖2 超聲波液位測量電路原理圖

ULN2429A是一種單片式液面監測專用集成電路，既可檢測導電液體和弱導電液體的液面，又可檢測非導電液體的液面。它具有外圍元件少、可靠性高、調整簡單、使用方便等特點。ULN2429A植入式液位測量單元可實現極低液位報警，及驅動加注泵加注液體功能。ULN2429A集成電路有14個引腳，其中9為液位檢測輸入端，1和14為輸出端。在測量液面時，將A、B兩個探測電極置于液體下，如果是非導電液體時，通過檢測液體的相對介電常數的變化引進探測電極A、B間電容量的變化來確定液位；如是導電液體時，則根據A、B間的電阻值變化來確定。液體浸沒電極A、B時，遇P1.3引腳輸出低電平，反之P1.3引腳輸出高電平。其構成電路原理如圖3所示。

3.2 液位自動控制模塊

在設有備用液體貯存罐的場合，當檢測到液位達到工作下限時，液位自動控制模塊在主控芯片自主驅動，或是由上位機發出信號，通過GPRS通信模塊接收加注指令后驅動加注泵工作，從而實現液位自動功能。三極管Q1與STC89C52單片機P0.7引腳連接，接到加注指令后，P0.7引腳輸出低電，三極管Q1導通，繼電器通電吸合，抽水電動機開始工作，完成加注液體工作。其構成電路原理如圖4所示。

3.3 GPRS通訊模塊

在系統中，GPRS通訊模塊一方面完成液位信息實時傳遞，另一方面接收上位機的指令。GPRS模塊選用SIM300[12-15]。該芯片具有體積小、即插即用、完善的三頻/四頻，主要為語音傳輸、短消息和數據業務提供無線接口。它集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，能夠實現語音、SMS、數據和傳真信息的高速傳輸。SIM300芯片連接如圖5所示。

圖3 ULN2429A液位測量電路原理圖

圖4 液位自動控制模塊電路原理圖

4 系統軟件設計

4.1 超聲波測距算法

超聲波發射單元在某一時刻發出一個超聲波信號，當超聲波信號遇到被測物體后被反射回來，此時將為超聲波接收器所接收。顯然知道了超聲波從發射到反射后被接收的時間即可算出超聲波發射器與反射物之間的距離。其計算公式為：

圖5 SIM300芯片連接示意圖

其中：d為距離；S為探測頭距離液面的距離；c為超聲波的傳播速度；t為聲波來回所用時間。

4.2 液體消耗預測

設計液位預測功能，主要目的在于告知管理人員現場液體消耗情況，以便能夠提前做好應對，避免發生意外。實現液位預測只需要掌握現場容器的形狀及體積，而后根據實時回傳的液位數據，即可實現液體消耗預測。

5 結束語

基于STC89C52和GPRS的遠程無人液位控制系統，采用技術成熟，元件便宜，設計冗余度高，系統部署方便，具有較強的適應性。與傳統液位測量手段相比，基于AT89C51和GPRS的遠程無人液位控制系統具有以下優點：一是測量方式遠程化，通過GPRS通訊技術實現了液位信息的遠程測量，減少了對人力資源的耗費；二是測量手段多樣化，運用超聲波測量技術和植入式測量技術，可適應多種性質的液位測量任務和各種惡劣的工作環境；三是測量信息實時化，隨時掌握待測液體信息；四是液位控制精確化，可以在液位低于工作位置后，立即驅動加注泵

進行液體補入，防止生產事故發生。

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The design of remote level of liquid controlled system with multi-adaptive and unmanned

SONG Chang-jun
（Weinan Vocational&Technical College，Weinan 714000，China）

Aiming at the problems of artificial controlled liquid level in the cold，remote，toxic，radioactive，inflammable and explosive conditions，the design of multi-adaptive remote unmanned liquid level control system is proposed.The system is composed of upper and lower machine.The lower machine is composed of STC89C52 MCU，liquid level measurement unit with ultrasonic and liquid level measurement unit with ULN2429A，liquid level automatic control module，GPRS communication module and so on.The liquid level measurement module is used to monitor the liquid level and the liquid level information is transmitted back to the upper machine through the GPRS module.When the level is below the limit，the main control chip to control the liquid injection liquid automatic control module.The system can realize the remote control of the electric and non electric liquids，which has a certain practical value.

STC89C52；GPRS；SIM300；unmanned monitoring；liquid level control

TN912.2

：A

：1674－6236（2017）01-0119-04

2015-12-21稿件編號：201512220

宋長軍（1976—），男，陜西蒲城人，碩士，副教授。研究方向：計算機網絡監控、圖像檢索等。