基于MSP430电感式传感技术的水位控制器设计

刘洪波，张照伟，高华婷 ，田大军，贾荣华

（1.济南正平自动化设备有限公司，山东济南，250101；2.济南升平软件有限公司，山东济南，250101）

1 研究背景

近些年来，国内医学技术快速发展，老百姓对健康的要求越来越高，意味着医学技术及医疗设备的需要也有很大的提升，尤其对医疗消毒和灭菌技术的要求也有了更大的需求，相对应的对医疗设备的要求也必须提高，过去一台消毒灭菌设备可能使用几年甚至十几年都能满足要求，现在老百姓看病和去医院的频次大幅提高，导致医疗灭菌设备的使用年限大大减小了，在消毒灭菌方面也必须提出新的技术和方法，科学合理的使用灭菌设备，提高和更新新的技术，促使现代医疗器械的消毒灭菌技术得到快速发展，本系统设计的电感式传感技术的水位控制器就是在此背景下应运产生的。

基于MSP430的电感式传感技术的水位控制器是用在电热蒸汽发生器里面，电热蒸汽发生器既所谓的电锅炉，利用电加热电阻丝的方式把水加热成蒸汽的医疗设备，广泛应用在医疗消毒、灭菌等场合。水位控制器是电蒸汽发生器的核心系统，传统的测量水位方式是利用电极弹针来检测水位，现如今因对医疗灭菌设备的高要求，电热蒸汽发生器需采用超纯水，超纯水应是清洁、无腐蚀性、无杂质的清水，这样更能符合杀毒灭菌的高要求。之前使用的电蒸汽水一般使用经水处理后的软水或经过滤池过滤的水对水位控制器的电极应定期清洗 ,容易使电极积垢使电控失灵，另外就是现在对消毒灭菌的要求已大大提高，过去普通软水是无法达到现在科学医疗的要求，超纯水水质已经发生变化，已经无法利用水的导电性能测量水位的高低，也就无法控制注水泵的供水和电加热系统进行加热。本系统利用完整模拟前端电感数字转换器，此转换器经过优化，可用于诸如存在性检测和事件计数等非接触式应用中的工业接近传感器，测量的数值快速转为电感数字集成到终端设备系统，具有广泛的应用市场。

2 系统原理与结构

医学上的杀毒灭菌技术是将所有微生物全部杀死来防止病人感染的办法，在医院里开展医疗科研、治疗等工作,也离不开杀毒灭菌设备,如何科学有效的灭菌消毒,是多年来一直研究的问题。长期以来医疗行业都是采用压力蒸汽灭菌的方式，该方式需要在一个密封耐高压环境容器中用电加热进行，故还得需要一种系统能监测高压密封容器内的水位高低，不至于因为水位过低而烧坏电热蒸汽发生器。

感应线性位置传感器的基本原理与涡流现象有关，本系统是利用电磁感应技术取代机械触点，由于传统机械触点无法在高压密封环境中得到应用或者是会受到影响，本系统的基本原理是通过线圈的交流电流产生交流磁场，当金属物体接近线圈时，则震荡磁场就脉冲变化，产生的脉冲信号变化会影响原始磁场形成涡流损耗，这种反应就改变了线圈的特性，线圈的电阻和电感就会发生相应的变化，LDC1101前端电路通过将闭环结构中的震荡幅度调节到一个核定的水平来完成检测谐振器所消耗的能量，通过检测线圈的功率，LDC1101前端电路就可以确定损耗的电阻值。

系统主要包括MSP430、LM1117稳压芯片及稳压电路、上位机电脑、LDC1101前端电感数字转换器及放置于电热蒸汽发生器内部前端印刷电路板线圈及空心铜球组成的机械部分，首先是单片机MSP430给LDC1101前端电感数字转换器维持高频率的电流信号，当置于水面的铜球浮起的时候会慢慢接近印刷电路板的线圈，等铜球接近或者位于印刷电路板线圈中央位置时，铜球会切割印刷电路板的线圈磁感线，这时LDC1101前段电感数字转换器就会将信号转换为数字信号给单片机MSP430，单片机MSP430就会将所得数据通过USB将数据上传到上位机电脑实时显示出来，这样就可以大体判断电热蒸汽发生器内水位的高低，等检测不到水位信号时，通过上位机即可通过注水泵给电热发生器注水，不会因为电热蒸汽发生器水位过低干涸而烧坏设备。图1是系统整体结构框图。

3 系统功能组成

系统核心部分主要有单片机MSP430、LM1117稳压芯片及稳压电路、上位机电脑软件、LDC1101前端电感数字转换器及放置于电热蒸汽发生器内部前端印刷电路板线圈及铜球组成的机械部分，本系统主要创新部分是MSP430单片机及LDC1101前段电感数字转换器及放置于电热蒸汽发生器内部前段印刷电路线圈及空心铜球部分，其中位于电热发生器内的部分是利用非金属材料将电感接近传感器及前端电路的印刷电路板线圈密封固定好合适位置，在线圈中心放置一个非金属筒装腔体，在腔体内设计一个铜的空心球，可漂浮于水面上。此参考设计使用1.8V～3.3V 高分辨率、高速电感数字转换器，提供可编程决策阈值设置和宽泛的传感器频率范围。

MSP430单片机作为LDC1101传感器和USB接口之间的桥梁，LDC1101利用电脑的应用界面进行设备配置和检测转换结果，转换数据可以在系统应用界面进行处理和分析。

■3.1 单片机及稳压电源

本系统采用单片机MSP430作为主控制器，此设备采用USB供电形式，同时USB也肩负着将数据上传到PC电脑的功能，低功耗性能就需要要求整体系统尽可能都采用低耗电元器件，另外，MSP430单片机是一种功能齐全的单片机，外设种类多，完全满足系统设计要求。

稳压电源管理电路是采用LM1117低压差电压调节器，该元件具有输入电压5V和标称电压为5V的标准USB端口供电，另外LM1117输出电压可调，通过调节外部2个电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围，另外还有电流限制和热保护功能，系统中LM1117电源芯片提供MSP430单片机电源需求和LDC1101传感器的3.3V输出功能，系统电源电路简单稳定，完全满足系统电源的要求。

■3.2 LDC1101前端电路

传感器就是系统控制的神经系统，好的传感器可以提供更准确的信号，但是可输出传感器是无法控制过程的，当应用系统需要在传感器表面很近的范围内检测技术目标时，感应式非接触传感器就很适合这样情况，此外，该传感器具有在恶劣环境条件下可靠工作的检测记录，它是一种非接触式，不受磁场环境影响的特性，且具有很高的可靠性，此传感器完全可以取代机械开关来实现水位监测的功能，另外可以利用其可编程行设置阈值和传感器偏离表范围，用检测阈值调整到所期望的检测距离。LDC1101具有高分辨率和低成本行，即使在恶劣环境中也可以实现近距离传感，LDC1101采用印刷电路板线圈作为传感器，为系统提供更可靠性和高性能的解决办法，LDC1101的SPI与单片机通信，然后用PC电脑的LabVIEW的用户界面通信，具有中断功能，能够满足本系统的要求。图2是LDC1101前端电路图。

图2 LDC1101前端电路图

LDC1101 是工作电压介于1.8～3.3V之间、具有高分辨率的电感数字转换器，可对位置、旋转或运动进行短距离、高速、无触点感测，能够实现可靠、精确的测量，非常适合户外或环境苛刻的地方。LDC1101支持各种电感/电容(LC)组合，振荡频率范围为500kHz～10MHz且RP范围为1.25kΩ～90kΩ。系统通过4线SPI进行配置和检索转换结果。电路上配置了一个15nF的电容元件，用于内部LDO旁路和VDD电源旁路。

■3.3 线圈及空心铜球

系统中线圈及空心铜球通过非金属材料固定于离电热发生器中央位置，远离电热发生器金属壳体，防止影响系统的检测与可靠性，线圈主要就是印刷电路板的线圈，在印刷电路板的中心位置是置空部分，用于放置非金属耐高温材料设计的空心筒状腔体，空心筒状腔体的直径15cm,高度是30cm，空心铜球的直径是10cm,下方和上方均有小于空心铜球直径的过孔，将设计的能浮于水面的空心铜球置于腔体内部，腔体内的铜球能随着电热发生器内部水位的高低而上下移动。固定腔体和印刷电路板的线圈根据阈值多次测量固定好位置，这样就能通过空心铜球随着水面的高低监测电热发生器内部水位的高低，当高于水面位置和低于水面位置时都能够触发报警，通过注水泵来调整电热发生器内部水位。

4 小结

本方案设计的新型电热发生器电磁传感器水位控制器，比传统的水位控制器应用于更加苛刻的环境，设计方案巧妙，能够实现对电热蒸汽发生器水位的自动检测和控制，尤其是适合高温或封闭环境中使用的理想技术，而且成本低，体积小巧易于安装。本系统设计的电热蒸汽发生器水位控制器能够替代传统的一般探针及利用电导率监测水位的水位控制器，可广泛应用在高温蒸汽灭菌器设备上，经过多次试验和应用运行稳定可靠，也没有烧坏电热蒸汽发生器的事故，同时使现代医疗器械的消毒灭菌技术得到了很大的提升，具有很大的市场前景。