基于单片机的液面监控仪设计

李红春

（中石化江苏油建工程有限公司电力通讯公司，扬州225261）

1 引言

随着传感器技术、计算机技术、通信技术以及检测技术等的快速发展，在液面位置自动检测领域，各种形式的自动化系统被广泛应用[1-2]。在传感器技术、自动化技术、计算机技术、遥感技术等的推动下，液面位置自动检技术发展迅速，获得许多成果[3-4]。目前液面位置自动检测系统大多数通过计算机进行监控，而此时必须配备固定的人员进行监控[5]。大部分液面位置自动检测设备价格昂贵，对于一般工厂来说检测成本较高，安装后的维护成本也较高，进一步加重了工厂的负担。另外，有些设备的结构复杂，稳定性较差，仅安装就需要大量的人力物力。综上，如何让液面位置自动检测技术更加集成化、智能化、数字化，是一个亟待解决的问题。基于此设计了一种新型的基于单片机的高精度液面自动监控装置。

2 硬件设计

2.1 工作原理及硬件电路的选择

在此监控装置中，处理器采用单片机控制形式，液面信号经过转换后传送给单片机，单片机发出指令，经过转换后再发送给电机，其流程如图1所示。

图1 监控仪主体结构图

该设备包括欠压检测电路和断相检测电路。当待检测容器内无液体时，单片机控制电机停止工作；当欠压检测电路或断相检测电路检测到电源电压欠压或断开时，单片机控制电机停止工作。考虑到当待检测容器内液面的位置超过或低于警戒线，或发生电机使用故障时，所在系统需动用报警功能，该监控设备还设置有报警器。同时，如果系统发生故障，将会失去检测液面位置的功能，从而丧失控制液面位置的作用，这可能会造成较大的生产安全事故，所以该监控设备系统设置为：液面位置超过或低于警戒线时，高、低位置的警戒线处的电极直接向报警器发送报警信号，报警器获得该报警信号后立即做出反应，实现报警功能。

用到的主要传感器和芯片有单片机、液面水位传感器、A/D转换器以外，还用到了许多其他的元器件，见表1。

表1 系统中用到的传感器和主要芯片

系统选用了Atmel公司生产的AT89S8253单片机[6]。AT89S8253是一款功耗较低、性能较高的CMOS单片机，它采用了高密度生产加工形式，其上的存储器可进行在线编程，也可用作常规编辑器。该型单片机也可为众多嵌入式控制应用场合提供高性能的解决方案[7]。

IMP812是在低功耗微处理器 (μP)、微控制器(μC)和数字系统中用来监视3.0V、3.3V和5.0V电源工作的低功耗监控电路，各自都具有去抖动的手动复位输入。

图2 键盘与显示电路

2.2 人机接口电路与通信接口设计

(1)键盘设计

在该设计中，需要使仪器能够对液面进行实时显示，并可很方便地设计液面的上、下极限位置，这要求键盘中有用于参数设计的键位，分别由数字和字母组成。采用的方案为总共4行、每行4个的矩阵键盘和四位LED显示。行信号的输出和显示器的位选信号输出由P2口的低四位完成，列信号的读入口由P2口的高位来完成。接线情况如图2所示。

从图中可见，所采用的矩阵式键盘与P2连接，在没有键按下时，行线与和列线不相连，且行线的输入电平为高。当有键按下时，行线和列线短路，可在列线加一个扫描信号来确定按键位置。

(2)声光报警

设计的仪器需要在液面出现异常时做出报警反应。为了尽可能做到引人注意，选择声光报警方式。通过此种方式，报警不但可以看到，还伴有声响。在电路中，利用两个端口驱动声光报警器，输出报警信号。

声音报警电路的电路图如图3(a)所示,光报警电路则如图3(b)所示。

图3 声光报警电路

可见，在声音报警电路中，或门的一个脚与单片机AT89S8253的P1.0端相连，受P1.0脚输出的脉冲信号控制。

(3)通信接口

液面监控仪要求可以与上位机进行通信。实时通信功能采用AT89S8253单片机实现。由于单片机输出TTL电平，需对电平进行转换，使其与上位机达成一致。单片机接收到信号后，对数据进行采集与处理，由上位机发送命令给单片机，单片机将采集到的数据输送给上位机。接口电路如图4。

图4 RSM485与AT89S8253接口电路

3 软件设计

软件设计采取模块化思想，其优点是:易于实现，便于设计、调试与共享。系统在使用前，应进行初始化操作。初始化之前先进行开机自检，如无异常，则正常进行初始化。自检通常要在软、硬件两个层面进行。软件初始化为对堆栈及中断的安排及对变量存储单元的初始化等；硬件初始化是使各个硬件明确初始状态等。

(1)数据采集与处理程序

液面水位传感器采集到数据以后，将其转换成数字信号，由单片机进行数字滤波，过滤后的信号被输送给CPU,CPU再根据信号的输入情况进行显示或报警[8]。串行A/D具有体积小、硬件简单、占线少等优点，因此具有很大的优势。

系统的数据采集程序如下：

(2)键盘与显示程序

键盘可使用的键有16个（4×4结构），对各键进行定义，数字键为0～9，字母A为确定键，B为上限设置键，C为下限设置键，D为移位键，E为取消键，F为返回键。在设计键盘程序时，通常先通过一定的方式确定每个键的特征字。特征字与已按键的对应关系是唯一的，因此根据特征字可以识别键盘上所有的键。如果计算机先发送行信号，再读列信号，并经过拼装、求反，便可以得到各键的特征字，如表2。

表2 键盘字符与特征字对照表

在设计显示程序时，通常在片内RAM开辟一组显示缓冲区，专用于存放待显示的数据。本实验中，显示缓冲区选用50～53H四个单元，依次存放数据的高位到低位。

显示子程序如下：

(3)通信程序

单片机采用中断工作方式的远程通信，选用11.059MHz的晶振与上位机进行通信，保证波特率与上位机一致，避免生发收发错误[9]。

4 结束语

本设计中的液面监控系统，可实现液面位置实时工况显示、越限报警与控制、远程通信等功能。系统还设有控制键，用于手动开机与停机。应用单片机对液面位置进行控制之后，较好地解决了高性能与低成本之间的矛盾。系统构型简单、操作方便，且自动化程度较高，系统的软件硬件维护也较为方便，对降低劳动强度有很大作用。

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