基于單片機的液面監控儀設計

李紅春

（中石化江蘇油建工程有限公司電力通訊公司，揚州225261）

1 引言

隨著傳感器技術、計算機技術、通信技術以及檢測技術等的快速發展，在液面位置自動檢測領域，各種形式的自動化系統被廣泛應用[1-2]。在傳感器技術、自動化技術、計算機技術、遙感技術等的推動下，液面位置自動檢技術發展迅速，獲得許多成果[3-4]。目前液面位置自動檢測系統大多數通過計算機進行監控，而此時必須配備固定的人員進行監控[5]。大部分液面位置自動檢測設備價格昂貴，對于一般工廠來說檢測成本較高，安裝后的維護成本也較高，進一步加重了工廠的負擔。另外，有些設備的結構復雜，穩定性較差，僅安裝就需要大量的人力物力。綜上，如何讓液面位置自動檢測技術更加集成化、智能化、數字化，是一個亟待解決的問題。基于此設計了一種新型的基于單片機的高精度液面自動監控裝置。

2 硬件設計

2.1 工作原理及硬件電路的選擇

在此監控裝置中，處理器采用單片機控制形式，液面信號經過轉換后傳送給單片機，單片機發出指令，經過轉換后再發送給電機，其流程如圖1所示。

圖1 監控儀主體結構圖

該設備包括欠壓檢測電路和斷相檢測電路。當待檢測容器內無液體時，單片機控制電機停止工作；當欠壓檢測電路或斷相檢測電路檢測到電源電壓欠壓或斷開時，單片機控制電機停止工作。考慮到當待檢測容器內液面的位置超過或低于警戒線，或發生電機使用故障時，所在系統需動用報警功能，該監控設備還設置有報警器。同時，如果系統發生故障，將會失去檢測液面位置的功能，從而喪失控制液面位置的作用，這可能會造成較大的生產安全事故，所以該監控設備系統設置為：液面位置超過或低于警戒線時，高、低位置的警戒線處的電極直接向報警器發送報警信號，報警器獲得該報警信號后立即做出反應，實現報警功能。

用到的主要傳感器和芯片有單片機、液面水位傳感器、A/D轉換器以外，還用到了許多其他的元器件，見表1。

表1 系統中用到的傳感器和主要芯片

系統選用了Atmel公司生產的AT89S8253單片機[6]。AT89S8253是一款功耗較低、性能較高的CMOS單片機，它采用了高密度生產加工形式，其上的存儲器可進行在線編程，也可用作常規編輯器。該型單片機也可為眾多嵌入式控制應用場合提供高性能的解決方案[7]。

IMP812是在低功耗微處理器 (μP)、微控制器(μC)和數字系統中用來監視3.0V、3.3V和5.0V電源工作的低功耗監控電路，各自都具有去抖動的手動復位輸入。

圖2 鍵盤與顯示電路

2.2 人機接口電路與通信接口設計

(1)鍵盤設計

在該設計中，需要使儀器能夠對液面進行實時顯示，并可很方便地設計液面的上、下極限位置，這要求鍵盤中有用于參數設計的鍵位，分別由數字和字母組成。采用的方案為總共4行、每行4個的矩陣鍵盤和四位LED顯示。行信號的輸出和顯示器的位選信號輸出由P2口的低四位完成，列信號的讀入口由P2口的高位來完成。接線情況如圖2所示。

從圖中可見，所采用的矩陣式鍵盤與P2連接，在沒有鍵按下時，行線與和列線不相連，且行線的輸入電平為高。當有鍵按下時，行線和列線短路，可在列線加一個掃描信號來確定按鍵位置。

(2)聲光報警

設計的儀器需要在液面出現異常時做出報警反應。為了盡可能做到引人注意，選擇聲光報警方式。通過此種方式，報警不但可以看到，還伴有聲響。在電路中，利用兩個端口驅動聲光報警器，輸出報警信號。

聲音報警電路的電路圖如圖3(a)所示,光報警電路則如圖3(b)所示。

圖3 聲光報警電路

可見，在聲音報警電路中，或門的一個腳與單片機AT89S8253的P1.0端相連，受P1.0腳輸出的脈沖信號控制。

(3)通信接口

液面監控儀要求可以與上位機進行通信。實時通信功能采用AT89S8253單片機實現。由于單片機輸出TTL電平，需對電平進行轉換，使其與上位機達成一致。單片機接收到信號后，對數據進行采集與處理，由上位機發送命令給單片機，單片機將采集到的數據輸送給上位機。接口電路如圖4。

圖4 RSM485與AT89S8253接口電路

3 軟件設計

軟件設計采取模塊化思想，其優點是:易于實現，便于設計、調試與共享。系統在使用前，應進行初始化操作。初始化之前先進行開機自檢，如無異常，則正常進行初始化。自檢通常要在軟、硬件兩個層面進行。軟件初始化為對堆棧及中斷的安排及對變量存儲單元的初始化等；硬件初始化是使各個硬件明確初始狀態等。

(1)數據采集與處理程序

液面水位傳感器采集到數據以后，將其轉換成數字信號，由單片機進行數字濾波，過濾后的信號被輸送給CPU,CPU再根據信號的輸入情況進行顯示或報警[8]。串行A/D具有體積小、硬件簡單、占線少等優點，因此具有很大的優勢。

系統的數據采集程序如下：

(2)鍵盤與顯示程序

鍵盤可使用的鍵有16個（4×4結構），對各鍵進行定義，數字鍵為0～9，字母A為確定鍵，B為上限設置鍵，C為下限設置鍵，D為移位鍵，E為取消鍵，F為返回鍵。在設計鍵盤程序時，通常先通過一定的方式確定每個鍵的特征字。特征字與已按鍵的對應關系是唯一的，因此根據特征字可以識別鍵盤上所有的鍵。如果計算機先發送行信號，再讀列信號，并經過拼裝、求反，便可以得到各鍵的特征字，如表2。

表2 鍵盤字符與特征字對照表

在設計顯示程序時，通常在片內RAM開辟一組顯示緩沖區，專用于存放待顯示的數據。本實驗中，顯示緩沖區選用50～53H四個單元，依次存放數據的高位到低位。

顯示子程序如下：

(3)通信程序

單片機采用中斷工作方式的遠程通信，選用11.059MHz的晶振與上位機進行通信，保證波特率與上位機一致，避免生發收發錯誤[9]。

4 結束語

本設計中的液面監控系統，可實現液面位置實時工況顯示、越限報警與控制、遠程通信等功能。系統還設有控制鍵，用于手動開機與停機。應用單片機對液面位置進行控制之后，較好地解決了高性能與低成本之間的矛盾。系統構型簡單、操作方便，且自動化程度較高，系統的軟件硬件維護也較為方便，對降低勞動強度有很大作用。

[1]楊鴻儒,李宏光.太赫茲波通信技術研究進展[J].應用光學,2018(1):12-21.YANG Hongru,LI Hongguang.Research progress interahertz wave communication technology[J].Journal of Applied Optics,2018(1):12-21.

[2]陳建行,趙盼,王卉,等.某遙測站遙測數據處理顯示系統設計與實現[J].微處理機,2017,38(3):83-87.CHEN Jianxing,ZHAO Pan,WANG Hui,et al.Design and application of disposal and displaying system for telemetry data from the telemetry station[J].Microprocessors,2017,38(3):83-87.

[3]吳云飛,劉堂友.一種鋼水液面精確定位算法的研究[J].微型機與應用,2015,34(23):1-3.WU Yunfei,LIU Tangyou.Research on an accurate positioning algorithm for molten steel level[J].Microcomputer&Its Applications,2015,34(23):1-3.

[4]林全.智能傳感器市場投資分析報告[J].機器人技術與應用,2017(6):12-22.LIN Quan.Smart sensor market investment analysis report[J].Robot Technique and Application,2017(6):12-22.

[5]劉升光,王艷輝,牟宗信,等.拉脫法測液體表面張力系數中的動態演化過程[J].物理實驗,2017,37(5):12-15.LIU Shengguang,WANG Yanhui,MU Zongxin,et al.Dynamic evolution of liquid surface tension coefficient measured by pull-off method[J].Physics Experimentation,2017,37(5):12-15.

[6]ZHANG J,ELIA P.Wireless coded caching:A topological perspective[C]//IEEE International Symposium on Information Theory.IEEE,2017:401-405.

[7]SAM K.Ethnicity and phonetic variation in Sheffield English liquids[J].Journal of the International Phonetic Association,2016,47(1):17-35.

[8]馬媛.高可靠性水位傳感器的設計與實現[D].西安:西安科技大學,2016.MA Yuan.Design and implementation of high reliability water level sensor[D].Xi'an:Xi'an University of Science and Technology,2016.

[9]王琦.電力信息物理融合系統的負荷緊急控制理論與方法[D].南京:東南大學,2017.WANG Qi.Theory and method of load emergency control for power cyber-physical systems system[D].Nanjing:Southeast University,2017.