基于無線通信的LNG氣瓶液位監測系統設計

2021-03-04 13:39:28佘世剛胡月娥曹亞運袁崢崢

計算機測量與控制 2021年2期

佘世剛，趙宇，胡月娥，曹亞運，袁崢崢

(常州大學機械工程學院，江蘇常州 213164)

0 引言

液化天然氣因為其無污染而被稱為“清潔能源”(LNG，liquefied natural gas)，LNGV車載燃料汽車利用LNG作為燃料應運而生。現階段對LNG汽車方面的研究較多，隨著LNG燃料汽車的大力發展，LNG氣瓶作為LNGV車載燃料汽車的動力核心部分，對LNG氣瓶進行實時監測就變得十分必要。但現有的LNG氣瓶檢測技術仍然相對滯后，這是阻礙LNG氣瓶推廣使用的最大瓶頸[1]。通過對市場進行調查研究不難發現，目前市面上投入運行的LNG氣瓶監測設備大部分面臨壓力值測量不精確、液位量監測精度低、數據傳輸滯后等缺點[2]。

現有的設備關于監測氣瓶內部壓力通常使用高精度的壓力傳感器進行實時監測，以達到避免氣瓶內部壓力過大，威脅汽車安全運行的目的。但針對氣瓶內部液位測量技術卻遠未達到理想值，調查顯示如今用于監測氣瓶內部液位值的方法普遍采用差壓法。其工作原理是通過測量氣罐內部液柱上下兩端的靜態壓力，而后利用密度公式進行計算，從而得到液柱的容量及液柱高度。通過這種方法測量液位不僅所測精度低，而且隨著LNG氣瓶規格的變化，計算公式也需要做出相應變化，不能做到監測簡化。因此差壓法測量液量存在測量精度較差、工作難度較大等缺點。此外為保證氣瓶安全運行，需操控人員實時掌握氣瓶液位狀態，這故需將所測得的液位數據傳輸到操控室顯示儀表盤上顯示。傳統的數據傳輸通常采用RS485等串口通信方式，而這些通信技術存在接口標準雜亂、連接線路過多等諸多問題[3]。為避免上述存在的問題，本系統提出了一種基于無線通信的LNG氣瓶液位監測系統。該系統基于電容式液位傳感器對液量信息進行數據采集，然后通過STM32中央處理單元進行數據判斷、分析處理，最后將采集到的數據通過無線傳輸技術進行收并發，完成數據傳輸工作。本文采用NRF24L01芯片進行無線通信，從而實現無線通信監測系統的設計[4-5]。

1 LNG氣瓶液位監測系統

1.1 系統總體方案設計

為保證LNG氣瓶運行安全，本文以液位為設計參數，設計基于電容式液位傳感器的液位監測系統，感知層利用電容液位計、ADUM1411芯片，配合STM32單片機[6]控制完成數據采集工作，而后利用NRF24L01芯片完成數據無線傳輸工作，界面顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏實現液量數據顯示。系統設置液位閾值，當電容式液位傳感器監測液位高度超出閾值時，發出警報并通過LCD顯示屏顯示，系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

1.2 電容式液位計測量LNG氣瓶液位的方法

采用筒式電容液位傳感器監測氣瓶的液位參數，其工作原理如下[7]：設筒的內直徑為d，外直徑為D，傳感器的長度為L，液位的高度為H，LNG(液化天然氣)的相對介電常數設為α，液面表層空氣的介電常數即絕對介電常數以β(約為1)來計算，若這些參數在穩定的情況下，則傳感器的電容值即C的大小就僅僅取決于液位的高度。這樣就可以通過測量電容值C的大小來得到液位的高度。具體公式如下：

電容C與傳感器長度L、液面高度的關系為：

(1)

當液位高度H為0時，此時儲液罐處于空瓶狀態。此時的電容C為：

(2)

當液位高度H達到最大值時，儲液罐處于滿瓶狀態，此時的電容C為:

(3)

式中,C為電容值，α為液化天然氣的相對介電常數，β為液面表層空氣的介電常數即絕對介電常數，H為液面的高度，D為罐體的外徑，d為罐體的內徑，L為傳感器長度。

2 液位遠程監控系統的硬件電路設計

2.1 MCU電路設計

本設計使用的是STM32F401微控制器[8-9]，因其功耗低、模式種類多且具有3路USART(速度高達10.5 Mbit/s)、4路SPI(速度高達42 Mbit/s)等優點而被廣泛應用。

STM32F401微控制器及外圍電路原理圖圖2所示，主要包括引腳7的復位電路、引腳5、6、18、19的時鐘電路、引腳20、44的啟動電路、引腳45的警報電路、引腳34、35調試接口、PA2是蜂鳴器接口，STM32F401單片機與ADUM1411芯片、NRF24L01之間均通過SPI方式進行通信[10]，引腳25～28與電氣隔離芯片相連，單獨設置電氣隔離模塊不僅可以減少垃圾數據占用單片機內存，加快其處理速度，同時可減小電路干擾，提高數據傳輸準確性。引腳VIA、VOD為液位信號輸入輸出接口。因本系統采用電容式液位傳感器，其輸出電壓為1～5 V，而ADUM1411芯片信號接入口電壓為0.5～2.7 V，故需在接口處設置下拉電阻，將電壓轉換ADUM1411芯片所需值，隨后將數據傳輸至MCU控制模塊進行判斷處理，若測得的液位值超出所設閾值，則觸發警報功能，且引腳29～32是通信模塊中無線收發上單元連接接口，完成對液位數據無線傳輸工作，送至HMI液晶屏上面顯示。

圖2 MCU主控及外圍電路原理

2.2 電容式液位測量電路設計

LNG氣瓶液位測量電路如圖3所示，為便于驗證監測系統的準確性與一致性，共設置兩個監測點。JP0中1、2管角連接電容式液位傳感器。因傳感器外接電源，為防止2號監測點接入電壓過高，故接入一個BAV10-A9開關管保護電路；同時在電路中的每個引腳上均添加一個保護電阻。管腳9、10、11與外圍電路相連；為提高傳感器與MCU主控模塊之間數據傳輸精度，減小電頻信號干擾，在SPI總線接口處連接ADUM1411數字隔離器來保證數據的準確傳輸。數字隔離器具有4路獨立通道，隔離干擾能力強，適用于本監測系統；ADUM1411的11引腳設為輸出端口，便于電容充放電，10引腳與隔離芯片內部反向模擬比較器相連，常規比較引腳9、10之間的模擬電壓高低，確定反向模擬器輸入電壓[11-12]。

圖3 電容式液位測量電路圖

2.3 無線通信模塊設計

本文設計的無線通信模塊分為無線收發上、下單元，上單元與MCU控制模塊連接，下單元與顯示模塊相連。采用的是NRF24L01芯片[13-14]，其最高工作速率可達2 Mbps，且具有高效的GFSK調制，同時該芯片抗干擾能力強；此芯片具有125個可選的頻道，可滿足多點信和調頻通信的需要；芯片內置CRC檢錯和點對多點的通信地址控制，以此確保數據的可靠傳輸。此芯片通過SPI與外部MCU控制模塊進行通信，模塊VCC引腳使用3.3 V電壓。該芯片除了VCC和GND腳，其它引腳都可以和5 V單片機的I/O口直連，故在使用上具有很大優勢。接口電路如圖4所示。

圖4 無線通信模塊原理圖

2.4 顯示模塊設計

本系統的顯示模塊采用LCD1602液晶顯示屏，LCD1602點陣型液晶模塊[15]可用于顯示字母、數字、符號。LCD1602液晶顯示屏最多可同時顯示32個字符。LCD液晶的顯示原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對顯示區域進行控制。LCD1602液晶顯示屏采用了標準的16腳接口，通過3個控制端接口實現控制要傳輸的指令或者數據。除了幾個電源正負極引腳外，通訊只需用到NRF24L01芯片上空閑的11個I/O口即可；LCD1602內含復位電路，提供清屏、字符閃爍、顯示移位等各種控制命令。因此方便使用和編程，同時可滿足于液位測量系統的顯示。LCD1602與無線收發下單元相連，將NRF24L01芯片的P3接口接入到顯示屏上，可完成將電容式液位傳感器測得的數據顯示到LCD1602顯示屏上。其電路如圖5所示。

圖5 顯示模塊原理圖

2.5 電源模塊設計

電源模塊部分的作用主要是為電路中的各個模塊提供穩定的工作電壓使其能夠正常的工作。在實驗的情況下，系統的電源通常由開關電源或者USB接口提供，為了將電源電壓轉換為單片機以及芯片所需的3.3 V工作電壓。本設計電源模塊電路首先設置由開關管和二極管組成的BUCK電路對交流電供電電壓進行降壓，降至電壓調節器LM5007的工作電壓范圍，LM5007電壓調節器的輸入直流電壓范圍為12～45 V，經過LM5007與外圍電路再將電壓降至5 V輸出。設置電容CA1濾除輸入電源中的高頻擾動，再經電容C34、C38吸收輸入電源中低頻紋波，將5 V電壓經過線性穩壓器TPS70933DBVR及其外圍電路降壓至3.3 V穩壓電源。采用AMS1117系列穩壓器，穩壓器的片上微調可將把基準電壓調整到1.5%的誤差范圍以內而且電流限制也能得到調整，這樣可以盡量減少因穩壓器和電源電路超載所帶來的壓力。本系統所設計的電源模塊通過整流以及濾波再經過7805將電源轉換為5 V電壓，最后經過AMS1117轉換為單片機所需的3.3 V電壓，具體電源電路如圖6所示。

3 系統的主程序設計

一個完整可靠的監測系統應該包含軟件以及硬件部分，只有通過二者的協調工作才能更好的完成監測任務。系統的軟件設計主要包括數據采集、MCU控制模塊以及無線收發通信模塊。

系統主程序以低耦合高內聚為核心進行軟件設計，完成對各個模塊調用工作。整體程序設計如圖7所示，系統上電后對各個模塊硬件接口、寄存器進行配置；并對串口驅動、定時器等程序進行初始化；初始化完成后開始應用程序調用，首先讀取系統停機前LNG氣瓶狀態參數信息；接著開始對LNG氣瓶當前液位狀態進行信息采集，隨后利用算法對電容式液位傳感器采集的液位數據進行計算比較，判斷液位值是否超出閾值，若超出所設閾值，則系統發出警報設置蜂鳴器發聲；在數據采集分析處理完成后將數據進行存儲，而后將數據通過NRF無線傳輸到上位機顯示界面，整個程序完成。

圖7 系統主程序

本系統采用C語言編程，程序部分主要介紹無線發送部分以及無線接收部分，具體程序如下所示：

無線發送部分：

#include "system.h"

#include "SysTick.h"

#include "adc.h"

#include "nrf24l01.h"

void sendok(void);

/***********************

* 函數名 : main

* 函數功能 : 主函數

* 輸入 : 無

* 輸出 : 無

***********************

int main()

{

u8 str[4];

u16 value=0;

u8 m_water;

SysTick_Init(168);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //中斷優先級分組分兩組

ADCx_Init();

NRF24L01_Init();

NRF24L01_TX_Mode();//設置NRF24L01為發送模式

while(1)

{

value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_5,20);//獲得電壓 m_water=(u8)(value*100.0/4096);

str[0]=m_water/100+0x30;

str[1]=m_water%100/10+0x30;

str[2]=m_water%10+0x30;

str[3]='