简易液位测控系统设计

引 言

国民经济的发展离不开工业供水系统，我国的工业水箱和锅炉数量高达上百万台 [1]。液位检测仪广泛用于石油、化工、工业生活用水等领域 [2]。液位检测是过程控制领域的重要组成部分 [3]，液位控制是工业生产中不可或缺的一部分，对节约资源、安全生产等至关重要 [4]。因此，需以液位为研究对象以及对液位进行实时准确的测量，以保障正常生产 [5-6]。

1 系统设计

系统基于 TI 公司单片机 MSP430F5529 设计，包括传感器检测模块、传感器输出信号变换模块、时钟模块、显示模块、按键设置模块、直流水泵驱动模块、光耦隔离模块等。系统设计框图如图 1 所示。

图 1 液位测控系统设计框图

系统在不同的测试环境下先进行参数调试，在误差允许范围内，调试完毕后，即可在特定环境下正常使用。

2 硬件设计

2.1 单片机最小系统电路

单片机主要采用 TI 公司设计生产的 MSP430F5529 单片机，该型号单片机时钟频率高、内存大，可满足系统采集模块对速率和缓冲的要求。单片机外围由时钟模块、复位模块、电源等构成。

2.2 数据采集模块

数据采集选用电容传感器，将柔性 PCB 紧密贴在容器外侧。传感器较窄一端采用 FPC 接插件，可以直接连接在FDC2214 传感器信号采集模块的输入接口端。传感器输出信号变换模块的核心芯片为 FDC2214，其它电路器件均属芯片的外围电路，包括电感、晶振和电容等。关键器件参数 ：晶振为 40 MHz，外接电感为 18 μH，电容为 33 pF。其中，最核心的数据变换模块电路原理如图 2 所示。FDC2214 芯片的 4 个测量通道由待测电容、外接电感 L 和电容 C，以及芯片内部的振荡电路、驱动电路组成，待测电容不同，则振荡频率不同，数据采集端子如图 2 中的 P1 所示。FDC2214 每个通道在 A/D 转换后的数值量化结果存在对应通道的寄存器里。上位机数据处理中心 MSP430F5529LP 通过 I2C 与FDC2214 通信，定时读取 FDC2214 寄存器数据，系统主要使用图 2 所示的 SDA，SCL 进行 I2C 通信。

2.3 光耦隔离与驱动模块

系统控制信号输出后，控制开关电路工作，开关电路进一步控制直流水泵的正常工作。为保障系统安全，考虑如下两种方案 ：

(1) 采用半桥驱动芯片，如 IR2104 与 NMOS管配合搭建半桥。

(2) 采用光耦芯片，如 6N137与 N沟道 MOS管配合驱动无刷电机。

综合考虑后，选择光耦芯片与 NMOS 配合的方案，原因在于光耦芯片 6N137 抗外界干扰能力强， 且该水泵工作电压不高，工作电流小，功率小，因此采用功耗更低的180N10N 芯片。光耦隔离模块如图 3 所示，驱动模块如图 4 所示。

2.4 按键与显示模块

按键模块采用典型的 4×4 矩阵阵列模式。显示模块考虑如下 2 种方式 ：

(1) LCD1602。1602液晶也被称为 1602字符型液晶， 它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。其由若干个 5×7或者 5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间亦有间隔，起到了字符间距和行间距的作用， 但不能很好地显示图形和汉字。

(2) LCD12864。带中文字库的 128X64-0402B每屏可显示 4 行 8 列共 32 个 16×16 点阵的汉字，每个显示 RAM 可显示 1 个中文字符或 2 个 16×8 点阵全高 ASCII 码字符，即每屏最多可实现 32 个中文字符或 64 个 ASCII 码字符的显示。带中文字库的 128X64-0402B 内部提供 128×2 B 的字符显示RAM 缓冲区（DDRAM）。字符显示通过将字符显示编码写入该字符显示 RAM 实现。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示 CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII 码字库）及 CGRAM（自定义字形）的内容。

考虑到显示效果和操作便捷性，系统选用 LCD12864。屏幕功能的排版设定 ：第一行显示液位的测量高度 ；第二行显示当前所按下的数字按键 ；第三行显示液位的目标高度 ； 第四行显示目前的运行状态。

3 软件设计

3.1 软件编译开发环境

CCS（Code Composer Studio，CCS）是美国德州仪器公司（Texas Instrument）出品的代码开发和调试套件。TI 公司的产品线中有一大块业务是数字信号处理器（DSP）和微处理器（MCU），CCS 便是供用户开发和调试 DSP 和 MCU程序的集成开发软件。Code Composer Studio IDE 提供强健、成熟的核心功能与简便易用的配置和图形可视化工具，使系统设计更便捷。

3.2 按键扫描程序设计

4×4键盘设计中 1 ～9 键用以调节目标水位，控制目标水位为按键数字值乘 10mm的水位，即按数字 5，目标水位为 50mm。“A，B”键用来控制系统运行和待机，当按下 A之后，屏幕显示当前水位与运行状态，按下 B 后，屏幕当前水位与运行状态关闭，同时水泵停止注水。“*，#”用以微调目标水位高度，按下“*”键后目标水位减 1 mm，按下“#” 键后目标水位加 1 mm。“C，D”键用以调节水位计算误差。每次开启系统时，因为环境的改变，记录在单片机程序里的计算水位程序可能产生几毫米的误差，为了减少误差，加入了手动调节误差功能。按下“C”键计算水位加 1 mm，按下“D”键计算水位减1 mm。0 键则是用来维持当前水泵的抽水速度， 液面稳定便于调节水位误差。

3.3 系统软件设计

在设计系统软件的控制程序时，考虑以下两种方案 ：

(1) 采用 PID控制算法来调节输出 PWM波的占空比， 进而控制抽水速度 ；

(2) 采用 PID控制算法分段调节输出 PWM波的占空比，进而控制抽水速度。

经验证，采用第一种方案调节速度较慢，而且超调量大 ； 采用第二种方案能够较快调节液面高度并最终使液面高度在 期望值上下较小波动，且超调量小，故系统软件设计采用第 二种方案。PID控制算法采用增量式 PID 控制，因为驱动对象是水泵的电机，而对于电机控制，执行机构需要控制量的 增量，因此通过该增量来控制电机抽水的速度。位置式 PID 一般输出值能够直接控制对象，例如阀门等。初始阶段，采 用基本 PID进行调节，当被控液面接近目标值时，对积分系数进行大幅度削弱，再进行 PID调节，不仅能减少因积分作用而引起的超调量过大影响，同时又能消除稳态误差。离散PID[7]：

在代码中，T 取 1，Kp，Ti，Td 由调试得到，输出的 Δu增加到调节 PWM 的占空比参数上，用于调节水泵抽水的速度，直到液位高度到达目标液位，此时 Δu=0，水泵抽水速度基本稳定在一个范围内，液面平稳。系统软件设计流程如图 5 所示。

4 结 语

在实际调试过程中，PID 控制难以调试。理论上 PID 的 Kp 值越大，超调越大，静态误差减小 ；Ki 值越大，超调越大，静态误差消除 ；Kd 值越大，超调减小。系统硬件设计简单，软件容易操作和调试，系统价格低廉，为工业生产体系中的液位检测环节提供了简单易行的测控系统方案。