mcu的磁致伸缩液位测量系统设计
系负责人： ， 年 月 摘 要如今对于液位测量的需求越来越多，而且对精度及环境适应度的要求越来越高。如何更加精确地测量液位成为一些行业发展亟待解决的问题。本课题研究一种通过磁致伸缩测量位移间接测量液位的技术，主要针对高精度，多环境，长寿命的液位测量系统该如何实现的问题进行了设计。系统主要由硬件电路、下位机和上位机三部分组成。硬件电路将初始脉冲和磁致伸缩的回波处理成适合捕获的脉冲；下位机主控芯片采用MSP430F5172，这款芯片成本低，但内部有倍频寄存器，最高频率可以达到256MHZ，本课题设定频率为100MHZ，精度足以达到0.1mm，用这款芯片采集磁致伸缩脉冲信号，计算并显示液位数据，同时写MODBUS协议，与上位机进行通信；上位机包括MCGS（组态控制）软件，即上位机显示界面。调试表明该系统在运行过程中稳定，可以较好的产生回波，采集脉冲信号，计算并显示液位数据，重复性及精确度都达到要求。课题综合运用了单片机、模拟电路及传感器的相关技术，设计了一个基于MCU的磁致伸缩液位测量系统，达到高精度测量液位的目的。最后通过给出的系统详细调试过程和具体功能模块的测试分析结果，为后续的开发提供详细的参考方案，并且对课题研究的内容和所做的工作进行总结和展望。
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.1.1 磁致伸缩液位测量的背景 1
1.1.2 磁致伸缩用于液位测量的意义 1
1.2 液位系统构成 2
1.3 液位测量系统开发方法介绍 2
1.4 本论文研究内容和章节安排 3
第2章 总体设计 4
2.1 磁致伸缩液位测量的适用要求 4
2.2 磁致伸缩液位测量系统设计方案 4
第3章 磁致伸缩液位测量系统硬件设计 1
3.1 磁致伸缩液位测量系统硬件总体设计 1
3.2 稳压电源模块设计 1
3.3 MCU最小系统硬件设计 3
3.3.1 MCU选型 3
3.3.2 核心处理器MSP430F5172的分析 4
3.4 MCU外接模块硬
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
件电路设计 5
3.4.1 12864液晶屏转接电路设计 5
3.4.2 串口RS232通信模块硬件设计 7
3.5 脉冲处理硬件电路设计 7
3.5.1 脉冲发送硬件电路设计 8
3.5.2 脉冲激励硬件电路设计 9
3.5.3 脉冲放大硬件电路设计 10
3.5.4 电压比较电路设计 11
3.6 波导丝材质分析 11
第4章 磁致伸缩液位测量系统软件设计 12
4.1 磁致伸缩液位测量系统软件总体设计 12
4.2 嵌入式处理器主控模块软件设计 12
4.3 嵌入式处理器测量模块软件设计 14
4.4 嵌入式处理器显示模块软件设计 15
4.4.1 液位测量系统显示选型 15
4.4.2 JM12864液晶屏模块 15
4.5 嵌入式处理器通信模块软件设计 17
4.5.1 标准MODBUS口RS232兼容串口通信模块 17
4.5.2 MODBUS通信协议 18
4.6 MCGS组态软件设计 22
4.6.1 液位测量系统于上位机上的软件选型 23
4.6.2 液位测量系统MCGS组态软件设计 23
第5章 系统调试 27
5.1 液位测量系统各模块单独调试 27
5.1.1 脉冲处理硬件电路调试 27
5.1.2 嵌入式处理器内部程序及外接模块调试 29
5.1.3 液位测量系统MCGS组态软件调试 31
5.2 液位测量系统系统调试 32
第6章 总结和展望 34
6.1 总结 34
6.2 展望 34
致 谢 39
附录一：程序 40
附录二：外文文献及翻译 44
第1章 绪 论
本章首先介绍了本课题的研究背景及其研究意义，接着分析了系统模块的划分及实现方法，然后阐述了本文主要的研究内容与成果，最后概括了本文的组织结构。
1.1 课题研究的背景
1.1.1 磁致伸缩液位测量的背景
利用各种原理构成的液位测量方法很多，如磁浮子式传感器、钢带浮子式传感器、静压式传感器、伺服式传感器、电容式传感器、雷达式传感器、超声波式液位测量传感器等。这些方法对于一般情况的液位测量都能满足要求。然而,对于量程大、参数多、精确度高的液位测量,都存在许多不理想之处[1]。例如,对于围度及上下差都比较大的油罐,油位和水位的测量的精确度越高决定着油料质量和容积的测量与油料输送系统的控制精度越高。往往毫米级的测量误差,会带来巨大的经济损失。很多这样的油罐,有的会高达二十多米，对于需要这么大量程的液位测量,如果在不同环境条件尤其是恶劣环境下，测量误差能达到只有几毫米是极为不容易的。即使采用测量精确度为0.1%的液位测量仪表,还会存在20mm的误差[2]。
现如今，运用磁致伸缩液位测量技术是解决这些问题的一种比较好的解决方法。这是一种利用新材料新技术的先进方法，将能在国内得到广泛运用，而今在国外已被广泛用于很多民用领域。用磁致伸缩的液位传感器测量精度可达0.05%，其寿命长，重复性及可靠性都比其他一般液位传感器要好得多；而且，浮子与传感器敏感元件没有直接接触，这样就可以使其在极恶劣的环境下也可正常工作[3]。
1.1.2 磁致伸缩用于液位测量的意义
磁致伸缩效应的形成，是当强磁体受到外力作用时，除像一般固体那样要产生弹性形变外，还会产生磁致伸缩性形变。后者是由于应力使磁畴结构和磁化状态发生变化，进一步引起磁畴的形变，称为力致伸缩，又称磁弹性效应。
磁致伸缩技术在液位测量上的使用开始于上世纪70年代的美国，经过二十多年的发展，尤其是过去十年间在工业方面的广泛运用，得到了业界的广泛称赞和认可[4]。然而在国内它的发展还在起步阶段，不够成熟，研究磁致伸缩技术并运用于液位测量有着很好的前途。
而本课题就是制作一个基于MCU的磁致伸缩液位测量系统，能够在核心元件不接触液体的情况下，让有电流通过的波导丝在永磁场（浮子）下产生扭转波并用一定匝数的线圈采回，然后通过计算一开始电流在线圈中产生的脉冲和回波脉冲时间差，再与波速相乘即为位移，由于波速为2800m/s，只要采集频率够高，就能得到高精度液位数据[5]。然后能够显示这个液位数据，并通过杆长计算液位显示，再实现与上位机的通信就可远程通过上位机来操作此系统，最终完成一个操作方便，适用范围广，精度高，成本低，免维护的智能磁致伸缩液位测量系统。
1.2 液位系统构成
基于MCU的磁致伸缩液位测量系统：该系统要求集成度和采集频率高，能够显示量程，液位等项目，可以在上位机形象显示液位数据。所以要选择下位机与上位机通信方式，对硬件电路要有脉冲发送、放大滤波功能。因此对整个系统的要求是：
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.1.1 磁致伸缩液位测量的背景 1
1.1.2 磁致伸缩用于液位测量的意义 1
1.2 液位系统构成 2
1.3 液位测量系统开发方法介绍 2
1.4 本论文研究内容和章节安排 3
第2章 总体设计 4
2.1 磁致伸缩液位测量的适用要求 4
2.2 磁致伸缩液位测量系统设计方案 4
第3章 磁致伸缩液位测量系统硬件设计 1
3.1 磁致伸缩液位测量系统硬件总体设计 1
3.2 稳压电源模块设计 1
3.3 MCU最小系统硬件设计 3
3.3.1 MCU选型 3
3.3.2 核心处理器MSP430F5172的分析 4
3.4 MCU外接模块硬
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
件电路设计 5
3.4.1 12864液晶屏转接电路设计 5
3.4.2 串口RS232通信模块硬件设计 7
3.5 脉冲处理硬件电路设计 7
3.5.1 脉冲发送硬件电路设计 8
3.5.2 脉冲激励硬件电路设计 9
3.5.3 脉冲放大硬件电路设计 10
3.5.4 电压比较电路设计 11
3.6 波导丝材质分析 11
第4章 磁致伸缩液位测量系统软件设计 12
4.1 磁致伸缩液位测量系统软件总体设计 12
4.2 嵌入式处理器主控模块软件设计 12
4.3 嵌入式处理器测量模块软件设计 14
4.4 嵌入式处理器显示模块软件设计 15
4.4.1 液位测量系统显示选型 15
4.4.2 JM12864液晶屏模块 15
4.5 嵌入式处理器通信模块软件设计 17
4.5.1 标准MODBUS口RS232兼容串口通信模块 17
4.5.2 MODBUS通信协议 18
4.6 MCGS组态软件设计 22
4.6.1 液位测量系统于上位机上的软件选型 23
4.6.2 液位测量系统MCGS组态软件设计 23
第5章 系统调试 27
5.1 液位测量系统各模块单独调试 27
5.1.1 脉冲处理硬件电路调试 27
5.1.2 嵌入式处理器内部程序及外接模块调试 29
5.1.3 液位测量系统MCGS组态软件调试 31
5.2 液位测量系统系统调试 32
第6章 总结和展望 34
6.1 总结 34
6.2 展望 34
致 谢 39
附录一：程序 40
附录二：外文文献及翻译 44
第1章 绪 论
本章首先介绍了本课题的研究背景及其研究意义，接着分析了系统模块的划分及实现方法，然后阐述了本文主要的研究内容与成果，最后概括了本文的组织结构。
1.1 课题研究的背景
1.1.1 磁致伸缩液位测量的背景
利用各种原理构成的液位测量方法很多，如磁浮子式传感器、钢带浮子式传感器、静压式传感器、伺服式传感器、电容式传感器、雷达式传感器、超声波式液位测量传感器等。这些方法对于一般情况的液位测量都能满足要求。然而,对于量程大、参数多、精确度高的液位测量,都存在许多不理想之处[1]。例如,对于围度及上下差都比较大的油罐,油位和水位的测量的精确度越高决定着油料质量和容积的测量与油料输送系统的控制精度越高。往往毫米级的测量误差,会带来巨大的经济损失。很多这样的油罐,有的会高达二十多米，对于需要这么大量程的液位测量,如果在不同环境条件尤其是恶劣环境下，测量误差能达到只有几毫米是极为不容易的。即使采用测量精确度为0.1%的液位测量仪表,还会存在20mm的误差[2]。
现如今，运用磁致伸缩液位测量技术是解决这些问题的一种比较好的解决方法。这是一种利用新材料新技术的先进方法，将能在国内得到广泛运用，而今在国外已被广泛用于很多民用领域。用磁致伸缩的液位传感器测量精度可达0.05%，其寿命长，重复性及可靠性都比其他一般液位传感器要好得多；而且，浮子与传感器敏感元件没有直接接触，这样就可以使其在极恶劣的环境下也可正常工作[3]。
1.1.2 磁致伸缩用于液位测量的意义
磁致伸缩效应的形成，是当强磁体受到外力作用时，除像一般固体那样要产生弹性形变外，还会产生磁致伸缩性形变。后者是由于应力使磁畴结构和磁化状态发生变化，进一步引起磁畴的形变，称为力致伸缩，又称磁弹性效应。
磁致伸缩技术在液位测量上的使用开始于上世纪70年代的美国，经过二十多年的发展，尤其是过去十年间在工业方面的广泛运用，得到了业界的广泛称赞和认可[4]。然而在国内它的发展还在起步阶段，不够成熟，研究磁致伸缩技术并运用于液位测量有着很好的前途。
而本课题就是制作一个基于MCU的磁致伸缩液位测量系统，能够在核心元件不接触液体的情况下，让有电流通过的波导丝在永磁场（浮子）下产生扭转波并用一定匝数的线圈采回，然后通过计算一开始电流在线圈中产生的脉冲和回波脉冲时间差，再与波速相乘即为位移，由于波速为2800m/s，只要采集频率够高，就能得到高精度液位数据[5]。然后能够显示这个液位数据，并通过杆长计算液位显示，再实现与上位机的通信就可远程通过上位机来操作此系统，最终完成一个操作方便，适用范围广，精度高，成本低，免维护的智能磁致伸缩液位测量系统。
1.2 液位系统构成
基于MCU的磁致伸缩液位测量系统：该系统要求集成度和采集频率高，能够显示量程，液位等项目，可以在上位机形象显示液位数据。所以要选择下位机与上位机通信方式，对硬件电路要有脉冲发送、放大滤波功能。因此对整个系统的要求是：
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