基于MSP430 的连铸结晶器液位监控系统设计.pdf

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1、 基于 MSP430 的连铸结晶器液位监控系统设计 邵平凡，温 丽（武汉科技大学，湖北 武汉 430065）摘 要摘 要:本文研究并设计了一种基于 MSP430 单片机的高精度和高准确度的液位监控系统，从硬件设计、软件设计、系统抗干扰、开浇停浇电压补偿和参数线性化五个方面详细描述了整个系统。系统选用了高集成度、超低功耗的混合信号处理器MSP430F449，实现了信号的采集和处理，对液位进行实时的监控并且完成了与LTC1446、LTC1451 的数据传输任务。除此之外，还可以根据液位变化情况进行人工调整。系统解决了以往液位监控系统中存在的问题，达到了高准确度和高精度液位监控仪器的各项标准。关键词

2、关键词:液位监控；MSP430 单片机；数模转换；线性化；电压补偿 The Design of Crystallizer Liquid Level Measuring System Based on Msp430 Mcu SHAO pingfan，WEN-li（Wuhan University of Science and Technology Hubei Wuhan 430065）Abstract:A new crystallizer liquid level measuring system with high accuracy and high precision is develope

3、d in this paper.It described the system according to the hardware design,software design,anti-jamming design,voltage compensation for opening and stopping and parameter linearization.We choose an advanced integrated mcu with extremely low power consumption Msp430F449 as the main controller to Realiz

4、e signal sampling,processing and its conversion in the system.It also timely surpervise the liquid level and transmission data to LTC1446 and LTC1451 and receive related date from them.Anything else,it also be adjusted artificially accroding to the liquid-level change.The system reach the high stand

5、ar of liquid-level with high precision and accuracy to solve the problems that have been existing in the past.Keywords:liquid level supervision;MSP430 Mcu;A/D conversion;linearization;voltage compensate 中图法分类号：TP274 文献标识码：A 1 引言 1 引言 本文介绍的液位检测和监控主要应用于冶金、电力等领域的钢水等自动检测和控制系统中。目前液位监控系统在运行过程中存在着一些如系统不稳定、

6、抗干扰能力差、输出信号失真等问题。本文介绍的连铸结晶器的液位检测与控制系统吸收了国内外最新智能化仪表的设计经验，采用高集成度、超低功耗的16 位混合信号处理器MSP430F449 以及从国外引进的高性能数模转换芯片 LTC1446 和 LTC1451，集液位采集、输入信息的存储、显示、线性化失真参数以及补偿电压于一体，特别适用于冶金行业对钢水液位的监控。液位监控系统能够实时掌控系统工作时与液位相关的信息，将非线性反映液位高度的电压线性化成为线性反映液位高度的电流，而且在开浇之前能对输入电压进行 5V 自动校正。2 原理及系统结构 2 原理及系统结构 2.1 线性化修正原理 本系统选用的电涡流传

7、感器具有非接触、环境适应性强、灵敏度高、能测量多种参数等优点。在实际的非电量检测中，电涡流传感器将液位高度转换成为电压时，输出电量与液位高度之间的关系是非线性。为了保证液位实际高度与输入到工控机或执行机构的电量成线性关系，系统在每次浇铸前用钢板模拟钢水记录 16 个定点高度位移处的电压值，即用系统自带的千分尺进行位移的静态标定和校准，得到电涡流传感器的输入和输出特征曲线。得到h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 16 个定点高度处的电压后，两点之间用线性近似非

8、线性曲线得到传感器的输入和输出的特征曲线。如下图：液位高度与实际输出电压的非线性特征曲线4001116 1149 118913291410159017992092247329803582422348425000124901000200030004000500060000102030405060708090100 110 120 130 140 150液位高度(/mm)实际输出电压(/mV)图 1 液位高度与实际输出电压的关系曲线 如果系统在当前输入信号转换模块的电压 Vin 恰好是 16 个定点中的某一个点 Vi，则实际的液位高度 hh 是记录的高度值 hi。如果当前输入到信号转换模块的电压

9、Vin 不是 16个记录点处的电压，则查找 16 个记录点中与 Vin 相邻的的两个点 Vi-1 和 Vi,当前液位实际高度 hh:hh=hi-1-(10.0/(Vi-1-Vi)*(Vi-1-Vin)液位高度与输出的 4-20mA 电流成线性关系，故当前应输出的电流 ii:ii=4+16.0/150*(150-hh)注：液面位移高度 0150mm 电压范围：05000mV 电流范围：420mA 2.2 系统工作原理 连铸结晶器液位控制系统的基本原理是液位控制系统通过通电线圈与金属导体之间的涡流互感效应进行钢水液位的位置的精确检测，根据检测结果由单片机 MSP430F449 发出相应的控制信号，

10、使控制钢水流量的塞棒可进行有效调节，达到维持钢水液位稳定，实现全自动浇铸，达到提高连铸钢坯产量和质量的目的。2.3 信号转换的工作原理 信号转换的最主要原理是通过对事先得到的 16 个定点液位位移处的电压值进行两两相邻点之间线性近似处理得到系统在工作时液位位移的实际高度，输出与实际液位位移成线性关系的电流，输送给执行机构，即工控机。信号转换的输入信号是经过放大的 0-5000mV 电压信号和电流信号，0-5000mV 电压信号非线性的反映 0mm-150mm 的液位高度，电流信号反映当前温度高低。信号转换后有两个输出信号，一个是给前级放大板的补偿电压信号，补偿电压信号与前级放大板输入的电压信号

11、一起组成 5000mV 电压，用来表示位移在 150mm 时的开浇时电压；另一个是给执行机构（即工控机）的 420mA 的电流信号，此 4mA20mA 的电流信号线性反映 0mm150mm 的位移高度，执行机构能实时得到当前液面的高度值。2.4 系统结构 从外部整体看，系统的核心部分信号转换模块由液晶显示屏、独立式按键键盘和信号转换板三部分组成。本系统有三个主要功能：一是显示整个系统工作状态的信息；二是对非线性反映的0mm150mm液面高度的0-5000mV电压线性化修正成为能线性反映0mm-150mm液面高度的 4mA20mA 的电流；三是系统接收到开浇信号后，自动或人工补偿电压到 5000

12、mV 以反映 150mm 的液面高度，补偿结束后，系统返回开浇允许信号给工控机以表示可以开始浇铸。2.4.1 液晶显示屏 液晶显示屏的功能是显示系统工作的状态信息。系统工作的状态信息显示分为四个显示h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 页面，分别是系统工作信息显示页面、线性化定点设置页面、线性化定点设置内容检查页面以及电压补偿四个页面。2.4.2 独立式按键 键盘上有 4 个独立式按键。此键盘是用户与本系统进行交互的工具，按键各自的功能介绍如下：按键 1：页面

13、显示切换键。按键 2：线性化定点设置和内容复查键。如果当前页面是线性化定点设置页，则保存定点液面高度的输入电压值；如果当前页面是线性化内容复查页面，则检查线性化设置内容的合理性。按键 3：电压粗略补偿键。此键确保开浇前输入的电压为5000mV 左右，如果输入电压与 5000mV 相隔甚远，则使用此按键对电压进行 10mV/次的粗略补偿，使电压接近 5000 mV。按键 4：电压精细补偿键。此键确保开浇前输入的电压为 5000mV，如果输入电压不是 5000mV，则使用此按键对电压进行 1mV/次的精细补偿，是电压为 5000mV。2.4.3 信号转换 信号转换是系统的核心部分，主要功能是对输入

14、的模拟信号进行相应的处理后输出给前级放大板和工控机以及执行机构。3 硬件设计与实现 3 硬件设计与实现 系统由液晶显示屏、独立式按键键盘以及信号转换板构成。硬件分为三部分介绍：3.1 液晶显示屏 在显示屏的选择上，根据实际的需要，为了便于人机交互以及实时显示采集的数据，本系统选用了中文液晶图文显示芯片 OCMJ4X8C。OCMJ4X8C 可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘画及文字画面混合显示功能。芯片提供三种控制接口，分别是 8 位，4 位微处理器接口以及串行接口。芯片包含显示 RAM，字型产生器，只要一个基本的未处理系统，就可以方便的操作模块。3.2 独立式按键键盘 本系统中按键

15、数量为 4，电路的独立式连接使得配置非常灵活，相应的软件模块的实现比较简单。3.3 信号转换板 信号转换板上的主要有：D/A 转换模块、A/D 转换电模块、正反电压输出模块以及 16位 MSP430 单片机 MSP430F449。3.3.1 D/A 转换模块 D/A 转换模块的功能是通过 LTC1451 的 DIN 引脚将 MSP430F449 中的相关数据串行输入到该 LTC1451 中的 12 位寄存器，之后将该 12 位二进制数字信号轨到轨转换成 4-20mA 直流电流信号。此模块主要用到了进口的 LTC1451 型号的 D/A 转换芯片和高性能的 AD694 型号的电流输出芯片。该电路

16、用于信号转换中线性电流的输出。TLC1451 与 16 位 MSP430 单片机MSP430F449 采用并口（parallel port）连接，接口时序由软件控制，输出模拟电量信号。3.3.2 A/D 转换模块 TLC1291 内置采样保持，具有双模拟信号通道。TLC1291 与 16 位 MSP430 单片机MSP430F449 同样是采用并口（parallel port）连接，已接口时序由软件控制，CS 信号由高变低时LTC1291将初始化数据转移寄存器，同时LTC1291检测DIN引脚上是否有开始信号。如果收到开始信号，则继续在 DIN 引脚上接收一个 4bit 位的控制转换参数。接收

17、完控制转换参数，过一个 bit 位的传输时间间隔后，12bit 位转换结果的最高位出现在 DOUT 引脚上。控制转换参数和转换结果都要通过时钟信号 CLK 的上升沿一位一位串行的输入或输出。定时器 1 定时中断启动主芯片中的 A/D 转换起始信号，LCT1291 芯片通过接收启动信号，进行 A/D转换。h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 3.3.3 正反电压输出模块 正反电压输出模块的功能是将 12 位数字信号转换成为相应的电压模拟信号，此电路接受主芯片 M

18、SP430F449 的 24 位二进制数字信号，如果将需要转换的 12 位数字信号作为 24位输入信号的高字段，电路输出与 12 位数字信号对应的正电压；若将需要转换的 12 位数字信号作为 24 位输入信号的低字段，电路将输出与 12 位数字信号对应的负电压。此电路模块中主要用到进口 D/A 转换芯片 LTC1446 和起放大作用的 LT1077 芯片，正反电压输出模块的电路参见图 5。高性能的 LTC1446 芯片具有 12 位精度轨到轨的输出，保证了在实际工作中对开浇电压进行精度为 1mV 的精确补偿。4 软件设计与实现 4 软件设计与实现 本系统的软件设计重点是将非线性反映液位高度的电

19、压修正成为能线性反映液位高度的电流以及在系统开始浇铸前对输入信号转换板不足或超过 5000mV 的电压进行补偿，直到前级放大板的输出电压为 5000mV。在软件方面，源程序由四个模块组成：一是系统正常工作时信息的显示模块；二是线性化定点设置模块，用于记录液面定点高度的输入电压信号；三是线性化定点设置内容检查模块，用于检查记录定点的非线性电压内容是否有误；四是对开浇前的输入电压的补偿模块。开浇前对系统进行的电压自动或手动补偿实际上是修正传感器在开浇前输出的非线性反映液位高度的电压。在系统中设置了粗调即 10mV/次和细调即 1mV/次的手动来补偿电压，同时系统也设置了自动将开浇前的输入电压调至

20、5000mV。系统源程序说明 图 2 系统流程图 开始恢复数据扫描键值获得key_value的值初始化系统变量定点位移电压是否已经线化页码Pegenum是否0Key_value的值为1页码Pegenum是否1页码Pegenum是否2页码Pegenum是否3显示工作状态信息显示线性化设置页面显示线性化设置内容检查页面显示补偿电压和150mm液位电压Pegenum是否0Pegenum是否1Pegenum是否2Pegenum是否3Key_value的值为2Pegenum是否1Pegenum是否2Key_value的值为3Key_value的值为4工作信息显示页面线性化内容设置线性化设置内容复查显示电

21、压补偿页面在线性化内容设置页面上保存定点电压在线性化复查页面上检查定点高度的电压是否设置合理对150mm处的电压进行10mv补偿对150mm处的电压进行1mv补偿NONONONONOYESYESYESYESYESYESYESYESYESYESYESYESYESYESYESNONONONONONONO.h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 5 小结 5 小结 本仪器应用于连铸结晶器钢水液位自动控制系统中，实现了各种信号的转换，能够较好的保证整个控制系统对信号转换

22、精度和速度的要求，为浇铸过程中保持液位稳定提供了保证。创新点 采用的 16 位单片机 MSP430 具有高性能低功耗的特点，是取代 8 位 51 系列单片机的较好选择。而且测量方法非常简洁且精度高、测试范围较广、具备自动电压补偿以及线性化修正电压的功能。能够很好的解决由于传感器信号比较弱、信号转换精确度不高、液位值测得失真等问题。参考文献 参考文献【1】魏小龙.MSP430 单片机接口技术及系统设计实例M.北京：北京航空航天大学出版社.2002.【2】胡大可.MSP430 系列 FLASH 型超低功耗 16 位单片机M.北京：北京航空航天大学出版社.2001.【3】秦香丽，祖静，裴东兴，靳鸿.

23、基于 MSP430 单片机的热线式风速测量系统的设计J.微计算机信息，2008，3-2：116-117。作者简介：邵平凡（1955-），男，汉，湖北武汉，副教授，硕导，主要研究方向为仪器仪表，系统集成技术，嵌入式系统；温丽（1985-），女，汉，湖北武汉，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统，单片机等。Biography:SHAO pingfan(1955-),male(Han nationality),hubei,Wuhan University of Science and Technology,associate professor,Instrumentation，System Integration Technique and Embedded System;WEN-li(1985-),female(Han nationality),hubei,Wuhan University of Science and Technology,Masters degree,Embedded System and Single Chip Microcomputer.项目经济效益（20 万元）h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛