多适应性远程无人液位控制系统设计

宋长军

（渭南职业技术学院 陕西 渭南 714000）

多适应性远程无人液位控制系统设计

宋长军

（渭南职业技术学院 陕西 渭南 714000）

针对高寒、偏远、有毒、放射性、易燃易爆等条件下，依靠人工难以完成液位控制的问题，提出了多适应性远程无人液位控制系统设计。系统由上位机、下位机构成。下位机由STC89C52主控芯片、超声波液位监测和ULN2429A液面测量单元，液位自动控制模块、GPRS通讯模块等构成。液位测量模块对液位不断进行监测，同时将液位信息通过GPRS模块实时传送回上位机。当液位低于工作下限时，主控芯片控制液体自动控制模块回注液体。系统能够对导电和非导电多种性质的液体实现远程无人控制，具有一定的实用价值。

STC89C52；GPRS；SIM300；无人监测；液位控制

在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及食品加工等众多行业中，实时准确监测液位是生产生活正常进行的必须条件。目前较为常用的液位测量仪主要有浮力式液位计、差压式液位计、磁性翻板液位计、超声波液位计等[1-3]。由人工在现场完成液位测量。但面对一些特殊场合，特别是在高寒、偏远、有毒、放射性、易燃易爆等条件下，由人工监测液位难以完成。针对这一问题，研究设计可适应导电、非导电多种性质的液体（如油和水），同时能够实现液体自动加注的远程无人液位控制系统具有重要意义。

1 系统整体设计

本系统主要由上位机、下位机构成。上位机主要是接收下位机上报的液位信息，并提供友好的可视化操作界面。下位机主要由STC89C52主控芯片[4-5]、液位监测及自动控制模块、GPRS通讯模块等构成。系统组成框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统工作流程

2.1 下位机

上电自检完成后，液位监测模块开始工。温度检测模块检测出现场环境温度，把采集的温度数据传送给主控芯片，而后主控芯片控制温度补偿程序对超声波的传播速度进行调整，以提高检测精度。超声波测量单元持续工作，并不断将液位信息通过GPRS模块实时传送回上位机。植入式液位测量单元工作，如果液位低于工作下限，则通过GPRS模块发送报警信息至上位机，同时向主控芯片发出信号，由主控芯片控制液体自动控制模块注入液体。主控芯片随时通过GPRS模块接收上位机控制信号，并执行相应操作。

2.2 上位机

上位机接收下位机传回的实时液位信息。根据液位下降速度估算剩余工作时间，为管理员提供加注液体预警信息。当接收到液位过低报警时，发出报警信号，同时通过GPRS单元发出加注液体信号，控制下位机液体自动控制单元工作，实现液体加注。

3 系统硬件设计

3.1 液位监测模块

系统中采用2种技术实现对液位的监测，分别是超声波液位测量单元和ULN2429A液面测量单元。

超声波液位测量技术不需要在流体测量中插入其他测量元件，适合多种液体测量，特别是高黏度、强腐蚀，非导电性的液体液位测量[6-8]。在系统中设计超声波液位测量单元可大大提高对多种液体的适应性。超声波液位测量单元主要用于精确测量液位，特别是与上位机软件结合使用，可以液位下降趋势预测功能。超声波发射单元连接直P1.0引脚。超声波接收单元选用CX20106A芯片[9-10]，连接至P2.7引脚。鉴于超声波传播速度易受温度影响，因此需要设计温度补偿电路，在此选用DS18B20数字温度传感器测定现场实时温度[11]，而后由主控芯片结合超声波传播速度与温度之间的比对关系实时调整声速。其电路连接至P0.1引脚。超声波液位测量单元电路原理如图2所示。

图2 超声波液位测量电路原理图

ULN2429A是一种单片式液面监测专用集成电路，既可检测导电液体和弱导电液体的液面，又可检测非导电液体的液面。它具有外围元件少、可靠性高、调整简单、使用方便等特点。ULN2429A植入式液位测量单元可实现极低液位报警，及驱动加注泵加注液体功能。ULN2429A集成电路有14个引脚，其中9为液位检测输入端，1和14为输出端。在测量液面时，将A、B两个探测电极置于液体下，如果是非导电液体时，通过检测液体的相对介电常数的变化引进探测电极A、B间电容量的变化来确定液位；如是导电液体时，则根据A、B间的电阻值变化来确定。液体浸没电极A、B时，遇P1.3引脚输出低电平，反之P1.3引脚输出高电平。其构成电路原理如图3所示。

3.2 液位自动控制模块

在设有备用液体贮存罐的场合，当检测到液位达到工作下限时，液位自动控制模块在主控芯片自主驱动，或是由上位机发出信号，通过GPRS通信模块接收加注指令后驱动加注泵工作，从而实现液位自动功能。三极管Q1与STC89C52单片机P0.7引脚连接，接到加注指令后，P0.7引脚输出低电，三极管Q1导通，继电器通电吸合，抽水电动机开始工作，完成加注液体工作。其构成电路原理如图4所示。

3.3 GPRS通讯模块

在系统中，GPRS通讯模块一方面完成液位信息实时传递，另一方面接收上位机的指令。GPRS模块选用SIM300[12-15]。该芯片具有体积小、即插即用、完善的三频/四频，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。它集成了完整的射频电路和GSM基带处理器，能够实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。SIM300芯片连接如图5所示。

图3 ULN2429A液位测量电路原理图

图4 液位自动控制模块电路原理图

4 系统软件设计

4.1 超声波测距算法

超声波发射单元在某一时刻发出一个超声波信号，当超声波信号遇到被测物体后被反射回来，此时将为超声波接收器所接收。显然知道了超声波从发射到反射后被接收的时间即可算出超声波发射器与反射物之间的距离。其计算公式为：

图5 SIM300芯片连接示意图

其中：d为距离；S为探测头距离液面的距离；c为超声波的传播速度；t为声波来回所用时间。

4.2 液体消耗预测

设计液位预测功能，主要目的在于告知管理人员现场液体消耗情况，以便能够提前做好应对，避免发生意外。实现液位预测只需要掌握现场容器的形状及体积，而后根据实时回传的液位数据，即可实现液体消耗预测。

5 结束语

基于STC89C52和GPRS的远程无人液位控制系统，采用技术成熟，元件便宜，设计冗余度高，系统部署方便，具有较强的适应性。与传统液位测量手段相比，基于AT89C51和GPRS的远程无人液位控制系统具有以下优点：一是测量方式远程化，通过GPRS通讯技术实现了液位信息的远程测量，减少了对人力资源的耗费；二是测量手段多样化，运用超声波测量技术和植入式测量技术，可适应多种性质的液位测量任务和各种恶劣的工作环境；三是测量信息实时化，随时掌握待测液体信息；四是液位控制精确化，可以在液位低于工作位置后，立即驱动加注泵

进行液体补入，防止生产事故发生。

[1]李忠明.用水校法校验浮筒式液位计[J].物流工程与管理，2015，37（1）:214，219.

[2]张建宜.差压式液位计在密闭容器上应用与改进[J].中国新技术新产品，2015（8）：60.

[3]高强.350MW机组采暖集水箱液位自动控制的完善与实现[J].能源研究与管理，2015（1）:109-111.

[4]彭莞芹，江雨舟，李启航，等.基于STC89C52单片机的宿舍智能防火报警系统设计 [J].科技展望，2015（12）:105.

[5]蔡云旖，陈治宇，陈程.基于51单片机的红外线防盗报警系统设计[J].科技风，2015（12）:47-48.

[6]樊永顺，贺庆，戴凤智，等.基于ARM的嵌入式超声传播时间测量装置[J].计算机测量与控制，2015，23（2）:382-384.

[7]杜雪，陈磊，马孝义，等.基于ARM的灌区数据信息无线传输终端设计 [J].农机化研究，2015（7）: 101-104.

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[10]孙杰，张学军，刘云，等.基于单片机的温度控制系统设计及仿真[J].农机化研究，2015（4）:219-222.

[11]邹卫华，肖化.粮库无线温度监测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2015（1）:93-95.

[12]古博，黎敬斌，叶仕通.基于SIM300通讯模块风光优美智能交通系统[J].电子设计工程，2015（2）:83-85.

The design of remote level of liquid controlled system with multi-adaptive and unmanned

SONG Chang-jun
（Weinan Vocational&Technical College，Weinan 714000，China）

Aiming at the problems of artificial controlled liquid level in the cold，remote，toxic，radioactive，inflammable and explosive conditions，the design of multi-adaptive remote unmanned liquid level control system is proposed.The system is composed of upper and lower machine.The lower machine is composed of STC89C52 MCU，liquid level measurement unit with ultrasonic and liquid level measurement unit with ULN2429A，liquid level automatic control module，GPRS communication module and so on.The liquid level measurement module is used to monitor the liquid level and the liquid level information is transmitted back to the upper machine through the GPRS module.When the level is below the limit，the main control chip to control the liquid injection liquid automatic control module.The system can realize the remote control of the electric and non electric liquids，which has a certain practical value.

STC89C52；GPRS；SIM300；unmanned monitoring；liquid level control

TN912.2

：A

：1674－6236（2017）01-0119-04

2015-12-21稿件编号：201512220

宋长军（1976—），男，陕西蒲城人，硕士，副教授。研究方向：计算机网络监控、图像检索等。