基于LabVIEW 的多通道液位监控系统

王瑜，赵宇梵，张浩男

（西安航空学院机械工程学院，陕西西安 710077）

随着现代化建设的飞速发展，在工业生产中[1]，对锅炉液位、油罐液位、化工原料液位等进行实时监测和实时反馈，是确保安全生产的重要环节。因为被测量的液体具有腐蚀性、毒性和刺激性，因此无法通过人工手段获得[2]。在生活中，对液位监控的需求也越来越多，例如高端鱼缸需要加入液位监控系统确保自动换水功能[3]。在现代控制领域，不仅需要对液位进行实时监测和报警[4]，而且往往还需要对系统进行自动调整，确保整个系统正常运转。新的液位监测系统趋向于方便、自动化、智能化，可以监控多通道液位状况[5]，有利于提高检测精度和满足生产需求。为了改进传统的液位监控系统，国内外学者们开展了大量研究工作，朱常荣等采用NRF905 收发模块设计了远程液位监控系统[6]。梁霄等针对现有液位检测技术中传感器布置容易受空间限制，在高温高压、灰尘、潮湿等特殊环境下传感器寿命短等问题，提出了一种基于深度学习的红外目标成像液位检测方法[7]。

基于此，亟需设计一种新的系统，可以控制多通道的液位高度，也可以适应各种实际情况，当系统失控时保护系统，更重要的是可以清晰直观地监控多通道液位数据。所以，在此基础上提出了一种基于LabVIEW 的多通道液位监控系统，该系统可以满足工业以及生活的需求。该系统通过HC-SR04超声波传感器采集液位数据，STC89C52RC 将液位数据通过串口发送到上位机，上位机基于LabVIEW 开发平台，实现多通道液位数据的采集、显示、控制等功能。

1 系统的结构及工作原理

基于LabVIEW 的多通道液位监控系统结构图如图1 所示，该系统主要由STC89C52RC 单片机控制模块、LCD1602 液晶显示模块、HC-SR04 超声波传感器模块、继电器控制模块、按键模块等组成。系统利用超声波液位传感器对三个容器液位进行检测，根据要求设定容器液位高度，当系统通过超声波液位传感器检测的数据在液位的设定值以下，系统将自动打开水泵进行吸水处理，反之，系统将自动打开水泵进行抽水处理，从而实现多通道液位测控，达到预定效果。同时系统可以将三个容器中液位的高度范围实时直观地显示在液晶显示屏和LabVIEW 上位机中，从而实现基于LabVIEW 的多通道液位监测功能[8]。如果系统失控，双浮球液位开关可以将液位维持在安全范围内，起到保护作用。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 STC89C52RC单片机模块

STC89C52RC 单片机模块包括STC89C52RC 单片机、晶振电路、复位电路，STC89C52RC 单片机模块电路图如图2 所示。STC89C52RC 单片机的XTAL1、XTAL2 接线端连接晶振电路；RST 接线端连接复位电路[9]；P1.0-P1.5 接线端分别连接六个水泵；P1.7、P3.2、P3.3、P3.4 接线端分别连接四个按键，实现设置、加、减、返回功能。通过STC89C52RC 的P3.0 和P3.1 接线端连接上位机，实现数据的发送和接收。STC89C52RC 的P3.5、P3.6、P3.7 及P2.0-P2.7接线端和LCD1602 液晶显示模块相连，实现多路液位数据的显示。STC89C52RC 的P0.0-P0.5 接线端分别连接三个超声波传感器，实现三个通道液位数据的检测。

图2 STC89C52RC单片机模块电路图

2.2 LCD1602液晶显示模块

系统选用LCD1602 液晶显示模块显示多通道液位数据[10]。LCD1602 的RS 接线端和STC89C52RC的P3.7 接线端相连；LCD1602 的R/W 接线端和STC89C52RC 的P3.6 接线端相连；LCD1602 的E 接线端和STC89C52RC 的P3.5接线端相连；LCD1602 的D0-D7 接线端和STC89C52RC 的P2.0-P2.7 接线端相连。

2.3 HC-SR04超声波传感器模块

系统采用HC-SR04 超声波传感器检测液位高度，HC-SR04 超声波传感器模块电路图如图3 所示。HC-SR04 超声波传感器的GND 接线端接地，VCC 接线端接电源，Echo 和Trig 分别和STC89C52RC的P0.0-P0.5 接线端相连。Trig 控制发出的超声波信号，Echo 接收反射回来的超声波信号[11]，设计使用单片机的定时功能对信号持续时间进行监测，通过计算可得距离信息[12]。

图3 HC-SR04超声波传感器模块电路图

2.4 继电器模块

系统采用继电器控制水泵，每一路水泵由两个继电器串联控制：系统工作部分控制继电器、系统保护部分控制继电器，当两个继电器都处于闭合状态 时，水泵开始工作[13]。STC89C52RC控制PNP 三极管，通过PNP 三极管控制继电器线圈，从而控制继电器的常开、常闭触点，实现水泵的进水、出水控制[14]。通道1 进水电路图如图4 所示，通道1 出水电路图如图5 所示；通道2、通道3 的进水电路原理和通道1 进水电路原理相同；通道2、通道3 的出水电路原理和通道1 出水电路原理相同。

图4 通道1进水电路图

图5 通道1出水电路图

继电器控制模块电路由继电器、发光二极管、SS8550 三极管、限流电阻，以及1N4007 二极管和接线端子等组成。正常情况下，上浮球开关断开，下浮球开关闭合。水泵开关完全由系统工作部分控制继电器控制[15]。如果系统失控，系统保护部分控制继电器工作，当液位过溢时，上浮球开关闭合，继电器JK7、JK9、JK11 的线圈通电，常开触头闭合，常闭触头断开，系统工作部分继电器JK1、JK3、JK5 无法启动水泵，从而保护系统；当液位下降至最低液位值时，下浮球开关断开，继电器JK8、JK10、JK12 的线圈失电，常开触头断开，常闭触头闭合，系统工作部分继电器JK2、JK4、JK6 无法控制水泵，从而保护系统。

3 系统软件设计

3.1 下位机主程序设计

系统下位机程序分为主程序、液晶显示子程序、超声波检测子程序、按键扫描子程序等，系统下位机可以实现设置、检测、查询、显示、控制多通道液位值等功能[16]。系统下位机主程序流程图如图6所示。

图6 系统下位机主程序流程图

3.2 液晶显示子程序设计

该设计采用LCD1602 液晶显示器，液晶显示屏可以显示两行，每一行可显示16 个字符数据。当系统工作时，STC89C52RC 控制超声波传感器获取液位信息，并控制LCD1602 液晶显示器显示设定的液位高度值和实际的液位高度值，可以直观地检测出实际的液位情况。液晶显示子程序由初始化、写命令、写数据、显示字符串等模块组成。

3.3 超声波检测子程序设计

该系统中超声波检测子程序主要实现三通道液位实际值的检测功能，准确检测三通道液位实际值是液位监控的基础。超声波检测子程序的主要功能是利用三通道超声波传感器，获取三通道液位信息。

利用STC89C52RC的P0.1、P0.3、P0.5口分别控制三通道超声波传感器的TRIG 引脚触发液位进行检测。当STC89C52RC接收到超声波传感器的ECHO 引脚的高电平信号时，利用定时器对返回的高电平信号持续的时间进行计时。接着，通过计算后得到液位实际值信息。

3.4 按键扫描子程序设计

系统按键采用独立式接法，四个按键分别连接STC89C52RC 的P1.7、P3.2、P3.3、P3.4 口。按键扫描子程序实现设置、加、减、返回功能。首先，扫描按键；然后，延时消除抖动；最后，判断按键值，根据按键值执行相应的程序。

3.5 上位机软件设计

上位机基于NI 公司的LabVIEW 虚拟仪器平台，LabVIEW 具有友好的可视化界面，具有精度高、操作简单、稳定性高和实时监测等特点[17]。系统前面板如图7 所示。前面板的三个液罐控件分别为“液罐1”、“液罐2”和“液罐3”，三个液罐控件的下方分别有三个液位“设定值”和三个液位“实际值”控件。通过下位机按键设置三个液罐液位的设定值，三个液罐控件和三个液位实际值控件中显示液罐中实际液位值。

图7 系统前面板

4 系统分析与测试

为了验证系统的可行性，分别对各个模块进行了功能测试，系统液位显示结果如图8 所示。

图8 系统液位显示结果

分别进行多次试验，系统测试结果如表1 所示。结果表明，系统可以满足实时监控多通道液位数据的功能，运行稳定。

表1 系统测试结果

5 结束语

该文设计了一种基于LabVIEW 的多通道液位监控系统。液位监控系统下位机利用HC-SR04 超声波传感器采集多通道液位数据，利用STC89C52RC将液位数据发送到上位机，分别在LCD1602 液晶显示模块和LabVIEW 上位机软件中显示液位数据的设定值和实际值，利用继电器控制模块控制进水水泵与出水水泵，实现液位监控，同时利用双浮球开关保护系统，根据液位监控过程，设计了多个通道同时测量，互不干扰，为液位监控提供了一种新思路。