宋長軍

（渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南 714000）

多適應(yīng)性遠(yuǎn)程無人液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋長軍

（渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 渭南 714000）

針對(duì)高寒、偏遠(yuǎn)、有毒、放射性、易燃易爆等條件下，依靠人工難以完成液位控制的問題，提出了多適應(yīng)性遠(yuǎn)程無人液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)構(gòu)成。下位機(jī)由STC89C52主控芯片、超聲波液位監(jiān)測和ULN2429A液面測量單元，液位自動(dòng)控制模塊、GPRS通訊模塊等構(gòu)成。液位測量模塊對(duì)液位不斷進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)將液位信息通過GPRS模塊實(shí)時(shí)傳送回上位機(jī)。當(dāng)液位低于工作下限時(shí)，主控芯片控制液體自動(dòng)控制模塊回注液體。系統(tǒng)能夠?qū)?dǎo)電和非導(dǎo)電多種性質(zhì)的液體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人控制，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

STC89C52；GPRS；SIM300；無人監(jiān)測；液位控制

在石油化工、水利水電、農(nóng)田灌溉、環(huán)境監(jiān)測以及食品加工等眾多行業(yè)中，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測液位是生產(chǎn)生活正常進(jìn)行的必須條件。目前較為常用的液位測量儀主要有浮力式液位計(jì)、差壓式液位計(jì)、磁性翻板液位計(jì)、超聲波液位計(jì)等[1-3]。由人工在現(xiàn)場完成液位測量。但面對(duì)一些特殊場合，特別是在高寒、偏遠(yuǎn)、有毒、放射性、易燃易爆等條件下，由人工監(jiān)測液位難以完成。針對(duì)這一問題，研究設(shè)計(jì)可適應(yīng)導(dǎo)電、非導(dǎo)電多種性質(zhì)的液體（如油和水），同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)液體自動(dòng)加注的遠(yuǎn)程無人液位控制系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)主要是接收下位機(jī)上報(bào)的液位信息，并提供友好的可視化操作界面。下位機(jī)主要由STC89C52主控芯片[4-5]、液位監(jiān)測及自動(dòng)控制模塊、GPRS通訊模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)工作流程

2.1 下位機(jī)

上電自檢完成后，液位監(jiān)測模塊開始工。溫度檢測模塊檢測出現(xiàn)場環(huán)境溫度，把采集的溫度數(shù)據(jù)傳送給主控芯片，而后主控芯片控制溫度補(bǔ)償程序?qū)Τ暡ǖ膫鞑ニ俣冗M(jìn)行調(diào)整，以提高檢測精度。超聲波測量單元持續(xù)工作，并不斷將液位信息通過GPRS模塊實(shí)時(shí)傳送回上位機(jī)。植入式液位測量單元工作，如果液位低于工作下限，則通過GPRS模塊發(fā)送報(bào)警信息至上位機(jī)，同時(shí)向主控芯片發(fā)出信號(hào)，由主控芯片控制液體自動(dòng)控制模塊注入液體。主控芯片隨時(shí)通過GPRS模塊接收上位機(jī)控制信號(hào)，并執(zhí)行相應(yīng)操作。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)接收下位機(jī)傳回的實(shí)時(shí)液位信息。根據(jù)液位下降速度估算剩余工作時(shí)間，為管理員提供加注液體預(yù)警信息。當(dāng)接收到液位過低報(bào)警時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通過GPRS單元發(fā)出加注液體信號(hào)，控制下位機(jī)液體自動(dòng)控制單元工作，實(shí)現(xiàn)液體加注。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 液位監(jiān)測模塊

系統(tǒng)中采用2種技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的監(jiān)測，分別是超聲波液位測量單元和ULN2429A液面測量單元。

超聲波液位測量技術(shù)不需要在流體測量中插入其他測量元件，適合多種液體測量，特別是高黏度、強(qiáng)腐蝕，非導(dǎo)電性的液體液位測量[6-8]。在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)超聲波液位測量單元可大大提高對(duì)多種液體的適應(yīng)性。超聲波液位測量單元主要用于精確測量液位，特別是與上位機(jī)軟件結(jié)合使用，可以液位下降趨勢預(yù)測功能。超聲波發(fā)射單元連接直P1.0引腳。超聲波接收單元選用CX20106A芯片[9-10]，連接至P2.7引腳。鑒于超聲波傳播速度易受溫度影響，因此需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路，在此選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測定現(xiàn)場實(shí)時(shí)溫度[11]，而后由主控芯片結(jié)合超聲波傳播速度與溫度之間的比對(duì)關(guān)系實(shí)時(shí)調(diào)整聲速。其電路連接至P0.1引腳。超聲波液位測量單元電路原理如圖2所示。

圖2 超聲波液位測量電路原理圖

ULN2429A是一種單片式液面監(jiān)測專用集成電路，既可檢測導(dǎo)電液體和弱導(dǎo)電液體的液面，又可檢測非導(dǎo)電液體的液面。它具有外圍元件少、可靠性高、調(diào)整簡單、使用方便等特點(diǎn)。ULN2429A植入式液位測量單元可實(shí)現(xiàn)極低液位報(bào)警，及驅(qū)動(dòng)加注泵加注液體功能。ULN2429A集成電路有14個(gè)引腳，其中9為液位檢測輸入端，1和14為輸出端。在測量液面時(shí)，將A、B兩個(gè)探測電極置于液體下，如果是非導(dǎo)電液體時(shí)，通過檢測液體的相對(duì)介電常數(shù)的變化引進(jìn)探測電極A、B間電容量的變化來確定液位；如是導(dǎo)電液體時(shí)，則根據(jù)A、B間的電阻值變化來確定。液體浸沒電極A、B時(shí)，遇P1.3引腳輸出低電平，反之P1.3引腳輸出高電平。其構(gòu)成電路原理如圖3所示。

3.2 液位自動(dòng)控制模塊

在設(shè)有備用液體貯存罐的場合，當(dāng)檢測到液位達(dá)到工作下限時(shí)，液位自動(dòng)控制模塊在主控芯片自主驅(qū)動(dòng)，或是由上位機(jī)發(fā)出信號(hào)，通過GPRS通信模塊接收加注指令后驅(qū)動(dòng)加注泵工作，從而實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)功能。三極管Q1與STC89C52單片機(jī)P0.7引腳連接，接到加注指令后，P0.7引腳輸出低電，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器通電吸合，抽水電動(dòng)機(jī)開始工作，完成加注液體工作。其構(gòu)成電路原理如圖4所示。

3.3 GPRS通訊模塊

在系統(tǒng)中，GPRS通訊模塊一方面完成液位信息實(shí)時(shí)傳遞，另一方面接收上位機(jī)的指令。GPRS模塊選用SIM300[12-15]。該芯片具有體積小、即插即用、完善的三頻/四頻，主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。它集成了完整的射頻電路和GSM基帶處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。SIM300芯片連接如圖5所示。

圖3 ULN2429A液位測量電路原理圖

圖4 液位自動(dòng)控制模塊電路原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 超聲波測距算法

超聲波發(fā)射單元在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波信號(hào)遇到被測物體后被反射回來，此時(shí)將為超聲波接收器所接收。顯然知道了超聲波從發(fā)射到反射后被接收的時(shí)間即可算出超聲波發(fā)射器與反射物之間的距離。其計(jì)算公式為：

圖5 SIM300芯片連接示意圖

其中：d為距離；S為探測頭距離液面的距離；c為超聲波的傳播速度；t為聲波來回所用時(shí)間。

4.2 液體消耗預(yù)測

設(shè)計(jì)液位預(yù)測功能，主要目的在于告知管理人員現(xiàn)場液體消耗情況，以便能夠提前做好應(yīng)對(duì)，避免發(fā)生意外。實(shí)現(xiàn)液位預(yù)測只需要掌握現(xiàn)場容器的形狀及體積，而后根據(jù)實(shí)時(shí)回傳的液位數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)液體消耗預(yù)測。

5 結(jié)束語

基于STC89C52和GPRS的遠(yuǎn)程無人液位控制系統(tǒng)，采用技術(shù)成熟，元件便宜，設(shè)計(jì)冗余度高，系統(tǒng)部署方便，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。與傳統(tǒng)液位測量手段相比，基于AT89C51和GPRS的遠(yuǎn)程無人液位控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是測量方式遠(yuǎn)程化，通過GPRS通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了液位信息的遠(yuǎn)程測量，減少了對(duì)人力資源的耗費(fèi)；二是測量手段多樣化，運(yùn)用超聲波測量技術(shù)和植入式測量技術(shù)，可適應(yīng)多種性質(zhì)的液位測量任務(wù)和各種惡劣的工作環(huán)境；三是測量信息實(shí)時(shí)化，隨時(shí)掌握待測液體信息；四是液位控制精確化，可以在液位低于工作位置后，立即驅(qū)動(dòng)加注泵

進(jìn)行液體補(bǔ)入，防止生產(chǎn)事故發(fā)生。

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The design of remote level of liquid controlled system with multi-adaptive and unmanned

SONG Chang-jun
（Weinan Vocational&Technical College，Weinan 714000，China）

Aiming at the problems of artificial controlled liquid level in the cold，remote，toxic，radioactive，inflammable and explosive conditions，the design of multi-adaptive remote unmanned liquid level control system is proposed.The system is composed of upper and lower machine.The lower machine is composed of STC89C52 MCU，liquid level measurement unit with ultrasonic and liquid level measurement unit with ULN2429A，liquid level automatic control module，GPRS communication module and so on.The liquid level measurement module is used to monitor the liquid level and the liquid level information is transmitted back to the upper machine through the GPRS module.When the level is below the limit，the main control chip to control the liquid injection liquid automatic control module.The system can realize the remote control of the electric and non electric liquids，which has a certain practical value.

STC89C52；GPRS；SIM300；unmanned monitoring；liquid level control

TN912.2

：A

：1674－6236（2017）01-0119-04

2015-12-21稿件編號(hào)：201512220

宋長軍（1976—），男，陜西蒲城人，碩士，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、圖像檢索等。