基于單片機(jī)的液面監(jiān)控儀設(shè)計(jì)

李紅春

（中石化江蘇油建工程有限公司電力通訊公司，揚(yáng)州225261）

1 引言

隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及檢測技術(shù)等的快速發(fā)展，在液面位置自動(dòng)檢測領(lǐng)域，各種形式的自動(dòng)化系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用[1-2]。在傳感器技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)等的推動(dòng)下，液面位置自動(dòng)檢技術(shù)發(fā)展迅速，獲得許多成果[3-4]。目前液面位置自動(dòng)檢測系統(tǒng)大多數(shù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，而此時(shí)必須配備固定的人員進(jìn)行監(jiān)控[5]。大部分液面位置自動(dòng)檢測設(shè)備價(jià)格昂貴，對于一般工廠來說檢測成本較高，安裝后的維護(hù)成本也較高，進(jìn)一步加重了工廠的負(fù)擔(dān)。另外，有些設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)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(dòng)檢測技術(shù)更加集成化、智能化、數(shù)字化，是一個(gè)亟待解決的問題?；诖嗽O(shè)計(jì)了一種新型的基于單片機(jī)的高精度液面自動(dòng)監(jiān)控裝置。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 工作原理及硬件電路的選擇

在此監(jiān)控裝置中，處理器采用單片機(jī)控制形式，液面信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出指令，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后再發(fā)送給電機(jī)，其流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)控儀主體結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備包括欠壓檢測電路和斷相檢測電路。當(dāng)待檢測容器內(nèi)無液體時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)停止工作；當(dāng)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(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)停止工作?？紤]到當(dāng)待檢測容器內(nèi)液面的位置超過或低于警戒線，或發(fā)生電機(jī)使用故障時(shí)，所在系統(tǒng)需動(dòng)用報(bào)警功能，該監(jiān)控設(shè)備還設(shè)置有報(bào)警器。同時(shí)，如果系統(tǒng)發(fā)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(chǎn)安全事故，所以該監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)設(shè)置為：液面位置超過或低于警戒線時(shí)，高、低位置的警戒線處的電極直接向報(bào)警器發(fā)送報(bào)警信號，報(bào)警器獲得該報(bào)警信號后立即做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

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

表1 系統(tǒng)中用到的傳感器和主要芯片

系統(tǒng)選用了Atmel公司生產(chǎn)的AT89S8253單片機(jī)[6]。AT89S8253是一款功耗較低、性能較高的CMOS單片機(jī)，它采用了高密度生產(chǎn)加工形式，其上的存儲器可進(jìn)行在線編程，也可用作常規(guī)編輯器。該型單片機(jī)也可為眾多嵌入式控制應(yīng)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(shù)字系統(tǒng)中用來監(jiān)視3.0V、3.3V和5.0V電源工作的低功耗監(jiān)控電路，各自都具有去抖動(dòng)的手動(dòng)復(fù)位輸入。

圖2 鍵盤與顯示電路

2.2 人機(jī)接口電路與通信接口設(shè)計(jì)

(1)鍵盤設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)中，需要使儀器能夠?qū)σ好孢M(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并可很方便地設(shè)計(jì)液面的上、下極限位置，這要求鍵盤中有用于參數(shù)設(shè)計(jì)的鍵位，分別由數(shù)字和字母組成。采用的方案為總共4行、每行4個(gè)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(shí)，行線與和列線不相連，且行線的輸入電平為高。當(dāng)有鍵按下時(shí)，行線和列線短路，可在列線加一個(gè)掃描信號來確定按鍵位置。

(2)聲光報(bào)警

設(shè)計(jì)的儀器需要在液面出現(xiàn)異常時(shí)做出報(bào)警反應(yīng)。為了盡可能做到引人注意，選擇聲光報(bào)警方式。通過此種方式，報(bào)警不但可以看到，還伴有聲響。在電路中，利用兩個(gè)端口驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器，輸出報(bào)警信號。

聲音報(bào)警電路的電路圖如圖3(a)所示,光報(bào)警電路則如圖3(b)所示。

圖3 聲光報(bào)警電路

可見，在聲音報(bào)警電路中，或門的一個(gè)腳與單片機(jī)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(jiān)控儀要求可以與上位機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)通信功能采用AT89S8253單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。由于單片機(jī)輸出TTL電平，需對電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其與上位機(jī)達(dá)成一致。單片機(jī)接收到信號后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理，由上位機(jī)發(fā)送命令給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)輸送給上位機(jī)。接口電路如圖4。

圖4 RSM485與AT89S8253接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采取模塊化思想，其優(yōu)點(diǎn)是:易于實(shí)現(xiàn)，便于設(shè)計(jì)、調(diào)試與共享。系統(tǒng)在使用前，應(yīng)進(jìn)行初始化操作。初始化之前先進(jìn)行開機(jī)自檢，如無異常，則正常進(jìn)行初始化。自檢通常要在軟、硬件兩個(gè)層面進(jìn)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(gè)硬件明確初始狀態(tài)等。

(1)數(shù)據(jù)采集與處理程序

液面水位傳感器采集到數(shù)據(jù)以后，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波，過濾后的信號被輸送給CPU,CPU再根據(jù)信號的輸入情況進(jìn)行顯示或報(bào)警[8]。串行A/D具有體積小、硬件簡單、占線少等優(yōu)點(diǎn)，因此具有很大的優(yōu)勢。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序如下：

(2)鍵盤與顯示程序

鍵盤可使用的鍵有16個(gè)（4×4結(jié)構(gòu)），對各鍵進(jìn)行定義，數(shù)字鍵為0～9，字母A為確定鍵，B為上限設(shè)置鍵，C為下限設(shè)置鍵，D為移位鍵，E為取消鍵，F(xiàn)為返回鍵。在設(shè)計(jì)鍵盤程序時(shí)，通常先通過一定的方式確定每個(gè)鍵的特征字。特征字與已按鍵的對應(yīng)關(guān)系是唯一的，因此根據(jù)特征字可以識別鍵盤上所有的鍵。如果計(jì)算機(jī)先發(fā)送行信號，再讀列信號，并經(jīng)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(shè)計(jì)顯示程序時(shí)，通常在片內(nèi)RAM開辟一組顯示緩沖區(qū)，專用于存放待顯示的數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中，顯示緩沖區(qū)選用50～53H四個(gè)單元，依次存放數(shù)據(jù)的高位到低位。

顯示子程序如下：

(3)通信程序

單片機(jī)采用中斷工作方式的遠(yuǎn)程通信，選用11.059MHz的晶振與上位機(jī)進(jìn)行通信，保證波特率與上位機(jī)一致，避免生發(fā)收發(fā)錯(cuò)誤[9]。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)中的液面監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)液面位置實(shí)時(shí)工況顯示、越限報(bào)警與控制、遠(yuǎn)程通信等功能。系統(tǒng)還設(shè)有控制鍵，用于手動(dòng)開機(jī)與停機(jī)。應(yīng)用單片機(jī)對液面位置進(jìn)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(tǒng)構(gòu)型簡單、操作方便，且自動(dòng)化程度較高，系統(tǒng)的軟件硬件維護(hù)也較為方便，對降低勞動(dòng)強(qiáng)度有很大作用。

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