基于MSP430電感式傳感技術的水位控制器設計

劉洪波，張照偉，高華婷 ，田大軍，賈榮華

（1.濟南正平自動化設備有限公司，山東濟南，250101；2.濟南升平軟件有限公司，山東濟南，250101）

1 研究背景

近些年來，國內醫學技術快速發展，老百姓對健康的要求越來越高，意味著醫學技術及醫療設備的需要也有很大的提升，尤其對醫療消毒和滅菌技術的要求也有了更大的需求，相對應的對醫療設備的要求也必須提高，過去一臺消毒滅菌設備可能使用幾年甚至十幾年都能滿足要求，現在老百姓看病和去醫院的頻次大幅提高，導致醫療滅菌設備的使用年限大大減小了，在消毒滅菌方面也必須提出新的技術和方法，科學合理的使用滅菌設備，提高和更新新的技術，促使現代醫療器械的消毒滅菌技術得到快速發展，本系統設計的電感式傳感技術的水位控制器就是在此背景下應運產生的。

基于MSP430的電感式傳感技術的水位控制器是用在電熱蒸汽發生器里面，電熱蒸汽發生器既所謂的電鍋爐，利用電加熱電阻絲的方式把水加熱成蒸汽的醫療設備，廣泛應用在醫療消毒、滅菌等場合。水位控制器是電蒸汽發生器的核心系統，傳統的測量水位方式是利用電極彈針來檢測水位，現如今因對醫療滅菌設備的高要求，電熱蒸汽發生器需采用超純水，超純水應是清潔、無腐蝕性、無雜質的清水，這樣更能符合殺毒滅菌的高要求。之前使用的電蒸汽水一般使用經水處理后的軟水或經過濾池過濾的水對水位控制器的電極應定期清洗 ,容易使電極積垢使電控失靈，另外就是現在對消毒滅菌的要求已大大提高，過去普通軟水是無法達到現在科學醫療的要求，超純水水質已經發生變化，已經無法利用水的導電性能測量水位的高低，也就無法控制注水泵的供水和電加熱系統進行加熱。本系統利用完整模擬前端電感數字轉換器，此轉換器經過優化，可用于諸如存在性檢測和事件計數等非接觸式應用中的工業接近傳感器，測量的數值快速轉為電感數字集成到終端設備系統，具有廣泛的應用市場。

2 系統原理與結構

醫學上的殺毒滅菌技術是將所有微生物全部殺死來防止病人感染的辦法，在醫院里開展醫療科研、治療等工作,也離不開殺毒滅菌設備,如何科學有效的滅菌消毒,是多年來一直研究的問題。長期以來醫療行業都是采用壓力蒸汽滅菌的方式，該方式需要在一個密封耐高壓環境容器中用電加熱進行，故還得需要一種系統能監測高壓密封容器內的水位高低，不至于因為水位過低而燒壞電熱蒸汽發生器。

感應線性位置傳感器的基本原理與渦流現象有關，本系統是利用電磁感應技術取代機械觸點，由于傳統機械觸點無法在高壓密封環境中得到應用或者是會受到影響，本系統的基本原理是通過線圈的交流電流產生交流磁場，當金屬物體接近線圈時，則震蕩磁場就脈沖變化，產生的脈沖信號變化會影響原始磁場形成渦流損耗，這種反應就改變了線圈的特性，線圈的電阻和電感就會發生相應的變化，LDC1101前端電路通過將閉環結構中的震蕩幅度調節到一個核定的水平來完成檢測諧振器所消耗的能量，通過檢測線圈的功率，LDC1101前端電路就可以確定損耗的電阻值。

系統主要包括MSP430、LM1117穩壓芯片及穩壓電路、上位機電腦、LDC1101前端電感數字轉換器及放置于電熱蒸汽發生器內部前端印刷電路板線圈及空心銅球組成的機械部分，首先是單片機MSP430給LDC1101前端電感數字轉換器維持高頻率的電流信號，當置于水面的銅球浮起的時候會慢慢接近印刷電路板的線圈，等銅球接近或者位于印刷電路板線圈中央位置時，銅球會切割印刷電路板的線圈磁感線，這時LDC1101前段電感數字轉換器就會將信號轉換為數字信號給單片機MSP430，單片機MSP430就會將所得數據通過USB將數據上傳到上位機電腦實時顯示出來，這樣就可以大體判斷電熱蒸汽發生器內水位的高低，等檢測不到水位信號時，通過上位機即可通過注水泵給電熱發生器注水，不會因為電熱蒸汽發生器水位過低干涸而燒壞設備。圖1是系統整體結構框圖。

3 系統功能組成

系統核心部分主要有單片機MSP430、LM1117穩壓芯片及穩壓電路、上位機電腦軟件、LDC1101前端電感數字轉換器及放置于電熱蒸汽發生器內部前端印刷電路板線圈及銅球組成的機械部分，本系統主要創新部分是MSP430單片機及LDC1101前段電感數字轉換器及放置于電熱蒸汽發生器內部前段印刷電路線圈及空心銅球部分，其中位于電熱發生器內的部分是利用非金屬材料將電感接近傳感器及前端電路的印刷電路板線圈密封固定好合適位置，在線圈中心放置一個非金屬筒裝腔體，在腔體內設計一個銅的空心球，可漂浮于水面上。此參考設計使用1.8V～3.3V 高分辨率、高速電感數字轉換器，提供可編程決策閾值設置和寬泛的傳感器頻率范圍。

MSP430單片機作為LDC1101傳感器和USB接口之間的橋梁，LDC1101利用電腦的應用界面進行設備配置和檢測轉換結果，轉換數據可以在系統應用界面進行處理和分析。

■3.1 單片機及穩壓電源

本系統采用單片機MSP430作為主控制器，此設備采用USB供電形式，同時USB也肩負著將數據上傳到PC電腦的功能，低功耗性能就需要要求整體系統盡可能都采用低耗電元器件，另外，MSP430單片機是一種功能齊全的單片機，外設種類多，完全滿足系統設計要求。

穩壓電源管理電路是采用LM1117低壓差電壓調節器，該元件具有輸入電壓5V和標稱電壓為5V的標準USB端口供電，另外LM1117輸出電壓可調，通過調節外部2個電阻可實現1.25～13.8V輸出電壓范圍，另外還有電流限制和熱保護功能，系統中LM1117電源芯片提供MSP430單片機電源需求和LDC1101傳感器的3.3V輸出功能，系統電源電路簡單穩定，完全滿足系統電源的要求。

■3.2 LDC1101前端電路

傳感器就是系統控制的神經系統，好的傳感器可以提供更準確的信號，但是可輸出傳感器是無法控制過程的，當應用系統需要在傳感器表面很近的范圍內檢測技術目標時，感應式非接觸傳感器就很適合這樣情況，此外，該傳感器具有在惡劣環境條件下可靠工作的檢測記錄，它是一種非接觸式，不受磁場環境影響的特性，且具有很高的可靠性，此傳感器完全可以取代機械開關來實現水位監測的功能，另外可以利用其可編程行設置閾值和傳感器偏離表范圍，用檢測閾值調整到所期望的檢測距離。LDC1101具有高分辨率和低成本行，即使在惡劣環境中也可以實現近距離傳感，LDC1101采用印刷電路板線圈作為傳感器，為系統提供更可靠性和高性能的解決辦法，LDC1101的SPI與單片機通信，然后用PC電腦的LabVIEW的用戶界面通信，具有中斷功能，能夠滿足本系統的要求。圖2是LDC1101前端電路圖。

圖2 LDC1101前端電路圖

LDC1101 是工作電壓介于1.8～3.3V之間、具有高分辨率的電感數字轉換器，可對位置、旋轉或運動進行短距離、高速、無觸點感測，能夠實現可靠、精確的測量，非常適合戶外或環境苛刻的地方。LDC1101支持各種電感/電容(LC)組合，振蕩頻率范圍為500kHz～10MHz且RP范圍為1.25kΩ～90kΩ。系統通過4線SPI進行配置和檢索轉換結果。電路上配置了一個15nF的電容元件，用于內部LDO旁路和VDD電源旁路。

■3.3 線圈及空心銅球

系統中線圈及空心銅球通過非金屬材料固定于離電熱發生器中央位置，遠離電熱發生器金屬殼體，防止影響系統的檢測與可靠性，線圈主要就是印刷電路板的線圈，在印刷電路板的中心位置是置空部分，用于放置非金屬耐高溫材料設計的空心筒狀腔體，空心筒狀腔體的直徑15cm,高度是30cm，空心銅球的直徑是10cm,下方和上方均有小于空心銅球直徑的過孔，將設計的能浮于水面的空心銅球置于腔體內部，腔體內的銅球能隨著電熱發生器內部水位的高低而上下移動。固定腔體和印刷電路板的線圈根據閾值多次測量固定好位置，這樣就能通過空心銅球隨著水面的高低監測電熱發生器內部水位的高低，當高于水面位置和低于水面位置時都能夠觸發報警，通過注水泵來調整電熱發生器內部水位。

4 小結

本方案設計的新型電熱發生器電磁傳感器水位控制器，比傳統的水位控制器應用于更加苛刻的環境，設計方案巧妙，能夠實現對電熱蒸汽發生器水位的自動檢測和控制，尤其是適合高溫或封閉環境中使用的理想技術，而且成本低，體積小巧易于安裝。本系統設計的電熱蒸汽發生器水位控制器能夠替代傳統的一般探針及利用電導率監測水位的水位控制器，可廣泛應用在高溫蒸汽滅菌器設備上，經過多次試驗和應用運行穩定可靠，也沒有燒壞電熱蒸汽發生器的事故，同時使現代醫療器械的消毒滅菌技術得到了很大的提升，具有很大的市場前景。