GPRS技術(shù)的超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡紅旗

摘要：

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場物料和液位遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，以STM32單片機(jī)為控制核心，采用時(shí)差法超聲波測距原理結(jié)合GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞給監(jiān)控端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控并做實(shí)時(shí)記錄。為降低溫度對測距精度的影響，增加了溫度補(bǔ)償電路。上位機(jī)采用LabView軟件開發(fā)，便于管理人員監(jiān)控。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)現(xiàn)場儀表反饋不及時(shí)、布線復(fù)雜等問題。經(jīng)測試表明系統(tǒng)運(yùn)行正常，具有較好的精確性和穩(wěn)定性，適合工業(yè)現(xiàn)場安裝使用。

關(guān)鍵詞：

液位監(jiān)測; 超聲波測距; GPRS; LabView

中圖分類號： TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Ultrasonic Liquid Level Monitoring System Based on GPRS

HU Hongqi

（Department of Electronic Engineering， Yantai Automobile Engineering Professional College， Yantai， Shandong 265500， China）

Abstract：

In order to realize the remote monitoring of material and liquid level in industrial field， the ultrasonic liquid level monitoring system was designed by GPRS technology and combined with the ultrasonic distance measurement technology. The STM32 is used as the core unit， the realtime data aretransmitted to the monitoring terminal through the Internet to realize remote monitoring and realtime recording. In order to reduce the influence of temperature on ranging precision， the temperature compensation circuit is added. LabView software is usedand it is easy monitoring by managers. Test results show that the system is running normally and has good accuracy and stability.

Key words：

level monitoring; ultrasonic ranging; GPRS; LabView

0引言

如今，隨著智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，工廠管理越來越趨于無人化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，為便于生產(chǎn)設(shè)備管理，保障生產(chǎn)線的正常平穩(wěn)運(yùn)行，智能化儀表顯得尤為重要。尤其是液位參數(shù)的測量在化工、石油、污水處理等工廠企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要。液位儀表按照感應(yīng)元件與被測液位是否接觸可分為接觸式和非接觸式。接觸式儀表常用的有人工檢尺法、伺服式、浮子測量、電容式、磁致伸縮式，由于傳統(tǒng)液位檢測儀測量精度低，且不利于工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測[13]。鑒于超聲波式非接觸型液位模塊具有測量范圍寬、介質(zhì)特性影響小;GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn)，本文采用GPRS無線通訊技術(shù)融合非接觸式超聲波測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)物料和液位高度測量。系統(tǒng)以STM32為核心控制模塊，依據(jù)時(shí)差法超聲波測距原理實(shí)現(xiàn)液面高度的實(shí)時(shí)測量，有效減少測量過程中的人工干預(yù);采用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，從而使工作人員在控制中心可實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，一旦液位或物料高度超出正常范圍，電腦就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號，協(xié)助工作人員進(jìn)行調(diào)整生產(chǎn)，具有很高的使用價(jià)值，值得推廣。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

采用時(shí)差法實(shí)現(xiàn)液面高度測量。將超聲波探頭安裝在被測液面正上方，超聲波在被測界面發(fā)生反射，接收探頭接收反射回波，測量超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間t，由此得到探頭到液面的高度N=ct/2（c為超聲波在空氣中傳播的速度）。采用單片機(jī)自帶定時(shí)器準(zhǔn)確測量聲速傳播時(shí)間，測量精度可達(dá)μs級;采用GPRS無線通訊方式實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通信[46]。該系統(tǒng)支持多點(diǎn)液位監(jiān)測，具有溫濕度補(bǔ)償功能，極大地提高了測量精度。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由STM32單片機(jī)、超聲波測距模塊、存儲(chǔ)模塊、報(bào)警模塊、溫濕度模塊及串口模塊組成。下位機(jī)在安裝時(shí)，必須在液位為零時(shí)按下校準(zhǔn)按鍵，此時(shí)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)會(huì)存入存儲(chǔ)器，并將該數(shù)據(jù)作為液面高度的參考值H（液面零點(diǎn)到測量裝置的距離）。根據(jù)測得值N（液面到測量裝置的距離），進(jìn)而求得液面高度h=H-N。單片機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的查詢信號時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)到存儲(chǔ)芯片中，然后通過STM32串口發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)AT指令實(shí)現(xiàn)與MC55信息傳遞，在TCP/IP數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送。上位機(jī)軟件界面采用Labview程序設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由電源電路、超聲波測距電路、溫濕度檢測電路、存儲(chǔ)電路、GPRS通訊電路、報(bào)警及按鍵電路組成。節(jié)點(diǎn)模塊由鋰電池供電，系統(tǒng)各部分采用低功耗器件，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與虛擬儀器上位機(jī)界面間通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

2.1超聲波檢測部分設(shè)計(jì)

超聲波測距傳感器采用HCSR04，該模塊采用IO口觸發(fā)檢測方式，當(dāng)TRIG引腳至少持續(xù)10 us的高電平信號，傳感器就會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，并檢測是否收到返回信號。有信號返回時(shí)，ECHO引腳就會(huì)輸出一個(gè)高電平，高電平保持的時(shí)間就是聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[78]。單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)器測量該時(shí)間，并根據(jù)DHT11測量出的溫濕度值進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，最終得到較為精確的液位高度。超聲波模塊接口電路，如圖2所示。

2.2溫濕度檢測電路的設(shè)計(jì)

選擇DHT11作為溫濕度傳感器。該傳感器具有通用性好，采用單總線通訊方式，溫濕度精度均為8位。傳感器上電后有1 s的不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間器件不能正常工作，因此在編寫程序時(shí)需要稍加注意。設(shè)計(jì)時(shí)，將DHT11數(shù)據(jù)端與STM32的PA1口相連，完成溫濕度信息采集[9]。電路如圖3所示。

2.3GPRS通信電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，采用三頻GSM/GPRS模塊MC55實(shí)現(xiàn)無線通信電路設(shè)計(jì)。西門子公司的MC55接口電路簡單，具有兩個(gè)全雙工串口，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)TCP通道同時(shí)傳輸，模塊內(nèi)置SIM卡接口，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧。STM32與MC55模塊間采用串行異步通信方式，通信速率設(shè)置為9 600 bps，采用TXD/RXD異步串口通信，由于兩者間串口通信電氣兼容，無需電壓調(diào)整[10]。GRRS通信電路如圖4所示。

由圖4看出，單片機(jī)與MC55間采用串行通信方式進(jìn)行信息交互。MC55的IGT與STM32的通用I/O口相連作為啟動(dòng)信號。當(dāng)MC55啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)將IGT拉低至少100 ms后再置高，同時(shí)應(yīng)保持BATT+引腳電平不低于3V。注意的是MC55模塊啟動(dòng)后需要等待900 ms才能正常使用串口。SYNC引腳接入工作狀態(tài)指示電路，MC55每600 ms閃爍一次，表示沒有插入SIM卡或MC55處于登陸狀態(tài);若每3 s閃爍一次，表示網(wǎng)絡(luò)已登陸。圖4中TXD0引腳外加上拉電路;在STM32的RXD與MC55的RXD端加入D1是用來防止MC55在關(guān)機(jī)狀態(tài)下的誤判。

2.4輔助電路設(shè)計(jì)

考慮到超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)可用于便攜儀器上，故采用雙電源供電方式，分別設(shè)計(jì)出5 V、3.3 V直流穩(wěn)壓電源電路;采用AT24C64設(shè)計(jì)出EEPROM掉電存儲(chǔ)電路;為了便于用戶手動(dòng)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)帶有4個(gè)按鍵;顯示電路采用低功耗OLED完成數(shù)據(jù)顯示。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)采集程序和監(jiān)測平臺(tái)程序設(shè)計(jì)。下位機(jī)完成液面高度采集、溫濕度采集、液位高度數(shù)據(jù)校正、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)程序包含主程序、超聲波測距子程序、溫濕度檢測子程序、GPRS通訊子程序。采用C51編寫，各子程序之間獨(dú)立且受主程序調(diào)用，結(jié)構(gòu)清晰易于理解和編寫。上位機(jī)完成數(shù)據(jù)信息處理、數(shù)據(jù)顯示及下位機(jī)控制等功能，采用圖形化語言Labview2012完成設(shè)計(jì)。

3.1下位機(jī)主程序設(shè)計(jì)

主程序是單片機(jī)程序的主體，負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)各個(gè)子程序，中斷程序等各個(gè)功能的轉(zhuǎn)換，完成內(nèi)部模塊和寄存器的設(shè)置、數(shù)值計(jì)算及存儲(chǔ)功能。為降低系統(tǒng)功耗，單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，采用中斷喚醒方式啟動(dòng)工作狀態(tài)。工作流程如圖5所示。

初始化后單片機(jī)控制超聲波模塊每隔一定的時(shí)間發(fā)射一次信號。并且采用中斷的方式接收信號端口的電平變化，當(dāng)信號端口電平為高時(shí)，中斷服務(wù)程序打開計(jì)時(shí)器，信號端口拉低時(shí)再次進(jìn)入中斷。在中斷服務(wù)程序中通過讀取計(jì)時(shí)器寄存器得到聲波來回傳播的時(shí)間t，根據(jù)聲速與溫濕度從而算出液面距離[11]。

3.2數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)

采用定時(shí)器計(jì)算聲波從發(fā)出到返回的時(shí)間。初始化后，重復(fù)控制發(fā)射信號，判斷回波是否到達(dá)。若檢測到聲波傳播的時(shí)長后進(jìn)行溫濕度檢測，然后進(jìn)行液位高度補(bǔ)償計(jì)算，得到液位高度數(shù)據(jù)后進(jìn)行存儲(chǔ)并通過GPRS發(fā)送到上位機(jī)。在數(shù)據(jù)的每一次發(fā)送之前都需要加入命令幀，以便上位機(jī)可以識(shí)別數(shù)據(jù)，如圖6所示。

在初始化DHT11時(shí)，需要延時(shí)一秒等待不穩(wěn)定狀態(tài)結(jié)束。MCU發(fā)送起始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)起始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送應(yīng)答信號，然后觸發(fā)一次信號采集并發(fā)送出40bit的數(shù)據(jù)，MCU可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。工作時(shí)，DHT11接收到開始信號便觸發(fā)一次溫濕度采集，也就意味著傳感器在采集數(shù)據(jù)后就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到低速模式。

3.3GPRS通信程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，下位機(jī)與監(jiān)測中心之間選取TCP協(xié)議作為傳輸協(xié)議。采用AT（Attention）指令初始化MC55后使其接入Internet網(wǎng)絡(luò)，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商動(dòng)態(tài)分配的IP地址，與監(jiān)測終端建立GPRS連接服務(wù)，之后MC55將待發(fā)送信息封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸操作。當(dāng)進(jìn)行連接服務(wù)時(shí)，根據(jù)AT指令初始化設(shè)置MC55，完成用戶名和密碼檢驗(yàn)，并設(shè)置TCP/IP的地址和端口信息[12]。GPRS通信流程和數(shù)據(jù)處理流程，如圖7所示。

4上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

采用美國NI公司圖形化編輯語言（G語言）Labview2012設(shè)計(jì)，調(diào)用庫中自帶的TCP/IP控件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。由于監(jiān)測終端GPRS模塊提供的AT指令中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)形式是字符串型，所以TCP/IP傳送的也是string數(shù)據(jù)格式，因而需要將超聲波采集的液位信息int型轉(zhuǎn)成字符串型后才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。工作人員登錄監(jiān)控界面便可實(shí)時(shí)觀測監(jiān)測信息，并完成參數(shù)設(shè)置，瀏覽歷史信息等;也可實(shí)現(xiàn)對下位機(jī)的控制，便于工作人員監(jiān)控與管理[1315]。監(jiān)測界面如圖8所示。

5測試結(jié)果與分析

首先，采用protues7.8軟件對整體硬件電路進(jìn)行仿真，并按照正確的電路進(jìn)行焊接。硬件完成后，仔細(xì)檢查電路，確保各處無虛焊，檢查通訊，確保數(shù)據(jù)可靠，將監(jiān)測系統(tǒng)置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場測試。