基于MSP430F133單片機的改進型浮子式液位計[圖]

在對傳統(tǒng)浮子式液位計優(yōu)缺點進行分析的基礎(chǔ)上，介紹了采用TI公司MSP430F133單片機改進傳統(tǒng)浮子式液位計液位測量的方法，給出了具體電路的設(shè)計方法和軟件設(shè)計注意事項。

引言

為了用較低的成本完成大量程液位的長期可靠測量，筆者利用MSP430單片機的低功耗特性結(jié)合光電液位的絕對位置測量功能設(shè)計了一種新型液位計—磁光液位計，現(xiàn)簡要介紹如下。

1 機械工作原理

本液位計同普通光電液位計一樣有一個光電碼盤(如圖1所示)，碼盤白色部分反射光線，而黑色部分吸收光線，圖2所示的光耦和圖1所示的碼盤間距約2mm，并采用圓心安裝。光耦隨電路板固定在液位計外殼上，液位變化時浮子牽引水位輪轉(zhuǎn)動，安裝在同一軸上的碼盤也隨水位輪作圓周運動，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時，碼盤就會吸收或反射來自光耦的光線，從而使8位光耦根據(jù)碼盤和光耦的相對位置輸出8位格雷碼編碼，傳統(tǒng)的光電液位計用一個減速齒輪帶動另一個碼盤轉(zhuǎn)動從而獲得高位編碼，而本液位計摒棄了所有的齒輪減速機構(gòu)，用安裝角度為120°的三只干簧管來計算碼盤旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，當(dāng)碼盤旋轉(zhuǎn)時安裝于其上的磁鐵依次吸合三只干簧管，根據(jù)這一次序就可以判斷液位是以液位上升的方向增加圈數(shù)還是以液位下降的方向減少圈數(shù)。這樣一來單圈的絕對位置可以通過碼盤的編碼得到，而旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以由干簧管的吸合次序得到，綜合起來就可以得到液位高程，從而完成液位的測量。

2 MSP430單片機簡介

MSP430系列是TI公司的超低功耗單片機，它有多種低功耗模式，在LPM4模式時的典型工作電流僅為0.1μA，并能在6μs內(nèi)響應(yīng)外部中斷；另外它還有特別寬的工作電壓范圍：1.8～3.6V，實際使用中發(fā)現(xiàn)：常溫下即便電源電壓為1.2V，該器件仍能全速正常工作。MSP430F133的性能特征見表1。

表1 MSP430F133的性能特征

設(shè)計時選用一只1F的電容來儲存電能，假設(shè)加上12V電源后電路充電電流為100mA，充電時間為2s，則按0.5μA(實際放電電流不大于此數(shù)據(jù)值)放電可持續(xù)110小時。因此只要液位測量間隔不大于110小時就能保證單片機在掉電期間正常工作。在本電路中MSP430平時以內(nèi)部RC振蕩器作為主時鐘，以鐘表晶體振蕩器(32768Hz)作為通信時鐘，最高通信速率可達9600bps，低功耗LPM4時關(guān)閉所有時鐘源。

3 電路工作原理

圖3所示是本液位計電路的工作原理圖，當(dāng)測量當(dāng)前液位時，首先由上位控制器給電路加12V電源，此時繼電器JD1吸合，一方面由R28、U3組成的穩(wěn)壓電路給電容C46進行恒流限壓充電，以補充斷電后單片機工作所需電能，另一方面將Wake信號由“0”切換到“1”，喚醒單片機進入全速正常工作狀態(tài)，通過測量8只光電耦合器電平可得到碼盤在一個圓周內(nèi)的具體位置編碼(8bit格雷碼)，再加上正(反)向旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以計算出實際液位，也可換算成格雷碼輸出以兼容其它浮子式液位計，同時還通過485總線按要求的協(xié)議輸出液位以滿足自動測量的要求。6位液晶顯示器用于在本地顯示液位值，其電源由單片機的口線來提供，目的也是便于在掉電時關(guān)閉液晶顯示器的電源。

一旦外部+12V電源撤去，Wake信號將消失，單片機立即將口線切換到合適的電平，并進入低功耗狀態(tài)LPM4，此時CPU的功耗只有0.1μA，碼盤上的磁鐵隨碼盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動到三只干簧管附近時，干簧管吸合并立即引起單片機引腳電平的變化，MSP430單片機能在6μs的時間內(nèi)在低功耗狀態(tài)響應(yīng)這一變化，記錄下變化過程后又立即回到低功耗狀態(tài)以最大限度地節(jié)省電能。研究中發(fā)現(xiàn)，干簧管從吸合狀態(tài)回到斷開狀態(tài)有一個遲滯過程，正好可以防止液位在某一點輕微波動時使干簧管頻繁動作，從而避免單片機退出掉電狀態(tài)而消耗額外的電能。在電路板上三只干簧管以120°的間隔均勻地分布在同一圓周上，允許液位計以盡可能大的角速度旋轉(zhuǎn)。假定MSP430F133響應(yīng)并處理一個外圍中斷的時間(與中斷程序復(fù)雜程度和時鐘速度有關(guān))為200μs，則CPU能夠響應(yīng)的最大角速度為120°/200μs。在筆者的一個制作實例中電路(含干簧管部分)經(jīng)過了120圈/秒的測試。外圍電路除干簧管在吸合狀態(tài)要吸收3.0V/20M=0.15μA電流外，其余電路均不消耗電流，這樣整機待機電流最小0.1μA，最大0.25μA，若電容充滿電可保證單片機在掉電后仍能正常工作一個月以上。

由于舍棄了機械減速裝置，液位計轉(zhuǎn)動時只需克服兩只固定軸承的阻力，因此，大大加強了機械靈活性和可靠性。當(dāng)傳動輪周長為256mm時，液位計的分辨率為1mm，能滿足大部分測量要求。圖3中采用16位格雷碼輸出，量程可達65.535m，若用軟件將液位分辨率設(shè)置為1cm，則輸出量程可達655.35m，實際上只要引出線足夠多，量程并沒有限制，可根據(jù)要求做成任意量程的液位計。圖3的電路圖只是原理示意圖，實際應(yīng)用中還要考慮抗干擾、野外使用的防雷處理等。

液位計的軟件設(shè)計也非常簡單，限于篇幅不多贅述，只需注意的是：在進入LPM4前將口線置成合適的電平，如格雷碼輸出置成低電平、485接口芯片U10置成低功耗狀態(tài)、液晶口線和電源置成低電平，以便使口線不消耗電流，從而使整機的低功耗得到保證。

4 結(jié)束語

在野外水位自動測量中，為了降低功耗，傳感器采用間歇上電方式，由于傳感器輸出應(yīng)為絕對量編碼，因此在設(shè)計時采用很多齒輪變換和凸輪進位，這樣做帶來了設(shè)計的復(fù)雜性，并降低了傳感器的穩(wěn)定可靠性。

WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計為國內(nèi)第一只分辨率為毫米的浮子式水位編碼器。水位信息自動采集系統(tǒng)中通常使用兩個字節(jié)表示水位信息，最大可表示65535mm。而對浮子式磁光液位計而言，其量程很大，可滿足所有液位測量要求。

利用本文所述原理和方法研制出的WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計具有相對量軸角編碼器的優(yōu)點，如精度高、穩(wěn)定性好、量程大、價格低廉、使用方便等，利用MSP430F133單片機的低功耗特點，使WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計能滿足絕對量編碼輸出的要求。

激光水位計和超聲波水位計的分辨率為毫米，但其誤差為相對誤差，量程稍大時，水位測量的絕對誤差甚至可能會超過規(guī)范所規(guī)定的誤差標(biāo)準(zhǔn)(±2cm)。浮子水位計原理簡單、誤差來源少，為水利部門常用水位測量儀器，但當(dāng)前只有厘米級分辨率的浮子水位計，用于集水面積較大的水庫水位觀測時，使水庫流量計算過程產(chǎn)生鋸齒狀變化。

經(jīng)過兩年實踐證明，WZY-Ⅲ型浮子式磁光液位計不僅降低了浮子式液位計的成本，還大大提高了水位觀測精度和儀器可靠性。