（物理电子学专业论文）基于avr单片机的伺服式液位计的研制.pdf

摘要 摘要 多功能伺服式液位计系统是顺应工业发展的需要，针对随着各行业的快速 发展，很多领域都对液位计的使用条件、测量精度以及性价比提出了越来越高 的要求这一现状，而设计出的一种智能化仪表。 为实现高精度自动化液位测量，本文提出基于a v r 单片机的伺服式液位计 设计方案。该设计以a t m e l 公司生产的a t m e g a l 6 1 为控制核心，结合使用霍尔 传感器、压力传感器，并配置高精度步进电机和l c d 显示，为高精度测量提供 了硬件保障。系统整体结构采取上、下位机的通信结构，利用r s 2 3 2 4 8 5 标准 转换芯片及m a x 4 8 5 芯片使监控终端p c 与各个a v r 单片机进行实时通信， 实现了p c 机对整个系统的监控。不仅可以实现上位机对下位机的控制，而且 还可以将下位机检测数据传给上位机，进行数据存储、显示、分析。为了进一 步提高测量精度，该系统基于浮力平衡原理结合了两种液位测量方法，分别对 液位进行测量然后求其平均值，不仅提高测量精度，并为系统排错提供可靠依 据。该设计系统液位检测原理明确、操作简单易行、运行稳定可靠，在试运行 过程中达到了预期的液位检测及控制效果。 关键词i 主从结构；伺服式液位计；串行通信；a t m e g a l 6 1 单片机；霍尔传感 器 i a b s t r a c t m u l t i f u n c t i o n a ls a v ot y p el i q u i d o m e t e rs y s t e mw a sd e s i g n e d ，i no r d e rt om e e t i n d u s t r i a l d e v e l o p m e n tn e e d s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , i nm a n v f i e l d so fl i q u i d o m e t e r , c o n d i t i o n so fu s e ，m e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dc o s t e f f e c t i v e p u tf o r w a r dm o r ea n dm o r eh i g hd e m a n d i nv i e wo ft h i sc u r r e n ts i t u a t i o n , ak i n do f i n t e l l i g e n tm e t h o di n s t r u m e n t a t i o nw a sd e v e l o p e d t oa c h i e v eh i g h p r e c i s i o na u t o m a t i o nl e v e lm e a s u r e m e n t , as e 0t y p e l i q u i d o m e t e rd e s i g ns c h e m eb a s e d0 na v rm c uw a sp u t e df o r w a r d u s i n gt h e a t m e lc o m p a n yp r o d u c t i o na t m e g a l 6 1a sc o n t r o lc o r e , a n du s i n gc o m b i n a t i o no f h a l ls e n s o r s , p r e s s u r es e n s o r , a n dc o n f i g u r a t i o np r e c i s e s t e p p e rm o t o ra n dl c d d i s p l a y , t h e s ep r o v i d eh a r d w a r es a f e g u a r d 内rh i g ha c c u r a c ym e a s u r e m e n t o v e r a l l s y s t e ma d o p t e du p p e ra n dl o w e rl e v e lc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n a ls t r u c t u r e t h e s e w a sr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm o n i t o rt e r m i n a lp ca n d e a c ha v r m i c r o c o n t r o l l e rt h r o u g hs r 2 3 2 - 4 8 5s t a n d a r dc o n v e r s i o nc h i pm a x 4 8 5c h i p ，i t r e a l i z et h ep co f w h o l es y s t e mt om o n i t o rt h el o w e rl e v e l t h ec o m p u t e r n o to n l v c a np l a c ec o n t r o lt ot h el o w e r , b u ta l s oc a nr e a l i z ed a t ar e c e i v e 、d a t a s t o r a g e ，d i s p l a y a n da n a l y s i s ， w h i c hw a sd e t e c t e d b yl o w e rl e v dc o m p u t e r t oi m p r o v et h e m e a s u r e m e n t p r e c i s i o n , b a s e do nt h e p r i n c i p l e o fb a l a n c eo f b u o y a n c y , c o m p r e h e n s i v e dt w ol e v e lm e a s u r e m e n tb a s i s ，t h es y s t e mm e a s u r e dr e s p e c t i v e l vt h e l i q u i dl e v e la n dt h e na s kt h e i ra v e r a g e , w h i c hn o to n l yi m p r o v et h em e a s u r i n g p r e c i s i o n ，a n do f f e rt h er e l i a b l eb a s i sf o rt h es y s t e mt r o u b l e s h o o t t h ew h o l es y s t e m t h e o r yi sd e a r , a n dh a v es i m p l eo p e r a t i o n 、h i g hr e l i a b i l i t y , t h et r i mo p e r a t i o nt o r e a c hg o o dc o n t r o le f f e c t k e yw o r d s ：m a s t e r - s l a v ec o m m u n i c a t i o n c o m m u n i c a t i o n ；a t m e g a l 6 1m i c r o c o n t r o l l e r ； i i s t r u c t u r e ；s e r v ol i q u i d ；s e r i a l h a l ls e n s o r s 引言 1 引言 1 1 多功能伺服式液位计系统研究的意义 近几年来随着电子技术的进步和企业自动化及节能的需要，液位计越来越 成为企业自动化的重要检测工具，主要用于液位或界面的检测与控制。并且在 很多工业及农业生产过程中，容器内的液位更是一个很重要的参数。比如，在 很多时候，需要通过了解容器内液位的高低或者精确数值来判断容器内原料的 数量，并以此进一步分析决定添加原料的多少，总之，液体液位是保证生产过 程中每个环节都能达到物料平衡并保证生产正常顺利进行的重要参数，同时也 是产品数量和产品质量的重要保证。另外，随着社会的进步以及各个行业的快 速发展，液位检测所应用到的领域也越来越广泛，不仅在传统的应用领域如容 器、管道等地方应用更加深入，而且还应用于对一些水渠、水库、江河、湖泊、 海域等水位的测量 但是随着社会的整体进步，不管是对水渠、水库或者江河、湖泊等水位的 测量，还是对大型油罐或者小型容器内液位的测量，以及对其它需要液位检测 系统的液位测量，都对液位检测所达到的精度提出越来越高的要求。比如在石 油化工领域以及其整个发展历程中，油罐内液位的自动检测计量技术以及高精 度检测计量技术都一直是人们非常关注的技术。因为目前很多地方所采用的储 罐容量都很大，这对储罐内液位的精确计量提出了更高的要求，因为很小的液 位测量误差都会导致很大的容量误差，当然在最终的财务结算上也势必带来很 大的经济误差。例如，某油厂使用的大型储油罐容量为5 0 0 0 0 m 3 ，水平横截面 积为5 0 0 0 m 2 ，那么，在竖直方向上的l m m 的液位检测误差便会带来5 m 3 的容 量误差，当然，这样的容量误差反应在财务结算上也是一个很大的空缺。总之， 很小的液位检测误差在某些场合都将造成容量、质量以及财务上很大的绝对误 差。因此提高液位测量的精度，对精确了解和控制储油罐的液位的多少有很重 要的现实意义，当然对于其它液位测量系统，液位测量的精度也同样处于很重 要的地位。当然，近几年来，随着电子技术和微控制器应用技术的迅速发展， 液位的测量原理以及测量方式也发生了重大改变，使得液位测量技术由传统的 机械式测量发展为现代的自动化测量，特别是微控制器在液位测量系统的应用， 1 引言 不仅使得液位计的测量精度越来越高，而且越来越向智能化方向发展，这也为 自动一体化提供了必备的硬件条件。 但是随着各行业的快速发展，很多领域都对液位计的使用条件、测量精度 以及性价比总是提出了越来越高的要求。而多功能伺服式液位计正是顺应这一 要求而设计的。 总之，多功能伺服式液位计的进一步研究是工业发展的需要，当然，也是 液位计行业自身提高的要求。该仪表通过一个平衡于液面的浮子和两个重力敏 感装置霍尔元件和压力传感器来测量浮子在不同高度时测量尺的重量，产生一 定的电压信号传给单片机，再由单片机分析判断并发出控制信号以控制伺服电 机驱动浮子上下运动，使其能够跟踪液位的变化，然后由光电组件读取液体液 位。由于伺服式液位计的压力传感器件和霍尔传感器件精度都很高，这使液位 计的液位测量精度也可达到很高的精度。经反复研究，本文采用上、下位机进 行通信的结构，研制了基于a v r 高性能单片机的多功能伺服式液位计的监测系 统，实现了高精度，智能化，一体化。 1 2 国内外液位计的发展现状 应用于早期的液位测量仪表大多采用机械式测量原理，操作简单易行，通 过测量反应液体液位的其它物理参数比如压力、时间、电容、电感等，来达到 测量液位的目的。如人工检尺法、机械钢带式液位计、静压式液位计等。不过 随着工业自动化以及其它应用技术的发展，许多新的测量原理和测量方式应运 而生，并且，其精度、稳定性、智能性以及使用条件等方面也都得到了很大的 改善，同时，还实现了非接触测量，这使得液位测量的领域更加广泛，如新出 现的超声波液位计、雷达液位计、光纤液位计等新型液位测量仪表。 根据液位计使用时是否与液体直接接触，可将液位计分为两大类：接触式 测量和非接触式测量。 l 接触式测量 1 ) 人工检尺法 人工检尺法是利用浸入式刻度钢皮尺来测量液位高度的。它是一种很古老 但至今仍然被广泛使用的一种液位检测方法，这种方法不仅操作简单，容易观 2 引言 察、价格便宜，而且，更重要的是它经常被用于检验和标定其它测量仪表。它 的精度主要由人为读数误差决定。但是这种方法明显的缺点就是测量量程很有 限，并且由于钢尺要深入液体内部，故在恶劣环境如有腐蚀的液体中将会受到 限制。 2 ) 钢带浮子液位计【1 】 其工作原理如图1 1 所示：用一条多孔的钢带将浮子与一个恒转矩装置相 连，因为所测液体的比重比浮子比重大，所以，浮子可以始终漂浮在液面上并 随液面的升高或下降而上下移动而且同时带动带有多孔的钢带运动，钢带再进 一步通过齿轮推动计数装置作现场显示，测量误差一般约为4 1 0 m m 。 l 一浮球；2 一连杆；3 一转轴；4 一平衡重；鼬杆。 罐 图1 1 浮子式液位测量方法( 内、外浮球式) 3 ) 静压式液位计【2 】 其工作原理如图1 2 所示：基于传感器在液体某一点中所受到各个方向的 压力一样，并且所受压力与液位高度成线性比例关系。所以只要测出某一点所 受到的压力大小就可换算出相对应的液位高度。 1 过滤器；2 减压阀；3 节流元件； 卜转子流量计；卜变送器。 3 引言 图1 2 静压式液位测量方法 气 4 ) 伺服式液位计【3 】 伺服式液位计是一种高精度液位计，精度可达0 7m m ，其测量原理是基于 浮力平衡原理，常适用于计量交接、生产控制等。主要由浮子、钢丝、测量轮毅、 微控制器、伺服步进电机、伺服控制器等部件构成。由微控制器向伺服步进电 机发送指令，让重于水的浮子始终停留在液面上，这样伺服步进电机转动的“步 长 也就等于浮子的运动距离，这样便可进一步精确的算出液体液位。其结构示 意图如图1 3 所示： 曩电瓤 弼楚 褥子 图1 3 伺服液位计结构示意图 另外，伺服式液位计通过简单计算还可以很方便的计算出液体的重量。浮 子受力图如图1 4 所示： 4 引言 图1 4 液体中浮子受力图 浮子在液体中受到自身重力职钢丝拉力尸和水对其产生的浮力f 而达 到平衡状态，由平衡原理得出如下关系式： 尸+ 尸= 矿 ( 1 1 ) 根据阿基米德定律，物体在液体中所受浮力等于其排开液体的重量，则得： 尸= 矿p( 1 2 ) 代入公式( 1 1 ) ，则可以得出： p = ( 尸一矿) v( 1 3 ) 由于拉力p ，重力w 和浮子的体积v 都是已知数，因此伺服式液位计通过数 据处理器按照公式( 1 3 ) 便可算出浮子所处位置处液体的密度p 。这样知道了密 度和体积，便可以很方便的知道液体的重量。 5 ) 磁致伸缩液位计【4 】 磁致伸缩式液位计如图1 5 所示，由三部分组成：( 1 ) 3 6 0 度内磁浮子： ( 2 ) 传感器( 压磁传感器和磁致传感管) ；( 3 ) 塑封全智能化电子装置。 其工作原理是：在一个非磁性传感管内装有一根磁致伸缩线，在磁致伸缩 线一端装一个压磁传感器，此压磁传感器每秒发出一定数量的电流脉冲信号给 磁致伸缩线。由于电流脉冲同磁性浮子产生的磁场发生相互作用，于是在磁致 伸缩线上产生一个扭应力波，这个扭应力波以一定的速度从浮子的位置沿磁致 伸缩线向两端传送。直到压磁传感器收到这个扭应力信号为止，通过压磁传感器 可以测量出起始脉冲和返回扭应力波间的时间间隔。由于浮子总是悬浮在液面 上，并且磁浮子位置随液面的变化而变化，这样根据时间间隔大小便可以判断 浮子的位置。 引言 颤 露 翟 踞 、一一 图1 5 磁致伸缩液位计测量容器液位示意图 6 ) 电磁液位计 这种测量方式不是直接对液位进行测量，而是通过检测其它物理参量来实 现对液位的间接测量方法，即通过测量反应液位变化的电量变化来达到测量液 位的液位测量仪表，如电容式液位计、电感式液位计和电阻式液位计等。 电容式液位计【5 】如图1 6 、图1 7 所示，通过检测电容变化来测量液位值， 其电容传感器是根据圆筒形电容器原理进行工作的。整个电容器的电容量c 为： c = 勿e h l n ( d d ) + c o( 1 4 ) 式中：r 绝缘套管的介电常数； 月l 液位的高度： d 一绝缘套管外直径； 卜内电极直径； o 一对容器壁的初始电容( 电极没有测到液体时的电容) 。 图1 6 非导电液体电容式测量原理 6 引言 图1 7 导电液体电容式测量原理 对于一个固定的容器而言，式( 4 ) 中f 、d 和d 等参数都为为常数，仪表安装 开始时电容c o 利用测量电路中的调零电容也可以平衡掉，则所测到的电容c 就与物料浸入探杆的高度h 成正比。 电阻式液位测量方法是利用其敏感元件所具有的电阻特性，即利用敏感元 件的电阻值随液位的变化而变化来测量液体液位的，所以这种方法特别适用于 导电液体。 电感式液位测量方法的原理是利用电感元件的自感、互感或磁导率随着液 位的升降而有所不同，并呈现一定的规律的特性来测量液体液位的，将自感变 化量、互感变化量、或磁导率的变化量通过二次电路便可得到相应液位值。 7 ) 投入式扩散硅液位计【6 】 扩散硅液位计是由变送器探头、导气电缆、中继箱等部分组成，如图1 8 所 示：利用半导体工艺在单晶硅片上扩散出四个阻值相等的电阻，连接成惠斯登电 桥，用隔离膜片将其密封在一个充满硅油的腔体内并与被测介质隔离。则被测压 力经膜片、硅油传至扩散硅四个电阻。由于扩散硅的压阻效应，使传感器的输出 信号，经二次电路转换成标准信号4 - - , 2 0 m a 输出。 7 引言 i透气电缆 2 变送嚣 3 铡量转换电路 4半导体艘感元件 5硅油 6隅离膜片 7保护盏 8中继箱 图1 8 测量原理图 设投入到液体中的变送器膜片受到液体压强为尸，液体比重为r ，大气压力 设为液位深度为h ，则有 尸= 局+ 聊 ( 1 5 ) 为了消除大气压力的影响，变送器采用导气电缆将大气压力岛导入扩散硅 的另一侧，这样就将大气压力的影响相互抵消掉。则得 p = t h ( 1 6 ) 若被测液体的比重已知，则只要测量出p 值，就可知液体深度h 。 2 非接触式测量 1 ) 雷达液位计【7 】 雷达液位计是一种采用微波测量技术的物位测量仪表。它没有可动部件、 不用接触介质、没有测量盲区。基本测量原理如图1 9 所示：雷达波由天线发 出，抵达液面后反射，被同一天线接收，雷达波往返的时间正比于天线到液面 的距离。其运行时间与液位距离关系。 t = 2 功c( 1 7 ) d = c t 2 ( 1 8 ) l = h - d = h - c t 2 ( 1 9 ) 式中c _ 一电磁波传播速度3 0 0 0 0 0k m s ； 萨一被测介质与天线之间的距离； 卜一天线发射与接收到反射波的时间差； 8 引言 陪一天线距罐底高度； 卜一液位高度。 由上式可知，只要测得微波的往返时间l 即可计算得到液位的高度三。 图1 9 雷达液位计基本测量原理 2 ) 吹气式液位计【8 】 吹气式液位计的工作原理如图1 1 0 所示：压缩空气经过过程过滤器、过程 节流元件，最终由安装在容器内的导压管下端敞口处逸出。而当导压管下端有 微量气泡逸出时，导压管内的气压几乎与容器内液体的液位产生的静压相等( 即 图1 1 0 中j j i d + j i l 的水平面) ，因此有压力变送器5 所指示的压力数值即可反映出 液位的高度。其关系式为： 伪+ h o ) = p ( p g ) ( 1 1 0 ) 式中，j i i 为实际液位到最低液位的距离：h d 为最低液位；p 为容器内取压 平面的静压；p 为被测液位的密度：g 为重力加速度。 9 引言 图1 1 0 吹气式液位计原理图 j i i o 是最低液位至导压管底部的距离，所以液位计测量时需要进行零点的正迁移， 迁移量为h op g 。所以在吹气管的底部至少必需有7 5 r a m 的清洁液体。 3 ) 超声波液位计【9 】 超声波液位仪是利用超声波在空气中沿直线传播，并且遇到障碍物将会产 生反射的原理进行液位测量的，这种方法不用与液体直接接触便可进行液位测 量，所以特别适宜于在恶劣的环境下使用。 工作原理如图1 1 1 所示：超声波液位测量仪的探头安装在受测液体的上方， 探头通过空气向其下的液体发射超声波，超声波抵达液面并被液体反射，回波被 又被探头接收。超声波在发射点和接收点之间的距离所由声波速度和传输时间 t 决定，如公式( 1 1 1 ) 所示： h j = c t 2 ( 1 1 1 ) 通常情况下c 为定值，而超声波传感器距离渠底的高度日也为定值，故根 据公式( 1 1 2 ) 可计算出液位高度： 凰= 脚，( 1 1 2 ) 1 0 丛堇l 一 图1 1 l 超声波测位仪测量原理 4 ) 光纤液位计【l o 】 光纤液位计是利用力平衡原理实现液位检测的。整个系统由测量单元、光 纤传感器、光电转换器等，工作原理如图1 1 2 所示： 笏燃特爆危硷场所 广一一一一 光纤传感系统 敝力祸合控翩检溉 棱测液磁 1 l i 光缒 i i l i l f i l l i j 控制室 厂一一一一一一一1 i i 爿匿困： ：l l i i 巨鎏 l l l l l 汁算机系统 图1 1 2 光纤液位计整体示意图 液位检测系统不停地监测着液位的变化，并将检测到的液位信号通过光纤 传感器系统和光电转换系统产生出一定的电信号，电信号再经过二次仪表进行 相关处理便可转化为相对应的液位值。其一般安装如图1 1 3 所示。 1 1 il 引言 图1 1 3 光纤液位计安装示意图 5 ) 射频导纳液位计【1 1 l 射频导纳液位计是通过检测反映液位变化的导纳的变化，再变换成统一的 标准电流信号，从而检测液位的。 射频导纳液位计的工作原理类似于电容式液位计。整个储罐可以看作是一 个充满高电导率介质的容器，由浸在介质中的探头和绝缘层的外表构成一个纯 电容。通过测量电容或电导率，转换成反映液位的标准信号。 6 ) y 射线液位计 该液位计是根据y 射线经过不同物质产生的衰减量不同而设计的，将置于 防护容器内的放射源放在被测容器的一侧，而在容器对面装一个y 射线检测装 置，由于y 射线穿透容器时，要发生衰减，并且衰减率跟被测液体的液位高度 有很大关系，即高度越高衰减量越大，通过这种关系便可通过检测射线的衰减 量来达到检测液位的目的。 以上介绍的是一些常用的液位计，但由于科技工作者不断的努力和研究， 很多种极具特色的液位仪表还不断地产生，如新型磁力藕合式光纤液位计、新 型容栅式磁翻柱液位计、红外线智能液位计和基于霍尔效应的浮子式液位计等。 1 3 本课题研究的内容 ( 1 ) 研究伺服式液位计原理及测量依据比较； 1 2 引言 ( 2 ) 研究霍尔传感元件和压力传感元件在此系统应用中对所测液位精度的 影响程度比较： ( 3 ) 研究步进电机的转动原理及精度和误差原因； ( 4 ) 采用远程自动控制与现场控制相结合，完善系统的控制模式，研究串 行接口方式及各自特点； ( 5 ) 合理布局整体结构，实现系统整体性能的优化，研究软件编程对精度 的影响。 1 4 本文的结构安排 本文分五大部分对系统设计进行说明，各章节介绍如下： 第一章引言 阐述了多功能伺服式液位计系统研究的背景和意义，对国内外现存液位计 的发展现状、测量原理、所达到的精度、使用条件以及优缺点等作了简要论述； 并说明本课题研究的内容和目的以及介绍了论文的章节安排。 第二章系统设计整体方案 详细阐述了系统的整体设计方案，液位测量原理，硬件电路构成，软件思 路：并对系统的液位检测控制依据做了详细说明；同时还介绍了系统的多模式 控制以及各模式的使用情况；并简要说明了系统液位检测的工作过程。 第三章系统的硬件设计 本章分别对上下位机的主要硬件模块做了较为详细的阐述；并简略说明了 基于r s 4 8 5 接口的上下位机的通讯模块设计方案；重点研究了基于霍尔元件和 压力传感器的压力信号采集模块和步进电机控制模块的硬件设计。 第四章系统的软件设计 本章详细阐述了系统上下位机主控模块、液位检测模块、通讯模块软件设 计，并画出流程图以阐明各模块的程序运行过程；另外，还简略介绍了系统的 调试过程。 第五章结论 总结了作者在系统设计中完成的工作以及最终达到的效果。 1 3 系统设计整体方案 2 系统设计整体方案 2 1 系统的整体设计 整个系统是一个典型的上、下位机通信系统。由单台p c 机和多个a v r a t m e g a l 6 1 单片机组成，p c 机和a t m e g a l 6 1 t 1 2 】单片机之间通过串口进行主从方 式通信，各下位机根据实际需要分布在p c 上位机控制中心一定距离的范围内， 并使用r s 4 8 5 接口方式进行通信。系统总体连接示意图如图2 1 所示。其中p c 机作为监控终端，通过串口传输模块与各个单片机进行数据收发，可实时查看 和控制各下位机进行测量。各a t m e g a l 6 1 单片机一方面进行液位检测完成实时 控制，另一方面通过串口信道和p c 机交换数据，可将各类数据存储于p c 机， 降低单片机端的开发难度。 下位机与压力传感器，霍尔传感器，温度传感器以及步进电机等相连。单 片机从压力传感器、霍尔传感器获取电压信号，经单片机进行处理和判断，以 控制步进电机做相应动作。 键盘 爿 嗍 纠 瓣 彳、 l 弋夕 r s 2 3 2 r s 4 8 5 弋夕 i l x 4 8 5姒x 4 8 5 卧x 4 髓 ； 妻 单片机# l单片机# 2 单片机棚 图2 1 系统整体功能框图 1 4 系统设计整体方案 2 2 系统的硬件构成 2 2 1 上位机 此系统中上位机直接由p c 机提供，配置有方便键盘和液晶显示，在其上 装有专门的上位机控制软件，由其做系统启动、系统管理以及数据处理等，并 通过r s 4 8 5 通讯与其多个下位机连接，具体实现的功能如下： 上位机主要实现以下功能： ( 1 ) 用来做系统管理，系统的启动，数据处理等； ( 2 ) 用来发出操作指令和显示结果数据： ( 3 ) 由屏幕显示各种信号变化( 液压，水位，温度等) ； ( 4 ) 由上位机完成各种复杂的数据计算、处理及对单片机的控制； ( 5 ) 用来进行可视化控制、实时成像显示操作。 2 2 2 下位机 下位机主要包括：中心处理芯片a t m e g a l l 6 1 、5 v 稳压器、光电检测组件、 霍尔传感器、压力传感器、温度传感器以及相应的信号处理模块、按键及显示 模块、通讯模块以及步进电机驱动器、步进电机等器件( 如图2 2 ) 。 图2 2 下位机硬件连接图 1 5 系统设计整体方案 下位机的主要功能如下： ( 1 ) 通过上位机选择的模式控制步进电机进行测量； ( 2 ) 通过串行口与主机进行通讯； ( 3 ) 拥有自己的控制命令及显示； ( 4 ) 在必要的时候进行报警。 2 3 系统检测原理 2 3 1 伺服式液位计结构设计 高精度测量尺是上边带有规则孔的钢带，它一端连着浮子，一端缠绕在轮 毂槽内，这样高精度测量尺便可以作为悬挂件可以带动浮子上下运动。并且， 由于测量尺是缠绕在轮毂槽内，所以可以达到很好的导向和定位效果，以很好 的防止在液位检测过程中测量尺从轮毂槽内滑出。在轮毂中心处借助一个连轴 插入防爆壳体的孔内，使轮毂在防爆壳体内可以自由的转动，同时，在轮毂内 部装有磁铁，防爆壳体另一端腔内装有磁离合器，通过磁铁与磁离合器进行耦 合，磁离合器再通过轴与步进电机相连接，轴上安装有伞形齿轮，伞形齿轮与 轴压紧配合，步进电机的轴上固定一个与伞形齿轮正交的小锥齿轮，小锥齿轮 带动伞形齿轮转动，从而使轮毂旋转带动浮子运动，如图2 3 所示1 1 3 3 u 墅支纂 图2 3 伺服式液位计结构框图 1 6 传动 齿轮 系统设计整体方案 2 3 2 液位值读取方法 由于浮子始终位于液面上，并且测量尺上带有规则的孔，所以，可以通过 光电组件采集测量尺上孔的编码，得到浮子从液体表面到储罐上方指定位置的 高度日。空，其基本方程可有图2 4 得到： i ( i ) 胡标) 一( 空)( 2 1 ) 式中日。椽，为设定罐高 日。窑，为标定点到液体表面的空高，为直接测量值 日。蕞，为相对设定罐底的液面高度 图2 4 液面测量示意图 由式( 1 1 ) 可得 厶日( 藏) = a l l ( 檬) + 厶h ( 空) ( 2 2 ) 式中厶日。藏，液面高度的绝对误差 在两次间断测量间隔时间内由于环境和被测介质温度等因素变化很小， hc 标) 则为常数，即厶日。标) 卸，所以有： 厶日( 菠) = 4 日( 空)( 2 3 ) 由此可得液位高度的精确测量取决于罐顶精确定位、液面精确定位和罐顶 到液面之间距离的精确测量。 17 系统设计整体方案 2 3 3 液位检测实现方法 液位检测方法( 1 ) 在结构设计上，专门在轮毂外部装有磁铁，内部配有电磁传感器( 霍尔元 件) ，这样，当浮子平衡时，浮子作用于测量尺的重力在外轮毂的磁铁上产生一 定的力矩，从而使霍尔元件输出一定的电压信号储存于单片机中的数据存储器 中并作为平衡参考电压值，故当浮子位于平衡状态时，测得的电压信号与参考 电压值的差值为零。而当介质液位上下浮动发生变化时，浮子也跟着上下浮动， 作用于测量尺的重力在外轮毂的磁铁上便会产生变化的力矩，从而引起轮毂内 部磁通量发生变化。轮毂组件间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器( 霍 尔元件) 输出的电压信号发生变化。其电压值与储存于单片机内部数据存储器 中的参考电压相比较，当浮子在液面平衡时，其差值为0 。当被测介质液位变 化时，使得浮子所受浮力发生改变，最终使霍尔元件的输出电压发生变化，该 电压值与单片机内部数据存储器中的参考电压的差值驱动伺服电动机正向转动 或反向转动，调整浮子上下移动重新达到平衡位置，然后由光电子件读出液位 高度。 液位检测方法( 2 ) 在硬件系统安装时，使轴穿过轮毂、磁离合器的正中心，即使其处于同一 个转动中心线上，并使轴能够沿轴心方向自由的转动。步进电机与u 型支架以 及压力传感器固定在一起，并通过u 型支架用轴承安装在轴的一侧，安装时要 保证水平安装。而浮子、测量尺装在轴的另一侧，即分居轴的两侧并构成一个 力平衡系统【1 4 1 。这样，当液位上下浮动时，由于浮子所受浮力变化将导致作用 于压力传感器上的拉力发生变化，压力传感器上的拉力变化将进一步导致压力 传感器输出的电压信号发生变化，通过检测电压信号的变化便可精确测量液位 高度。具体实现过程是：整个框架以转动轴为轴心构成力矩平衡，电机及u 型支架以轴为转动中心产生一个顺时针力矩舰，浮子以及测量尺以轴为中心轴 产生一个逆时针力矩m 2 ，拉力杆、拉力丝以及力传感器以轴为转动中心也产生 一个逆时针力矩尬由力矩平衡原理可以得到m + m 2 - m i 。在这里尬是定值， 所以肘的大小仅由m 2 的大小决定。同样，将浮子处于平衡状态时压力传感器 产生的电压信号存储于单片机内部的数据存储器中并作为平衡参考值，故当液 位上下浮动时压力传感器的输出电压信号将会发生变化，其电压值与储存于单 片机内部数据存储器中的参考电压相比较，当浮子位置平衡时，其差值为0 。 1 8 系统设计整体方案 不平衡时其差值信号将驱动步进电机做正向转动或反向转动，调整浮子上下移 动重新使其再次达到平衡状态，然后读出液位高度。 为提高测量精度，在检测液位程序设计时，同时考虑以上两种检测依据， 让单片机顺序依照检测依据l 、检测依据2 测出两组液位数据，求其平均值做 为最终结果。三组数值在系统界面分别显示，这样，不仅测量结果清晰明确， 而且，通过两组数值的比较还可以检查判断液位计是否正常工作。 2 4 液位计的工作模式 2 4 1 自动模式 自动模式是使上位机和下位机都始终处于开机状态，即时刻处于工作状态， 下位机不停地检测液位值，即浮子始终平衡于液面上，随着液面上升和下降， 实时的反应液位的变化，并在下位机的显示屏给出实时显示，同时，设定极短 的时间间隔，将液位值传输给上位机，并在上位机的人机界面上实时的显示出 液位数值和更加直观的形象图形显示，并且，在程序编程中还专门设定了上限 和下限值，如果液位高度上升到上限值或者下降到下限值时，下位机和上位机 都会及时的给出报警信号，以通知工作人员，做出相应的工作处理。这种模式 实时性非常强，方便管理人员掌握各个油罐或者其他液体灌的液位值，即所储 存液体的多少，特别是它的上下限报警信号更能给工作带来方便，能及时提醒 加料或者停止加料。但是，自动模式也有一定的缺点，就是由于上下位机一直 处于工作状态，这样长期下来不仅会造成能源浪费，而且更会给整个系统带去 磨损，减少使用寿命。所以，在大体了解液位情况的下，一般不使用自动模式， 而是根据情况选择强制模式。 2 4 2 强制模式 a ) 远程控制模式 整个系统采用上下位机的结构，主要就是为了能够实现自动化管理和远程 控制，这样不用走近每一个液体灌，就可以快速方便的检测每一个储存罐的液 位值，即掌握每一个储存罐的储存量，它的具体过程是：启动上位机即p c 机， 并进入相应的人机界面，然后由p c 机向下位机发出检测液位命令，可以只向 一个下位机发送，也可同时向多个或者所有的下位机发送液位检测命令，下位 1 9 系统设计整体方案 机收到命令后，便开始检测液位，并将测出的液位值传送给上位机进行显示和 储存。 b ) 现场检测模式 为方便人员操作，每个下位机不仅可以接受来自上位机的命令进行液位检 测，而且每个下位机都配有自己的控制按键和液晶显示，这样，可以很方便的 进行现场检测，了解每个储存罐的液位情况，这种模式特别适用于现场对某个 储存罐单独进行某些操作时使用，比如加减液体时，或者出现某些故障进行检 修时等等，这种模式是最实用的。当然，所测液位值可以选择上位机发送或者 不发送均可。 2 0 系统的硬件设计 3 系统的硬件设计 3 1 上位机设计 上位机是伺服式液位计系统的重要组成部分之一，它负责向下位机发出检 测液位的命令，从下位机获取数据，并对数据进行分析和存储，从整体上把握 所有储罐的储存量，并给出进货或者促销等相关决策，同时还可以获知个储罐 内液体内部的其他参数，以做出降温，排风等决定；以及对系统运行模式的选 择，初始化设置、密度值，温度值等物理参数等的设定都要由上位机来完成： 并通过显示屏将系统的运行模式参以及检测液位值显示出来。上位机是否顺利 启动，能否正确初始化、能否提供准确实时的液位检测控制命令等是影响整个 系统正常运行的很重要的因素。即上位机工作是否稳定从某种程度上就决定了 整个系统工作的可靠性。所以，在研究和设计过程中，对上位机的稳定性以及 上微机软件编程都做了很详尽的考虑。 基于以上考虑，选用工业控制计算机【1 5 】作为上位机，它不仅可以采集来 自检测过程中的模拟和数字数据，而且能向检测过程发出模拟和数字的控制信 号，能够更好的实现对检测过程的监控。 3 1 1 工控机在系统中实现的功能 ( 1 ) 检测和处理数据 对液位检测过程中的每个阶段的液位值进行规律性地或随机地显示、打印 记录，并且还可以对间接的指标或参数进行计算处理。 ( 2 ) 控制和设定参数 对于复杂的液位检测过程可以按一定顺序或特殊要求进行开始检测、停止 检测等操作，并可以对过程中所需参数进行精密数值设定和控制。 ( 3 ) 操作指导 在测量过程中，通过对测量结果的分析以及与预期目的的比较，对检测过 程提出改进建议，以方便操作人员执行或参考。 ( 4 ) 油厂管理或调度 通过对各个储罐的液位检测，了解全厂的液体储量和分布，及时作出采购、 2 1 系统的硬件设计 促销或者调度等管理。 3 1 2 工控机的特点 实时响应性强，可以在某一限定的时间内完成规定要处理的动作或事情， 并及时响应被控对象下位机随时发生的变化或请求；接口子系统配备比较 完善，为顺利完成液位检测、信号采集以及数据传输等提供了硬件保证；实时 控制软件比较完善，由于其本身配置较高，所以使实时操作系统和实时控制软 件包能够轻松运行，以更利于完成严格的实时处理；极高的可靠性，机器本身 以及所运行的系统都有着极高的稳定性和可靠性，避免了因计算机故障而引起 质量事故或生产事故。 3 2 下位机设计 下位机在整个系统中主要负责采集来自霍尔元件和压力传感器的电压信 号，并由此产生一定的控制信号控制步进电机转动，最终检测出液体的液位值， 然后进行显示、存储以及将液位值发送给上位机，另外下位机还可通过r s 4 8 5 串行通讯接口接收来自上位机的命令进行多种液位的检测。上位机所得数据的 准确性完全取决于下位机的测量精度以及检测过程的顺利运行，因此，下位机 工作是整个系统的核心工作，它的的稳定性决定了整个系统工作的可靠性。所 以，在设计原理图及对电子器件的选择时，都进行了精心的计算和参数选择， 在设计p c b 板时更是慎重考虑了电磁兼容和信号完整性等的问题。 3 2 1 下位机控制芯片 该系统的控制核心选用的是美国a t m e l 公司生产的a t m e g a l 6 1 ，它是一 款基于刚s c 的低功耗、高性能的8 位微控制器：具有8 位的计数器和1 6 位的 定时器；工作电压范围2 7 5 5 v ，电源抗干扰能力强；大多数指令执行时间为 单个时钟周期，具有最高m p s 能力的8 位单片机；1 6 k 字节可擦写万次可编 程f l a s h ，为在线编程提供极大的方便；5 2 1 字节的e e p r o m ，可掉电保存数据， 并为程序的编写下载提供了足够的存储空间；单片机带有八路十位的a d c ，可 以精确完成采样信号的模数转换；a t m e g a l 6 1 的内部具有r c 振荡器，使得该 单片机无需外加元件构成震荡电路即可工作；支持c 语言编程，程序可并行写 入，又可串行写入，还可以反复擦写，极大地方便了编程。基于以上优点使得 2 2 系统的硬件设计 a t m e g a l 6 1 很好的满足了本系统设计的要求。其主要性能参数【1 6 】见附录a 。 3 2 2 下位机主控电路 微处理器主控模块电路原理图如图2 6 所示，单片机系统时钟由外部晶体 振荡器提供，选择1 1 0 5 9 2 m h z 的晶体振荡器，并分别接于单片机的的外部晶 体振荡器输入、输出管脚x t a l l 和x t a l 2 ；为了使系统能够更加稳定的工作， 避免外界噪声干扰而导致时钟不准或者死机，在此选用3 0 p r 的电容与单片机 芯片内部振荡器的高增益反相放大器的反馈回路构成并联振荡电路；单片机系 统采用上电自动复位方式，并采用由基本原件电容和电阻构成复位电路，使单 片机芯片在系统上电的瞬间复位引脚为低电平，由于电容需要充电并需要一定 的过程，故能够保证在复位引脚持续2 个机器周期的低电平，使单片机芯片进 行复位操作，但是随着电容的不断充电，引脚最终被拉高；单片机芯片采用5 v 电源，在电源管脚并接一大一小两个电容，大电容主要用于滤除电源信号中的 低频干扰，小电容主要用于滤除电源信号中的高频干扰，同时也起着防止单片 机信号的波动对电源信号影响的作用，可以很好的避免电源中的噪声对系统工 作产生干扰，增强单片机芯片工作的稳定性。 图2 6 微处理器模块原理图 系统的硬件设计 3 2 3 电源供电电路 本系统由于要同时给微控制器及步进电机以及步进电机驱动器供电，故需 要所用+ 3 6v 、+ 1 2 v 、+ 5 v 三种电源，其产生过程如图3 7 所示，首先由2 2 0 v 交流电通过变压器转换为低压交流信号；然后通过整流桥电路全波整流，使其 由交流电变为直流电输出；由于这时直流电信号脉动极大，所以在整流后，再 接电容进行滤波，这里选用较大容量的电解电容，以使直流电压变得更加平滑； 但此时的电压信号中仍然还存在一定的纹波电压，为减小最终获得的电压信号 波动，故此时系统电源再利用三端稳压器l m 7 8 3 6 得到稳定的+ 3 6 v 直流电压 用来作为步进电机驱动器及系统其它电源的输入。系统的+ 1 2 v 电源用于给步 进电机供电，如图3 8 所示，它由可调三端稳压电源器l m 3 5 0 将+ 3 6v 降压得 到。控制系统的+ 5 v 电源由固定值三端稳压电源器件7 8 m 0 5 对+ 1 2 v 电压进行 降压得到，为单片机及其接口系统提供电源。 图3 7 电源3 6 v 电源模块 图3 8 电源1 2 v 、5 v 电源模块 2 4 系统的硬件设计 3 2 4 信号放大电路 此系统所用的放大器芯片是i n a l 2 1 。i n a l 2 1 是一款低功耗、高精度压差 放大芯片，它能够在单电源和双电源两种模式下工作。将压力传感器和霍尔传 感器输出的电压信号输入到i n a l 2 1 的3 引脚和2 引脚，放大器的放大倍数可 根据外接电阻进行调节，放大后的电压信号通过i n a l 2 1 的6 引脚输入到单片 机的a d 转换通道，实现放大功能。 3 2 5 信号采集与转换电路 利用a t m e g a l 6 1 单片机自带的1 0 位逐次逼近型a d c 模块直接实现a d 转 换。由于单片机内部的a d c 与模拟多路复用器连接，不用借助外部专门的a d 转换芯片，便可以对来自端口a 的单端输入电压直接进行采样。现场来的4 2 0 m a 电流信号经过信号放大电路转换为单片机可接受的0 - - 5v 电压信号后直 接接至单片机a 口引脚。同时对转换后的数字量进行标度变换、数字滤波等数 据处理，以增加数据的可信度、提高稳定性和抗干扰能力。 3 2 6l c d 显示和按键电路 系统中采用基于h d 4 4 7 8 0 液晶控制芯片的1 6 2 字符型l c d ，该器件内 置了字符产生器，能显示1 9 2 个常用字符( 包括阿拉伯数字和大小写英文字母) 和1 6 个用户自定义字符。它与a t m e g a l 6 1 的接1 2 1 如图3 1 0 所示，h d 4 4 7 8 0 的 数据总线d b 7 - d b 0 与a t m e