簡易液位測控系統設計

吳帥龍 孫培德

摘 要：工業生產中，經常需要測量類似單容水箱的液位高度。文中設計了一款簡易液位測控系統。系統硬件設計包括單片機最小電路、數據采集模塊、光耦隔離與驅動模塊、按鍵與顯示模塊;軟件設計包括按鍵掃描設計、PID控制設計和系統軟件。測控系統價格低廉、容易操作，為液位測量控制系統的研究、設計提供了一定參考。

關鍵詞：液位;測控系統;PID;硬件設計;軟件設計;MSP430F5529

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

0 引 言

國民經濟的發展離不開工業供水系統，我國的工業水箱和鍋爐數量高達上百萬臺[1]。液位檢測儀廣泛用于石油、化工、工業生活用水等領域[2]。液位檢測是過程控制領域的重要組成部分[3]，液位控制是工業生產中不可或缺的一部分，對節約資源、安全生產等至關重要[4]。因此，需以液位為研究對象以及對液位進行實時準確的測量，以保障正常生產[5-6]。

1 系統設計

系統基于TI公司單片機MSP430F5529設計，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、按鍵設置模塊、直流水泵驅動模塊、光耦隔離模塊等。系統設計框圖如圖1所示。

系統在不同的測試環境下先進行參數調試，在誤差允許范圍內，調試完畢后，即可在特定環境下正常使用。

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統電路

單片機主要采用TI公司設計生產的MSP430F5529單片機，該型號單片機時鐘頻率高、內存大，可滿足系統采集模塊對速率和緩沖的要求。單片機外圍由時鐘模塊、復位模塊、電源等構成。

2.2 數據采集模塊

數據采集選用電容傳感器，將柔性PCB緊密貼在容器外側。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。關鍵器件參數：晶振為40 MHz，外接電感為18 μH，電容為33 pF。其中，最核心的數據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，以及芯片內部的振蕩電路、驅動電路組成，待測電容不同，則振蕩頻率不同，數據采集端子如圖2中的P1所示。FDC2214每個通道在A/D轉換后的數值量化結果存在對應通道的寄存器里。上位機數據處理中心MSP430F5529LP通過I2C與FDC2214通信，定時讀取FDC2214寄存器數據，系統主要使用圖2所示的SDA，SCL進行I2C通信。

2.3 光耦隔離與驅動模塊

系統控制信號輸出后，控制開關電路工作，開關電路進一步控制直流水泵的正常工作。為保障系統安全，考慮如下兩種方案：

（1）采用半橋驅動芯片，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管配合驅動無刷電機。

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，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內部提供128×2 B的字符顯示RAM緩沖區（DDRAM）。字符顯示通過將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實現。根據寫入內容的不同，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）的內容。

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

3 軟件設計

3.1 軟件編譯開發環境

CCS（Code Composer Studio，CCS）是美國德州儀器公司（Texas Instrument）出品的代碼開發和調試套件。TI公司的產品線中有一大塊業務是數字信號處理器（DSP）和微處理器（MCU），CCS便是供用戶開發和調試DSP和MCU程序的集成開發軟件。Code Composer Studio IDE提供強健、成熟的核心功能與簡便易用的配置和圖形可視化工具，使系統設計更便捷。

3.2 按鍵掃描程序設計

4×4鍵盤設計中1～9鍵用以調節目標水位，控制目標水位為按鍵數字值乘10 mm的水位，即按數字5，目標水位為50 mm。“A，B”鍵用來控制系統運行和待機，當按下A之后，屏幕顯示當前水位與運行狀態，按下B后，屏幕當前水位與運行狀態關閉，同時水泵停止注水。“*，#”用以微調目標水位高度，按下“*”鍵后目標水位減1 mm，按下“#”鍵后目標水位加1 mm。“C，D”鍵用以調節水位計算誤差。每次開啟系統時，因為環境的改變，記錄在單片機程序里的計算水位程序可能產生幾毫米的誤差，為了減少誤差，加入了手動調節誤差功能。按下“C”鍵計算水位加1 mm，按下“D”鍵計算水位減1 mm。0鍵則是用來維持當前水泵的抽水速度，液面穩定便于調節水位誤差。

3.3 系統軟件設計

在設計系統軟件的控制程序時，考慮以下兩種方案：

（1）采用PID控制算法來調節輸出PWM波的占空比，進而控制抽水速度;

（2）采用PID控制算法分段調節輸出PWM波的占空比，進而控制抽水速度。

經驗證，采用第一種方案調節速度較慢，而且超調量大;采用第二種方案能夠較快調節液面高度并最終使液面高度在期望值上下較小波動，且超調量小，故系統軟件設計采用第二種方案。PID控制算法采用增量式PID控制，因為驅動對象是水泵的電機，而對于電機控制，執行機構需要控制量的增量，因此通過該增量來控制電機抽水的速度。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進行調節，當被控液面接近目標值時，對積分系數進行大幅度削弱，再進行PID調節，不僅能減少因積分作用而引起的超調量過大影響，同時又能消除穩態誤差。離散PID[7]：

4 結 語

在實際調試過程中，PID控制難以調試。理論上PID的Kp值越大，超調越大，靜態誤差減小;Ki值越大，超調越大，靜態誤差消除;Kd值越大，超調減小。系統硬件設計簡單，軟件容易操作和調試，系統價格低廉，為工業生產體系中的液位檢測環節提供了簡單易行的測控系統方案。

參 考 文 獻

[1]王文琦.工業鍋爐的檢測與控制技術[M].成都：四川科學技術出版社，1996.

[2]張一民，韓玉杰，徐宇.一種新型液位檢測系統的設計[J].林業機械與木工設備，2009，37（3）：37-38.

[3]陳波，楊晶.一種單片機控制的液位檢測模塊的設計[J].成功（教育），2012（10）：50.

[4]顏媚，馬鳳翔，李金虎，等.液位控制系統的設計與實現[J].現代電子技術，2012，35（21）：139-142.

[5]張宗強.基于Java Applet的液位PID控制仿真[J].工業控制計算機，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量系統[J].傳感器與微系統，2016（8）：108-110.

[7]陶東婭.基于NiosⅡ的直流電機PWM調速系統設計[D].杭州：浙江工業大學，2009.

[8]何玉發，李忠偉.儲油罐液位測控系統設計[J].自動化儀表，2006，27（11）：66-67.

[9]李春麗.非接觸式外測液位計液氯儲槽液位測量中的案例分析[J].物聯網技術，2014，4（5）：11-12.

[10]余明亮，彭菊紅.PID控制參數對系統性能的影響研究[J].物聯網技術，2018，8（4）：95-98.