基于LabVIEW 的多通道液位監(jiān)控系統(tǒng)

王瑜，趙宇梵，張浩男

（西安航空學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710077）

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中[1]，對鍋爐液位、油罐液位、化工原料液位等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時反饋，是確保安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。因為被測量的液體具有腐蝕性、毒性和刺激性，因此無法通過人工手段獲得[2]。在生活中，對液位監(jiān)控的需求也越來越多，例如高端魚缸需要加入液位監(jiān)控系統(tǒng)確保自動換水功能[3]。在現(xiàn)代控制領(lǐng)域，不僅需要對液位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和報警[4]，而且往往還需要對系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)整，確保整個系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。新的液位監(jiān)測系統(tǒng)趨向于方便、自動化、智能化，可以監(jiān)控多通道液位狀況[5]，有利于提高檢測精度和滿足生產(chǎn)需求。為了改進(jìn)傳統(tǒng)的液位監(jiān)控系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者們開展了大量研究工作，朱常榮等采用NRF905 收發(fā)模塊設(shè)計了遠(yuǎn)程液位監(jiān)控系統(tǒng)[6]。梁霄等針對現(xiàn)有液位檢測技術(shù)中傳感器布置容易受空間限制，在高溫高壓、灰塵、潮濕等特殊環(huán)境下傳感器壽命短等問題，提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的紅外目標(biāo)成像液位檢測方法[7]。

基于此，亟需設(shè)計一種新的系統(tǒng)，可以控制多通道的液位高度，也可以適應(yīng)各種實(shí)際情況，當(dāng)系統(tǒng)失控時保護(hù)系統(tǒng)，更重要的是可以清晰直觀地監(jiān)控多通道液位數(shù)據(jù)。所以，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于LabVIEW 的多通道液位監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足工業(yè)以及生活的需求。該系統(tǒng)通過HC-SR04超聲波傳感器采集液位數(shù)據(jù)，STC89C52RC 將液位數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)基于LabVIEW 開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)多通道液位數(shù)據(jù)的采集、顯示、控制等功能。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

基于LabVIEW 的多通道液位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由STC89C52RC 單片機(jī)控制模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、HC-SR04 超聲波傳感器模塊、繼電器控制模塊、按鍵模塊等組成。系統(tǒng)利用超聲波液位傳感器對三個容器液位進(jìn)行檢測，根據(jù)要求設(shè)定容器液位高度，當(dāng)系統(tǒng)通過超聲波液位傳感器檢測的數(shù)據(jù)在液位的設(shè)定值以下，系統(tǒng)將自動打開水泵進(jìn)行吸水處理，反之，系統(tǒng)將自動打開水泵進(jìn)行抽水處理，從而實(shí)現(xiàn)多通道液位測控，達(dá)到預(yù)定效果。同時系統(tǒng)可以將三個容器中液位的高度范圍實(shí)時直觀地顯示在液晶顯示屏和LabVIEW 上位機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW 的多通道液位監(jiān)測功能[8]。如果系統(tǒng)失控，雙浮球液位開關(guān)可以將液位維持在安全范圍內(nèi)，起到保護(hù)作用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STC89C52RC單片機(jī)模塊

STC89C52RC 單片機(jī)模塊包括STC89C52RC 單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路，STC89C52RC 單片機(jī)模塊電路圖如圖2 所示。STC89C52RC 單片機(jī)的XTAL1、XTAL2 接線端連接晶振電路；RST 接線端連接復(fù)位電路[9]；P1.0-P1.5 接線端分別連接六個水泵；P1.7、P3.2、P3.3、P3.4 接線端分別連接四個按鍵，實(shí)現(xiàn)設(shè)置、加、減、返回功能。通過STC89C52RC 的P3.0 和P3.1 接線端連接上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。STC89C52RC 的P3.5、P3.6、P3.7 及P2.0-P2.7接線端和LCD1602 液晶顯示模塊相連，實(shí)現(xiàn)多路液位數(shù)據(jù)的顯示。STC89C52RC 的P0.0-P0.5 接線端分別連接三個超聲波傳感器，實(shí)現(xiàn)三個通道液位數(shù)據(jù)的檢測。

圖2 STC89C52RC單片機(jī)模塊電路圖

2.2 LCD1602液晶顯示模塊

系統(tǒng)選用LCD1602 液晶顯示模塊顯示多通道液位數(shù)據(jù)[10]。LCD1602 的RS 接線端和STC89C52RC的P3.7 接線端相連；LCD1602 的R/W 接線端和STC89C52RC 的P3.6 接線端相連；LCD1602 的E 接線端和STC89C52RC 的P3.5接線端相連；LCD1602 的D0-D7 接線端和STC89C52RC 的P2.0-P2.7 接線端相連。

2.3 HC-SR04超聲波傳感器模塊

系統(tǒng)采用HC-SR04 超聲波傳感器檢測液位高度，HC-SR04 超聲波傳感器模塊電路圖如圖3 所示。HC-SR04 超聲波傳感器的GND 接線端接地，VCC 接線端接電源，Echo 和Trig 分別和STC89C52RC的P0.0-P0.5 接線端相連。Trig 控制發(fā)出的超聲波信號，Echo 接收反射回來的超聲波信號[11]，設(shè)計使用單片機(jī)的定時功能對信號持續(xù)時間進(jìn)行監(jiān)測，通過計算可得距離信息[12]。

圖3 HC-SR04超聲波傳感器模塊電路圖

2.4 繼電器模塊

系統(tǒng)采用繼電器控制水泵，每一路水泵由兩個繼電器串聯(lián)控制：系統(tǒng)工作部分控制繼電器、系統(tǒng)保護(hù)部分控制繼電器，當(dāng)兩個繼電器都處于閉合狀態(tài) 時，水泵開始工作[13]。STC89C52RC控制PNP 三極管，通過PNP 三極管控制繼電器線圈，從而控制繼電器的常開、常閉觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)水泵的進(jìn)水、出水控制[14]。通道1 進(jìn)水電路圖如圖4 所示，通道1 出水電路圖如圖5 所示；通道2、通道3 的進(jìn)水電路原理和通道1 進(jìn)水電路原理相同；通道2、通道3 的出水電路原理和通道1 出水電路原理相同。

圖4 通道1進(jìn)水電路圖

圖5 通道1出水電路圖

繼電器控制模塊電路由繼電器、發(fā)光二極管、SS8550 三極管、限流電阻，以及1N4007 二極管和接線端子等組成。正常情況下，上浮球開關(guān)斷開，下浮球開關(guān)閉合。水泵開關(guān)完全由系統(tǒng)工作部分控制繼電器控制[15]。如果系統(tǒng)失控，系統(tǒng)保護(hù)部分控制繼電器工作，當(dāng)液位過溢時，上浮球開關(guān)閉合，繼電器JK7、JK9、JK11 的線圈通電，常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，系統(tǒng)工作部分繼電器JK1、JK3、JK5 無法啟動水泵，從而保護(hù)系統(tǒng)；當(dāng)液位下降至最低液位值時，下浮球開關(guān)斷開，繼電器JK8、JK10、JK12 的線圈失電，常開觸頭斷開，常閉觸頭閉合，系統(tǒng)工作部分繼電器JK2、JK4、JK6 無法控制水泵，從而保護(hù)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 下位機(jī)主程序設(shè)計

系統(tǒng)下位機(jī)程序分為主程序、液晶顯示子程序、超聲波檢測子程序、按鍵掃描子程序等，系統(tǒng)下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置、檢測、查詢、顯示、控制多通道液位值等功能[16]。系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)下位機(jī)主程序流程圖

3.2 液晶顯示子程序設(shè)計

該設(shè)計采用LCD1602 液晶顯示器，液晶顯示屏可以顯示兩行，每一行可顯示16 個字符數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)工作時，STC89C52RC 控制超聲波傳感器獲取液位信息，并控制LCD1602 液晶顯示器顯示設(shè)定的液位高度值和實(shí)際的液位高度值，可以直觀地檢測出實(shí)際的液位情況。液晶顯示子程序由初始化、寫命令、寫數(shù)據(jù)、顯示字符串等模塊組成。

3.3 超聲波檢測子程序設(shè)計

該系統(tǒng)中超聲波檢測子程序主要實(shí)現(xiàn)三通道液位實(shí)際值的檢測功能，準(zhǔn)確檢測三通道液位實(shí)際值是液位監(jiān)控的基礎(chǔ)。超聲波檢測子程序的主要功能是利用三通道超聲波傳感器，獲取三通道液位信息。

利用STC89C52RC的P0.1、P0.3、P0.5口分別控制三通道超聲波傳感器的TRIG 引腳觸發(fā)液位進(jìn)行檢測。當(dāng)STC89C52RC接收到超聲波傳感器的ECHO 引腳的高電平信號時，利用定時器對返回的高電平信號持續(xù)的時間進(jìn)行計時。接著，通過計算后得到液位實(shí)際值信息。

3.4 按鍵掃描子程序設(shè)計

系統(tǒng)按鍵采用獨(dú)立式接法，四個按鍵分別連接STC89C52RC 的P1.7、P3.2、P3.3、P3.4 口。按鍵掃描子程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)置、加、減、返回功能。首先，掃描按鍵；然后，延時消除抖動；最后，判斷按鍵值，根據(jù)按鍵值執(zhí)行相應(yīng)的程序。

3.5 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)基于NI 公司的LabVIEW 虛擬儀器平臺，LabVIEW 具有友好的可視化界面，具有精度高、操作簡單、穩(wěn)定性高和實(shí)時監(jiān)測等特點(diǎn)[17]。系統(tǒng)前面板如圖7 所示。前面板的三個液罐控件分別為“液罐1”、“液罐2”和“液罐3”，三個液罐控件的下方分別有三個液位“設(shè)定值”和三個液位“實(shí)際值”控件。通過下位機(jī)按鍵設(shè)置三個液罐液位的設(shè)定值，三個液罐控件和三個液位實(shí)際值控件中顯示液罐中實(shí)際液位值。

圖7 系統(tǒng)前面板

4 系統(tǒng)分析與測試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，分別對各個模塊進(jìn)行了功能測試，系統(tǒng)液位顯示結(jié)果如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)液位顯示結(jié)果

分別進(jìn)行多次試驗，系統(tǒng)測試結(jié)果如表1 所示。結(jié)果表明，系統(tǒng)可以滿足實(shí)時監(jiān)控多通道液位數(shù)據(jù)的功能，運(yùn)行穩(wěn)定。

表1 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

該文設(shè)計了一種基于LabVIEW 的多通道液位監(jiān)控系統(tǒng)。液位監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)利用HC-SR04 超聲波傳感器采集多通道液位數(shù)據(jù)，利用STC89C52RC將液位數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，分別在LCD1602 液晶顯示模塊和LabVIEW 上位機(jī)軟件中顯示液位數(shù)據(jù)的設(shè)定值和實(shí)際值，利用繼電器控制模塊控制進(jìn)水水泵與出水水泵，實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)控，同時利用雙浮球開關(guān)保護(hù)系統(tǒng)，根據(jù)液位監(jiān)控過程，設(shè)計了多個通道同時測量，互不干擾，為液位監(jiān)控提供了一種新思路。