论文总字数：22252字

摘 要

液位测量系统，顾名思义是一种测量液体位置的装置。它通过传感器将液位转化为电信号，再将电信号传送到分析处理装置，最后得到液位位置信息。液位测量装置广泛应用于工业生产和生活实际，随着人们对液位信息需求的不断变化，液位测量装置进行着一次又一次的更新换代。目前液位测量装主要是基于微型电路的小型装置。尽管液位测量装置在目前获得了比较完善的发展，但对于简洁轻便的小型液位测量装置的研发也是极为必要的。本文旨在设计出一种应用于实验平台和生产实际的小型液位测量装置。

本文对目前市面上液位测量装置结构以及实验平台、生产实际的需求进行了调研。将获得的信息进行进一步分析，从中提出其先进之处加以借鉴。根据设计需求，完成了系统框图设计，硬件设计和相关软件编写，并对液位测量系统样机进行了测试和校正。本文通过对传感器输入的4-20mA电流信号进行处理得到相应的液位信息，并将液位进行显示、传输，在液位超过或低于一定高度时进行预警。在测量出液位的基础上，系统可以通过继电器和调节阀对液位进行控制。本液位系统可以通过简单的改造变换为其它基于4-20mA电流信号的测量系统。

关键词：液位测量 传感器 显示 串口通信 校正

Abstract

As the name suggested, level measurement system is a device to measure liquid position.First,sensor translates the level into electric signal.Second, the electrical signals is sent to the processing means,after which we can get the leve. Level measurement devices are widely used in industrial production and real life. With the changing demand of level information, level measurement device upgrades day by day. Currently, level measurement equipment is mainly based on microcircuit. Although the level measuring device obtains a fairly complete development, it is necessary to research new small-scale leve measurement device. This paper aims to design an small-scale level measuring device, which can be applied to actual production and experimental platform.

In this paper, I conduct an investigation to the current level measuring device and survey the demand of actual production and experimental platform. After analysising the gotten information, I add their advancde into my design. Depending on design requirements, I complete the system block diagram design, hardware design and software development .Then, I teste and correct the level measurement system. In the design, I translate the 4-20mA current signals from sensor to level.Then, the level will be sent to LCD and PC.When the leve is too high or too low, alarm system works.After getting the level, level measurement system can control the level through relays and valve. The level system can be simply converted to other transformation systems based on 4-20mA current signal.

KEYWORDS: Level measurement Sensor Display Serial communication Calibration

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 国内外液位测量技术现状 2

1.3 课题的主要内容 3

1.4 论文章节安排 4

第2章 硬件系统设计 5

2.1 硬件整体设计 5

2.2 模块设计 5

2.2.1 单片机 5

2.2.2 显示模块 7

2.2.3 串行通信模块 8

2.2.4 报警模块 9

2.2.5 辅助电路及按键 10

2.2.6 液位控制模块 11

2.3 本章小结 12

第3章 系统软件设计 13

3.1 软件总体架构 13

3.2 开发环境简介 13

3.3 软件模块设计 14

3.3.1 A/D采样模块 14

3.3.2 液位显示 16

3.3.3 串口通信 18

3.3.4 越限报警 19

3.3.5 变量运算与液位控制 20

3.4 本章小结 21

第4章 系统测试与校正 22

4.1 测试环境 22

4.2 调试过程 23

4.3 测试结果 26

第5章 总结与展望 27

参考文献 29

致谢 30

绪论

课题背景和意义

液位测量在生活实际和工业现场中得到了广泛的应用，在当下微电子技术高速发展的背景下，液位测量系统中加入微电子器件成为其发展的必然趋势。在微型控制器,如单片机、PC机的加入下，液位测量系统的结构不断地扩增，功能趋于多元化、专业化。在不同的现场环境使用特制的液位测量装置，通过消耗最少的资源获得需要的信息，提高工业生产的效率，有效降低生产成本。微电子器件的加入不仅完善了测量系统的功能，同时也使得系统趋于小型化、模块化。小型化让测量系统的空间需求大大减小，提升了其对环境的适应性、兼容性。模块化结构的应用有效提高了其可靠性，发生故障后，器件的检修、更换也更加方便。

目前，非电量电测技术在液位测量系统占据重要地位。非电量测量技术就是用电测技术的方法对非电量进行测量。在测量系统中，首先需要将非电量单值转换为电量。这一过程是通过传感器实现的，传感器实现非电量到电量的单值转换通常是通过某些物理效应，例如电介质介电常数变化引起的电容变化，电阻阻值在压力、温度等变化时发生改变[1]。图1-1是非电量电测技术的结构图，电源模块向其它3个模块供电，非电量通过传感器转换为电量，经过测量电路的放大、滤波处理，最后将信息传递给测量仪表。

非电量测量结构图

测量系统中传感器是最先与被测物质发生联系的，通过其是否与被测物质直接接触将其分为非接触式和接触式。接触式包含应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器等；非接触式传感器有雷达式传感器、超声波式传感器、激光式传感器等。接触式传感器通常应用在非强酸、强腐蚀性的正常环境中，避免恶劣环境直接对传感器造成损害。在环境状况较为恶劣时，通常采用非接触式传感器，如在污水处理环节中超声波液位传感器被广泛应用。

传感器是测量系统中的起点，其中重要性不言而喻，但对传感器传出的信号进行处理分析并将所得结果进行实时显示，远端传输，超限报警等设施也是整个测量系统中不可或缺的部分。最初的传感器是通过仪表盘上的指针和其相对应的刻度来显示测量结果。当下，微控制器和小型显示屏的出现代替了传统的复杂电路和机械结构，灵活的软件编译使得相同的设备能对不同的传感器进行融洽地对接，提高了设备的灵活性。在已有的测量系统中可以根据实际需要添加相应的硬件而不需要对电路进行大范围的变动，测量系统可以方便快捷地适应生产的需要。鉴于加入微控制器的测量系统的诸多优势，各行业对于这类测量系统投入了大量的资源进行研发。

国内外液位测量技术现状

国内外的液位测量系统具有较大技术差距。国外的测量系统研究起步较早，进过多年的发展、研究，技术比较成熟，有一些具有很高性能的液位测量系统。荷兰ENRAF公司的DCS测量系统，它具有系统测量精度高，运行稳定可靠，能够适应恶劣的自然环境，具有通信灵活可靠的优点。西门子Milltronics推出的7ML5221超声波液位测量系统，其测量精度可达0.08%FS[2]。德国Krohne公司推出的BM709雷达液位仪，其采用HART协议，测量误差能够低至±1mm[3]。E H公司的Prosonic FMU130/230量程高达15m，盲区0.25m；该公司的新型气密结构、耐腐蚀的Prosonic FMU860/861/862 超声波液位计相对精度可达0.2%[4]。

国内的大部分液位测量系统还处于比较低端的层面，自动化水平普遍不高。虽然生产厂家众多，但始终没有形成一个统一管理、交流的平台，依然保持着独立生产的工业模式。由于产品缺乏统一的标准，产品质量参差不齐，精华与糟粕共存，极大的阻碍着我国液位测量系统的发展。

尽管国内外液位测量技术有一定差距，但他们的研究领域和方向大致相同，都包含以下几种常见的液位测量系统。

（1）电容式液位测量系统

电容式液位测量系统中，液位变换引起电容的介电常数改变，从而改变电容的值。通过测量电容变化就可以反推出液位的变化。

（2）压力式液位测量系统

液位变化会引起容器底部压力改变，通过压力的变化反应出液位信号。压力式测量系统的使用具有很大局限性，它要求液体表面波动较小，液体纯净含有较少沉淀。在复杂的工业生产中这种要求很难达到，因而较少使用压力式传感器。

（3）超声波液位测量系统

超声波液位测量系统中，传感器先向液面发射超声波再接收经液面反射回来的超声波，测量发射和接收的时间差，由于超声波在固定介质中的传播速度是一定的，超声波发射和接收的时间差能反应出其通过的路程，最终间接得到液位高度。超声波液位测量可以大致分为固介式、液介式、气介式。气介式要求液面波动较小，没有漂浮物，液面上方没有酸雾。液介式是将超声波发射器放置在液体底部，向液面发射超声波，检测接收反射波，其应用范围也比较局限。固介式在液面有漂浮物，液面波动较大的环境下也具有良好的测量精度。但其相对于气介式和液介式超声波测量系统而言，成本较高。三种超声波液位测量如图1-2所示。

气介式 液介式 固介式

超声波液位测量系统

（4）微波雷达测量系统[5]

该技术是使用天线发射连续的高频微波信号，直接到达被测物质界面或者通过波导管到达界面，遇到测量界面后高频信号被反射。再通过测量从发射信号到接收到信号的时间差来进行液位计算。其测量原理与超声波测量系统基本类似，但因为其频率更高，故其精度相对于超声波液位测量系统更好。

（5）光纤传感液位测量系统[6]

光纤传感技术是于上世纪70年代异军突起的一项新技术。相较于传统的测量技术，它具有灵敏度高、动态范围大、电绝缘性好等优点。在高压、易爆、强腐蚀的恶劣环境中也能发挥很好的作用。其传感器的信号是通过光纤进行传输的。光纤是由特殊的材料制成的，光信号在其中传播失真较小，稳定性能好。

在本课题中使用HGK-1型过程控制实验模块的液位变送器，其内部是压力式传感器，输出4-20mA的电流信号，电流信号线性地对应0-600mm液位高度信息。

课题的主要内容

本课题的主要内容是以MSP430单片机为核心，通过其对传感器传递出的信号进行采样、分析、处理，经过一定的转换关系得出液位信号。其后，对液位信号进行传输、显示，在液位超限时进行报警。由于信号处理的相似性，该液位测量系统经过简单的转换关系变换就可以成为测量多种工业变量的的其他系统。单片机的硬件兼容性也使得该系统的个部分可以根据实际需要进行灵活的增减。

具体工作包括两个方面：

（1）硬件系统的构思、设计。

依据任务书的的要求，设计测量系统的各部分，包括信号转换部分、模数转换部分、液位显示部分、串口通信部分、越限报警部分。在完成各部分设计后，将所有结构进行规划整理，最后形成一个完善的整体。

（2）相关软件配套设计。

在完成硬件系统设计后，在相应的要求下对与硬件系统相配的软件进行编写，通过软件来控制硬件资源，从而达到任务目标。

（3）系统调试。

完成以上两个步骤后，整个液位系统基本成型，就需要对系统的实际效果进行试验，在试验过程发现系统的不足加以改进。

论文章节安排

第一章：系统地介绍液位测量系统的背景意义与国内外液位测量系统的发展状况，简略介绍了几种典型的液位测量系统，详细阐述了课题的研究目的和其深远意义。

第二章：从课题研究目标出发，分析系统功能需求，完成系统的整体硬件设计，并在其后对各个模块进行独立设计，最终进行整合，形成完整的硬件系统。

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