基于LabVIEW 的多通道液位監控系統

王瑜，趙宇梵，張浩男

（西安航空學院機械工程學院，陜西西安 710077）

隨著現代化建設的飛速發展，在工業生產中[1]，對鍋爐液位、油罐液位、化工原料液位等進行實時監測和實時反饋，是確保安全生產的重要環節。因為被測量的液體具有腐蝕性、毒性和刺激性，因此無法通過人工手段獲得[2]。在生活中，對液位監控的需求也越來越多，例如高端魚缸需要加入液位監控系統確保自動換水功能[3]。在現代控制領域，不僅需要對液位進行實時監測和報警[4]，而且往往還需要對系統進行自動調整，確保整個系統正常運轉。新的液位監測系統趨向于方便、自動化、智能化，可以監控多通道液位狀況[5]，有利于提高檢測精度和滿足生產需求。為了改進傳統的液位監控系統，國內外學者們開展了大量研究工作，朱常榮等采用NRF905 收發模塊設計了遠程液位監控系統[6]。梁霄等針對現有液位檢測技術中傳感器布置容易受空間限制，在高溫高壓、灰塵、潮濕等特殊環境下傳感器壽命短等問題，提出了一種基于深度學習的紅外目標成像液位檢測方法[7]。

基于此，亟需設計一種新的系統，可以控制多通道的液位高度，也可以適應各種實際情況，當系統失控時保護系統，更重要的是可以清晰直觀地監控多通道液位數據。所以，在此基礎上提出了一種基于LabVIEW 的多通道液位監控系統，該系統可以滿足工業以及生活的需求。該系統通過HC-SR04超聲波傳感器采集液位數據，STC89C52RC 將液位數據通過串口發送到上位機，上位機基于LabVIEW 開發平臺，實現多通道液位數據的采集、顯示、控制等功能。

1 系統的結構及工作原理

基于LabVIEW 的多通道液位監控系統結構圖如圖1 所示，該系統主要由STC89C52RC 單片機控制模塊、LCD1602 液晶顯示模塊、HC-SR04 超聲波傳感器模塊、繼電器控制模塊、按鍵模塊等組成。系統利用超聲波液位傳感器對三個容器液位進行檢測，根據要求設定容器液位高度，當系統通過超聲波液位傳感器檢測的數據在液位的設定值以下，系統將自動打開水泵進行吸水處理，反之，系統將自動打開水泵進行抽水處理，從而實現多通道液位測控，達到預定效果。同時系統可以將三個容器中液位的高度范圍實時直觀地顯示在液晶顯示屏和LabVIEW 上位機中，從而實現基于LabVIEW 的多通道液位監測功能[8]。如果系統失控，雙浮球液位開關可以將液位維持在安全范圍內，起到保護作用。

圖1 系統結構圖

2 系統硬件設計

2.1 STC89C52RC單片機模塊

STC89C52RC 單片機模塊包括STC89C52RC 單片機、晶振電路、復位電路，STC89C52RC 單片機模塊電路圖如圖2 所示。STC89C52RC 單片機的XTAL1、XTAL2 接線端連接晶振電路；RST 接線端連接復位電路[9]；P1.0-P1.5 接線端分別連接六個水泵；P1.7、P3.2、P3.3、P3.4 接線端分別連接四個按鍵，實現設置、加、減、返回功能。通過STC89C52RC 的P3.0 和P3.1 接線端連接上位機，實現數據的發送和接收。STC89C52RC 的P3.5、P3.6、P3.7 及P2.0-P2.7接線端和LCD1602 液晶顯示模塊相連，實現多路液位數據的顯示。STC89C52RC 的P0.0-P0.5 接線端分別連接三個超聲波傳感器，實現三個通道液位數據的檢測。

圖2 STC89C52RC單片機模塊電路圖

2.2 LCD1602液晶顯示模塊

系統選用LCD1602 液晶顯示模塊顯示多通道液位數據[10]。LCD1602 的RS 接線端和STC89C52RC的P3.7 接線端相連；LCD1602 的R/W 接線端和STC89C52RC 的P3.6 接線端相連；LCD1602 的E 接線端和STC89C52RC 的P3.5接線端相連；LCD1602 的D0-D7 接線端和STC89C52RC 的P2.0-P2.7 接線端相連。

2.3 HC-SR04超聲波傳感器模塊

系統采用HC-SR04 超聲波傳感器檢測液位高度，HC-SR04 超聲波傳感器模塊電路圖如圖3 所示。HC-SR04 超聲波傳感器的GND 接線端接地，VCC 接線端接電源，Echo 和Trig 分別和STC89C52RC的P0.0-P0.5 接線端相連。Trig 控制發出的超聲波信號，Echo 接收反射回來的超聲波信號[11]，設計使用單片機的定時功能對信號持續時間進行監測，通過計算可得距離信息[12]。

圖3 HC-SR04超聲波傳感器模塊電路圖

2.4 繼電器模塊

系統采用繼電器控制水泵，每一路水泵由兩個繼電器串聯控制：系統工作部分控制繼電器、系統保護部分控制繼電器，當兩個繼電器都處于閉合狀態 時，水泵開始工作[13]。STC89C52RC控制PNP 三極管，通過PNP 三極管控制繼電器線圈，從而控制繼電器的常開、常閉觸點，實現水泵的進水、出水控制[14]。通道1 進水電路圖如圖4 所示，通道1 出水電路圖如圖5 所示；通道2、通道3 的進水電路原理和通道1 進水電路原理相同；通道2、通道3 的出水電路原理和通道1 出水電路原理相同。

圖4 通道1進水電路圖

圖5 通道1出水電路圖

繼電器控制模塊電路由繼電器、發光二極管、SS8550 三極管、限流電阻，以及1N4007 二極管和接線端子等組成。正常情況下，上浮球開關斷開，下浮球開關閉合。水泵開關完全由系統工作部分控制繼電器控制[15]。如果系統失控，系統保護部分控制繼電器工作，當液位過溢時，上浮球開關閉合，繼電器JK7、JK9、JK11 的線圈通電，常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，系統工作部分繼電器JK1、JK3、JK5 無法啟動水泵，從而保護系統；當液位下降至最低液位值時，下浮球開關斷開，繼電器JK8、JK10、JK12 的線圈失電，常開觸頭斷開，常閉觸頭閉合，系統工作部分繼電器JK2、JK4、JK6 無法控制水泵，從而保護系統。

3 系統軟件設計

3.1 下位機主程序設計

系統下位機程序分為主程序、液晶顯示子程序、超聲波檢測子程序、按鍵掃描子程序等，系統下位機可以實現設置、檢測、查詢、顯示、控制多通道液位值等功能[16]。系統下位機主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統下位機主程序流程圖

3.2 液晶顯示子程序設計

該設計采用LCD1602 液晶顯示器，液晶顯示屏可以顯示兩行，每一行可顯示16 個字符數據。當系統工作時，STC89C52RC 控制超聲波傳感器獲取液位信息，并控制LCD1602 液晶顯示器顯示設定的液位高度值和實際的液位高度值，可以直觀地檢測出實際的液位情況。液晶顯示子程序由初始化、寫命令、寫數據、顯示字符串等模塊組成。

3.3 超聲波檢測子程序設計

該系統中超聲波檢測子程序主要實現三通道液位實際值的檢測功能，準確檢測三通道液位實際值是液位監控的基礎。超聲波檢測子程序的主要功能是利用三通道超聲波傳感器，獲取三通道液位信息。

利用STC89C52RC的P0.1、P0.3、P0.5口分別控制三通道超聲波傳感器的TRIG 引腳觸發液位進行檢測。當STC89C52RC接收到超聲波傳感器的ECHO 引腳的高電平信號時，利用定時器對返回的高電平信號持續的時間進行計時。接著，通過計算后得到液位實際值信息。

3.4 按鍵掃描子程序設計

系統按鍵采用獨立式接法，四個按鍵分別連接STC89C52RC 的P1.7、P3.2、P3.3、P3.4 口。按鍵掃描子程序實現設置、加、減、返回功能。首先，掃描按鍵；然后，延時消除抖動；最后，判斷按鍵值，根據按鍵值執行相應的程序。

3.5 上位機軟件設計

上位機基于NI 公司的LabVIEW 虛擬儀器平臺，LabVIEW 具有友好的可視化界面，具有精度高、操作簡單、穩定性高和實時監測等特點[17]。系統前面板如圖7 所示。前面板的三個液罐控件分別為“液罐1”、“液罐2”和“液罐3”，三個液罐控件的下方分別有三個液位“設定值”和三個液位“實際值”控件。通過下位機按鍵設置三個液罐液位的設定值，三個液罐控件和三個液位實際值控件中顯示液罐中實際液位值。

圖7 系統前面板

4 系統分析與測試

為了驗證系統的可行性，分別對各個模塊進行了功能測試，系統液位顯示結果如圖8 所示。

圖8 系統液位顯示結果

分別進行多次試驗，系統測試結果如表1 所示。結果表明，系統可以滿足實時監控多通道液位數據的功能，運行穩定。

表1 系統測試結果

5 結束語

該文設計了一種基于LabVIEW 的多通道液位監控系統。液位監控系統下位機利用HC-SR04 超聲波傳感器采集多通道液位數據，利用STC89C52RC將液位數據發送到上位機，分別在LCD1602 液晶顯示模塊和LabVIEW 上位機軟件中顯示液位數據的設定值和實際值，利用繼電器控制模塊控制進水水泵與出水水泵，實現液位監控，同時利用雙浮球開關保護系統，根據液位監控過程，設計了多個通道同時測量，互不干擾，為液位監控提供了一種新思路。