工业物联网系统设计数字电容式物位仪设计
本课题主要实现的功能是电容式物位仪数据的显示、无线传输。选用的是低功耗单片机MSP430系列，利用A/D模块将电容传感器测到的模拟信号转换成数字信号，通过微处理器处理后输出4~20mA电流信号，然后使用GD46532笔段式液晶显示，该笔段式液晶通过HT1621驱动。独立按键作用是控制笔段式液晶显示，实现清零、标定等功能。测试结果显示，该以MSP430单片机为核心的工业物联网设计能够解决数据采集、数据转换、显示、传输等功能，实现数据的显示。但还存在一些问题，将在以后进行进一步研究。关键词 MSP430，GD46532，HT1621，智能仪表
目 录
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
2 电容式物位仪 2
2.1电容式物位仪介绍 2
2.2电容式物位仪原理 2
2.3电容式物位仪选型 3
3 系统可行性 3
3.1 硬件可行性 3
3.2软件可行性 4
4 基础知识 4
4.1 开发工具介绍 4
4.2 芯片介绍 5
4.3 SD16_A模块 9
4.4 DAC12模块 11
4.5 定时器_A模块 13
4.6 笔段式液晶显示模块 17
5 硬件设计 18
5.1 液晶显示模块设计 19
5.2 核心板设计 20
6 软件设计 21
6.1 总体设计 21
6.2 A/D模块程序设计 22
6.3 笔段式液晶驱动程序设计 24
6.4 键盘程序设计 27
6.5 模拟串行通信程序设计 27
6.7 量程标定程序设计 28
7 系统调试 29
7.1 调试结果展示 29
7.2 调试结果与分析 31
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
1 绪论
1.1研究背景
目前，在大多数工业生产实践中，物位测量技术得到相关广泛的使用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
。在工业生产的每个流程中，存在生产所需的丰富多样的原材料和各种成品，产品质量的可靠性受到物位检测的准确性的影响。对于目前的物位检测仪表，技术相对比较成熟，有各种各样的类别呈现出来，如射频导纳式、压力式、电容式等物位仪表。早期，在工业生产现场中经常用来检测料位等。生产实践中，员工需要随时了解物料在传送中是否停滞，了解物料的数量。这就产生了工业自动化中的物位测量技术[2,3]。
目前，科学技术不断发展，社会逐步提高现在的自动化生产水平，并且引进国外先进技术。在工业控制工程中，工业生产越来越复杂化，工业控制过程中越来越高科技化，生产环境也越来越严格，需要适应于各种不同物料的物位计投入使用。同时，传统仪表的安装过程困难、量程较小、破坏性大、维修成本高等缺点逐步暴露。在这样的生产背景和需求下，投入使用电容式物位仪[2]。
1.2研究意义
电容式物位仪的设计和研究，具有十分重要的意义，具体可以分为以下几点。
首先，研究电容式物位仪，可以对我国相关研究领域的发展起促进作用。根据国内物位仪表的工业现状，许多工业工程中使用的物位仪表都是依靠进口的，特别是一些高技术含量的设备。国内对于电容式物位仪的研究相对过少，因此具有研究意义[2]。
通过本文对于电容式物位仪的研究，可以看出国内对于电容式物位仪研究方面的不足，以此不断提高电容式物位仪设备性能，提高国内对于电容式物位仪的认可度。
其次，通过对于电容式物位仪的研究，对于同类物位仪产品带来竞争力。目前国内对于物位仪的使用参差不齐。如果对于电容式物位仪的研究结果良好，能够有效加强市场竞争力，并且带动同类产品的研究。
最后，可以为同类产品的研究提高借鉴。
2 电容式物位仪
2.1电容式物位仪介绍
现普遍的电容式物位仪内部结构大致相似，主要有电容式物位传感器、检测电路。它的内部传感器相对结构简单，部件都是不可动的，应用非常广泛，适合于各种介质，包括液体、粉料固体等等，能够在高温、高压、剧毒化学品、强腐蚀性等各种恶劣的条件下使用。
它的基本原理是通过感知电容量的变化将其转换成物位的变化，因此通过测量电容值即可得到物料的物位值。并且将电容信号转变成420mADC的电信号输出，并组网进行数据传输、控制，使数据可以远传到后台的服务器，手机可以访问服务器数据，可以远程控制智能仪器仪表。
2.2电容式物位仪原理
电容式物位仪的基本工作原理是，要想得知物位的变化可通过电容量的改变来实现。因此通过使用电容式物位仪测量出电容数值，转换成物位数值实现相应操作。电容式物位仪使用范围广泛，可以是各种导电性液体物位或粘性料位，通常用于进行远距离的测量等。同时，电容式物位仪还可以配套其他电动仪表，增加测量的自动性。它同样可以适用在具有不同介电常数的两种非导电性的液体间，或者有导电也有非导电的液体之间。若要实现准确测量以及使其安全运行，则需要对电容物位仪进行合理的选型和正确的接地[3]。
电容传感器的基本原理是，利用其原理实现功能，电容器的内、外电极分别是半径为R和r的圆筒形的金属导体，它们的长度是L，中间隔绝的物质必须是绝缘物质，它的电容值为
C=2πεL/(lnR/r)，ε为内、外电极之间的介电常数。
在实际测量时，测量物位通过改变ε或L的方式。
电容式物位仪由电容物位传感器和电路等构成，根据改变物料液位，使电容值发生变化，量测探险棒与桶壁(导电材料)形成一个电容器。当探棒暴露在空气中时，这个等效电容器只能量测到相当低的电容量，当物料灌入容器中时，探棒被物料逐浙附着，探棒与桶壁间的等效电容值逐渐增加，当物料装满容器时，介质将探棒全部披覆，此时的量测的量程为等效电容可量测到的最大电容值的电容值差距。因此根据随着物位的变化电容量相应变化，且与被测物位高度成正比，检测到的电容值经过变送电路转换为标准电流信号得到相应物位值，进而在显示器上显示物位值。
2.3电容式物位仪选型
电容式物位传感器具有各种不同的型式，主要原因是由于被测物料有不同的介质。
（1）电容物位传感器用于测量导电性液体，电容器的两个电极分别插入不同属性的电极，分别是金属电极、容器、液体，中间介质可以有多种选择，此情况选用绝缘套管。如果是不能导电物体作为容器，此时原有电极不能满足要求，需要添加一个能够接地使用的电极，并且将该电极的下端浸入在容器的底部，上测与可靠的导电连接，通过与大地及仪表地线相连中有二电极中的一个，从而保证仪表的正常测量。
目 录
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
2 电容式物位仪 2
2.1电容式物位仪介绍 2
2.2电容式物位仪原理 2
2.3电容式物位仪选型 3
3 系统可行性 3
3.1 硬件可行性 3
3.2软件可行性 4
4 基础知识 4
4.1 开发工具介绍 4
4.2 芯片介绍 5
4.3 SD16_A模块 9
4.4 DAC12模块 11
4.5 定时器_A模块 13
4.6 笔段式液晶显示模块 17
5 硬件设计 18
5.1 液晶显示模块设计 19
5.2 核心板设计 20
6 软件设计 21
6.1 总体设计 21
6.2 A/D模块程序设计 22
6.3 笔段式液晶驱动程序设计 24
6.4 键盘程序设计 27
6.5 模拟串行通信程序设计 27
6.7 量程标定程序设计 28
7 系统调试 29
7.1 调试结果展示 29
7.2 调试结果与分析 31
结 论 33
致 谢 34
参 考 文 献 35
1 绪论
1.1研究背景
目前，在大多数工业生产实践中，物位测量技术得到相关广泛的使用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
。在工业生产的每个流程中，存在生产所需的丰富多样的原材料和各种成品，产品质量的可靠性受到物位检测的准确性的影响。对于目前的物位检测仪表，技术相对比较成熟，有各种各样的类别呈现出来，如射频导纳式、压力式、电容式等物位仪表。早期，在工业生产现场中经常用来检测料位等。生产实践中，员工需要随时了解物料在传送中是否停滞，了解物料的数量。这就产生了工业自动化中的物位测量技术[2,3]。
目前，科学技术不断发展，社会逐步提高现在的自动化生产水平，并且引进国外先进技术。在工业控制工程中，工业生产越来越复杂化，工业控制过程中越来越高科技化，生产环境也越来越严格，需要适应于各种不同物料的物位计投入使用。同时，传统仪表的安装过程困难、量程较小、破坏性大、维修成本高等缺点逐步暴露。在这样的生产背景和需求下，投入使用电容式物位仪[2]。
1.2研究意义
电容式物位仪的设计和研究，具有十分重要的意义，具体可以分为以下几点。
首先，研究电容式物位仪，可以对我国相关研究领域的发展起促进作用。根据国内物位仪表的工业现状，许多工业工程中使用的物位仪表都是依靠进口的，特别是一些高技术含量的设备。国内对于电容式物位仪的研究相对过少，因此具有研究意义[2]。
通过本文对于电容式物位仪的研究，可以看出国内对于电容式物位仪研究方面的不足，以此不断提高电容式物位仪设备性能，提高国内对于电容式物位仪的认可度。
其次，通过对于电容式物位仪的研究，对于同类物位仪产品带来竞争力。目前国内对于物位仪的使用参差不齐。如果对于电容式物位仪的研究结果良好，能够有效加强市场竞争力，并且带动同类产品的研究。
最后，可以为同类产品的研究提高借鉴。
2 电容式物位仪
2.1电容式物位仪介绍
现普遍的电容式物位仪内部结构大致相似，主要有电容式物位传感器、检测电路。它的内部传感器相对结构简单，部件都是不可动的，应用非常广泛，适合于各种介质，包括液体、粉料固体等等，能够在高温、高压、剧毒化学品、强腐蚀性等各种恶劣的条件下使用。
它的基本原理是通过感知电容量的变化将其转换成物位的变化，因此通过测量电容值即可得到物料的物位值。并且将电容信号转变成420mADC的电信号输出，并组网进行数据传输、控制，使数据可以远传到后台的服务器，手机可以访问服务器数据，可以远程控制智能仪器仪表。
2.2电容式物位仪原理
电容式物位仪的基本工作原理是，要想得知物位的变化可通过电容量的改变来实现。因此通过使用电容式物位仪测量出电容数值，转换成物位数值实现相应操作。电容式物位仪使用范围广泛，可以是各种导电性液体物位或粘性料位，通常用于进行远距离的测量等。同时，电容式物位仪还可以配套其他电动仪表，增加测量的自动性。它同样可以适用在具有不同介电常数的两种非导电性的液体间，或者有导电也有非导电的液体之间。若要实现准确测量以及使其安全运行，则需要对电容物位仪进行合理的选型和正确的接地[3]。
电容传感器的基本原理是，利用其原理实现功能，电容器的内、外电极分别是半径为R和r的圆筒形的金属导体，它们的长度是L，中间隔绝的物质必须是绝缘物质，它的电容值为
C=2πεL/(lnR/r)，ε为内、外电极之间的介电常数。
在实际测量时，测量物位通过改变ε或L的方式。
电容式物位仪由电容物位传感器和电路等构成，根据改变物料液位，使电容值发生变化，量测探险棒与桶壁(导电材料)形成一个电容器。当探棒暴露在空气中时，这个等效电容器只能量测到相当低的电容量，当物料灌入容器中时，探棒被物料逐浙附着，探棒与桶壁间的等效电容值逐渐增加，当物料装满容器时，介质将探棒全部披覆，此时的量测的量程为等效电容可量测到的最大电容值的电容值差距。因此根据随着物位的变化电容量相应变化，且与被测物位高度成正比，检测到的电容值经过变送电路转换为标准电流信号得到相应物位值，进而在显示器上显示物位值。
2.3电容式物位仪选型
电容式物位传感器具有各种不同的型式，主要原因是由于被测物料有不同的介质。
（1）电容物位传感器用于测量导电性液体，电容器的两个电极分别插入不同属性的电极，分别是金属电极、容器、液体，中间介质可以有多种选择，此情况选用绝缘套管。如果是不能导电物体作为容器，此时原有电极不能满足要求，需要添加一个能够接地使用的电极，并且将该电极的下端浸入在容器的底部，上测与可靠的导电连接，通过与大地及仪表地线相连中有二电极中的一个，从而保证仪表的正常测量。
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