精密水位传感器测试系统研制

徐冬寅

（江苏畜牧兽医职业技术学院，江苏 泰州 225300）

精密水位传感器测试系统研制

徐冬寅

（江苏畜牧兽医职业技术学院，江苏 泰州 225300）

针对洗衣机用水位传感器质量检测中存在的问题，开发了基于CAN(Controller Area Network)总线的精密水位传感器检测系统。在上位计算机与前端测控模块之间的通信中，采用现场总线CAN网络技术。由于实现了系统冗余，系统具有安全可靠、功能完善、操作简便、性能价格比高等优点，成功实现了洗衣机用水位传感器检测的自动化，取得了较好的经济效益。

传感器；冗余；现场总线控制系统(FCS)；局域控制网(CAN)

水位传感器[1]在当今的洗衣机制造领域中已经得到了广泛使用。根据水位传感器生产和使用过程中质量控制的要求，需要检测其液位-频率特性。当前国内的该行业大多数作业单位仍使用指针式或数字式仪表，测试过程需人工读数、记录、手工绘制其液位-频率特性曲线，操作人员工作负荷繁重。传统检测方法效率低，精度差，可靠性不高，不能实现水位传感器的整体性能分析，远不能满足现代大规模生产的要求。

本文利用传感器技术[2]以及CAN现场总线技术[3]，结合工厂实际需要，研制了精密水位传感器测试系统，实现检测数据的实时显示、液位-频率特性的查询、曲线自动生成以及报表管理等，整个系统操作简单、稳定性好、自动化程度高，大大提高了工作效率和测试质量，同时减少了操作工人数和劳动强度，对提高洗衣机用水位传感器制造技术和检测技术的发展具有积极的作用。

1 系统检测原理及组成

洗衣机用水位传感器的工作原理是将水位高度的变化通过空气压力转换成传感器内部膜片上压力的变化，从而导致传感器输出电感L的变化, 将水位传感器输出电感与外部电路组成LC振荡电路，就可将电感的变化转换成振荡频率的变化, 不同的水位高度通过水位传感器可以产生不同频率的脉冲信号，通过检测该脉冲信号频率与水位高度的对应关系, 就可实现水位传感器的质量检测。

测试系统要求在不同的水位高度时，准确测量出由水位传感器输出的脉冲信号的频率，并根据要求实时绘制液位-频率曲线，实现相应的查询及报表打印功能。系统中选用了伺服电动机作为主电机来实现精确定位，电机的输出通过减速机构与执行机构相连，最后带动细钢管在水箱中上下移动实现管内水位高度的变化，通过编码器对水位高度实时检测，频率的实时检测由单片计算机计数器来完成。系统控制原理框图如图1所示。

前端测控模块既可作为系统的一个组成部分，与上位监控计算机实时通信，完成参数的设置，手动远程控制，将采集的数据上传等工作。它也可以独立工作，即在上位监控计算机因故停止工作的情况下，前端测控模块仍可以正常运行，从而在不增加设备投入的情况下实现了系统的冗余，提高了系统的可靠性。同时，由于系统降低了对上位计算机可靠性的要求，因此上位机可以采用普通的PC机来代替工业控制计算机，降低了系统的成本。

系统中的上位计算机主要完成人机对话和系统管理功能。可实现水位上升、下降高度等分段测试参数的设定和修改；实际水位高度、水位传感器输出脉冲信号频率的实时显示；对下位测控模块上传的数据进行数据库管理，实现数据的查询和打印等；并可对工作进程进行实时监控。对执行机构进行手动远程控制。

2 前端测控模块硬件设计

系统前端测控模块采用PIC18F458[4]单片机控制，由电源电路、复位电路、LCD/LED显示电路、CAN接口电路、脉冲整形电路、分段参数保存电路(EEPROM：Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等组成，如图2所示。

水位传感器输出脉冲信号频率的测量。单片机的定时/计数器-1在规定的时间内(如1s)对脉冲信号进行计数，则1s时间到后，定时/计数器-1所计脉冲数就是所要测量的脉冲信号频率的大小。

水位高度的测量主要是通过编码器来完成,编码器的A相信号送至单片机的外部中断-1，在外部中断-1处理程序中对A相脉冲进行计数（若此时B相脉冲为高电平，则计数增1；若此时B相脉冲为低电平，则计数减1）。当电动机转动时，编码器脉冲计数值就会不断累加。通过传动机构的合理设置, 每个脉冲对应0.25mm 的水位高度变化, 那么所计数的编码器脉冲数值经过编程计算, 就可得出实际水位高度的变化。

伺服电机驱动。我们利用PIC18F458内部包含的PWM (Pulse Width Modulation)模块产生1KHz脉冲信号，送至伺服电机驱动电路，与其他控制信号相配合，驱动伺服电机根据要求实现快速、慢速、精确定位等动作。

系统通讯。利用PIC18F458内部包含的CAN通讯模块进行，从而简化了系统硬件和软件设计。

用户在上位监控计算机进行的各项参数设置（如分段液位参数等），通过CAN现场总线保存在EEPROM中，LCD显示器采用128×64图形点阵史液晶显示器，可实时显示当前水位以及对应的水位传感器输出脉冲信号频率，LED显示器指示系统当前的工作状态（水位上升、下降、水平面指示等）；测控模块在脱离上位监控计算机的状态下，可以读取EEPROM中的分段参数,独立实现正常的测控功能。

系统为提高抗干扰能力，增加了相应的光电隔离电路（CAN通讯电路，按钮/限位开关电路，脉冲输入电路，控制信号输出电路等）。

3 前端测控模块软件设计

前端测控模块软件的程序采用C18[5]和汇编语言混合编程，包括初始化程序、独立测控模式和联机测控模式三大部分。

初始化程序主要完成各端口的初始化、CAN通讯接口初始化。其中CAN通讯接口初始化包括CAN工作方式的配置，接收滤波器的设置，接收屏蔽寄存器的设置，波特率参数设置，发送优先级和中断允许寄存器的设置等。其流程图如图4所示。

独立测控模式主要实现前端测控模块独立运行。当测控模块工作于此模式时，一方面根据EEPROM中保存的设置值（上次联机时设定的值）进行测控，同时，每次循环向上位监控计算机发送一次联机请求，如果联机成功，则进入联机测控模式，否则，仍然工作于独立测控模式。其流程如图5所示。

联机测控模式除了完成独立测控模式各项功能以外，还能与上位监控计算机进行实时通信，完成各参数的远程设定、各执行装置的手动远程控制、将采集的数据上传等工作。其流程如图6所示。

4 上位监控软件设计

系统的上位监控软件采用Visual C++语言编写而成，实现了完备的参数设置、显示、查询、报表和帮助等功能，具体有：

（1）测试画面显示，可显示系统实时测量值，如水位值和水位传感器输出脉冲信号的频率值等。

（2）水位-频率特性曲线，根据前端测控模块上传的水位值和水位传感器输出信号的频率值，实时绘制水位传感器的水位-频率特性曲线。

（3）查询报表,可通过查询得出特定传感器的测试参数，并绘制相应的水位-频率特性曲线，生成打印报表。

（4）参数修改、口令设置及帮助等功能。

5 结束语

将传感器技术和CAN现场总线技术应用于水位传感器检测系统，极大地提高了水位传感器检测的可靠性和工作效率。本系统成功开发以来, 已先后在多家为洗衣机生产厂家配套的水位传感器生产厂家投入使用，系统稳定可靠，经济效益十分明显，同时，因其操作简单、测试效率高，测试数据精确等特点，受到用户的普遍好评。

本系统创新点：（1）本系统首次将传感器技术以及CAN现场总线技术应用于水位传感器的质量检测, 实现了水位传感器质量检测的自动化，代替了原来工人既费力又费时的纯手动操作, 既提高了测量精度，又提高了生产效率；（2）巧妙地利用细钢管在水箱中的上下移动来模拟水位的变化, 而不是真正改变水箱中的水位；（3）系统采用了CAN现场总线进行通讯，很容易进行扩展，从而实现水位传感器测控系统的FCS[6](Fieldbus Control System)化。

[1] 双维.传感器技术[M].北京:中国计量出版社,2005.

[2] Ramon Pallas-Areny John G.Webster.传感器和信号调节(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3] 饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[4] 刘和平.PIC18Fxxx单片机原理及接口程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[5] Microchip.MPLAB® C18 C COMPILER LIBRARIES [Microchip Data Sheet][Z].2003:21-77.

[6] 李正军.现场总线及其应用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

Precise Test System for Water Position Sensor

XU Dong-yin
(Jiangsu Animal Husbandry&Veterinary College, Taizhou Jiangsu 225300, China)

This paper analyzes the status and problems existing in the test system of water position sensor, precise test system of water position sensor is developed by using CAN(Controller Area Network) bus. CAN FieldBus is adopted in the communication between the host computer and monitoring modules. Because of the realizing of the redundancy system, this system has advantages of safety, reliability, perfect function, convenience operation and high price performance. The automation technology in course of testing water position sensor is greatly improved and remarkable economy bene f t is gained.

sensor; redundancy system; FCS(Fieldbus Control System); CAN(Controller Area Network)

TP273

A

1671-0142(2010)01-0014-03

徐冬寅(1974-),男,江苏泰州人,讲师,硕士在读,研究方向为计算机应用.

（责任编辑 刘 红）