基于GPS、GSM和单片机的储罐显示仪*

［刘娜］



基于GPS、GSM和单片机的储罐显示仪*

［刘娜］

摘要

储罐液位的精确计量对生产厂库存管理及经济运行影响很大,但是国内许多大型储罐的液位计量采用人工方法,有很多弊端。为了能够做到实时动态测量数据，避免安全事故，为生产管理和决策提供准确的数据，要求储罐液位检测显示仪趋向于微型化、智能化，因此文章介绍一种用MSP430单片机制作的储罐显示仪。用显示仪取代液位计及压力表，文章给出了硬软件设计方案。显示仪通过GPS精确定位储罐，通过GSM网络实现储罐显示仪的数据无线传输和检测，真正实现储罐远程监控和自动化管理。经过理论和现场实验表明，该显示仪测量精度高，安全可靠，超低功耗。同时方便现场操作和安装维护，降低了劳动强度，取得了良好的经济效益，是比较好的储罐液位测量解决方案。

关键词：GSM GPS 储罐 MSP430单片机

刘娜

女，硕士学位，副教授，辽宁机电职业技术学院信息工程系，从事计算机、单片机、嵌入式技术研究及教学。

随着单片机技术、网络技术和通信技术的兴起与发展，储罐计量系统正在向网络化、智能化方面加速发展。在基于体积的储罐计量系统中，存量测量经由液位和温度的测量实现；在基于质量的储罐计量系统中，存量测量采用液体的液柱静压的测量取得。在计量时，无论采用什么方法，测量仪表的可靠性和精确性非常重要。由于仪表的智能化需要，用数显仪表取代液位计及压力表，对储罐实现远程监控管理、自动化管理；数据无线传输成为必然趋势。经过在企业的多次工程实践证明，本文设计的新型储罐显示仪（以下简称显示仪）系统，在储罐计量领域达到了一个较高水平。该显示仪可以满足企业在储罐区对效率，安全和精确性日益增长的需求[1][2]。

1　显示仪的硬件及关键模块

现存许多罐区的测量系统仍是基于旧的测量技术，这导致了罐区的测量精度低、监控和维护问题等不如人意。本文设计的显示仪能通过GPS模块准确定位储罐；显示仪采集储罐数据，再通过公网GPRS将数据远传到控制室或与显示仪配套的手持机；手持机是内置热敏打印、条码扫描、GPRS等功能的移动终端。显示仪采用IP54等级进行密封，能够承受多次从1.2米掉落到水泥表面；应于在各类苛刻环境下进行数据采集、信息处理；可实时远程了解介质填充并完成结算[3][4]。显示仪系统联网示意图如图1。

图1　显示仪系统网络结构

从图1可看出，显示仪是系统的关键设备。本文设计的显示仪达到以下功能：

（1）显示不同介质：液氧、氮、氩、二氧化碳、LNG等；

（2）显示介质读数：重量(Kg)、气相体积(NM³)、液相体积(L)、百分比(％)；

（3）实时解决计量问题，重量测量精度为±1％以内，容积计算精度0.1％，压力测量精度±0.05％，带补偿计算数学模型；

（4）显示压力读数:MPa、Psi、Bar，随时可知压力，从而保证安全；

采用低功耗的高精度重量传感器和大量程压力传感器；

（5）128*64点阵的图形液晶显示器，薄膜按键零点修正功能，量程按键修改功能；

（6）壳体高度防水，防护等级IP65；

（7）采用GSM卡，通过流量方式与主网服务器连接，全透明数据上传；

（8）GPS模块定位精度达到3m以内；

（9）电池供电和交流电源供电双模式可选，电池工作寿命在300天以上；

（10）后台服务器实时、远程监控与管理；

1.1显示仪硬件系统组成

显示仪硬件以TI公司的MSP430系列16位超低功耗单片机MSP430F2272为核心，显示屏使用深圳力先电子有限公司的128*64点阵液晶模块LX12864D，传感器使用厦门海芯科技生产的模拟/数字(A/D)转换器

HX710C采集重量和压力数据。定位使用微科电子（香港）有限公司生产的GPS模块VK1612H2M3，使用深圳市普众通信技术有限公司生产的GSM模块SIM900A通过GPRS进行数据远传[5]。显示硬件原理图如图2。

键盘部分，P1.3为SET键；P1.2为测试键/下移键；参数设置时使用；P1.1为移位键；P1.0为增加/查询键。

数据采集部分包括重量、压力、电池电压等三个数据；P2.1为数据采集电源控制端；P2.0为电池电压采集；P2.4为基准电压；P3.0和P3.1为称重数据和压力数据的检测控制。

显示部分，P3.7为液晶电源开关；P1.4为液晶屏SDA；P1.5为液晶屏CLK；P1.6为液晶屏RS；P1.7为液晶屏CS。

GSM/GPS数据采集，P3.6为GPS电源控制开关；P4.6为GSM电源控制开关；P4.7为GSM电源指示，P3.4为TXD，P3.5为RXD。

图2　显示仪硬件原理图

1.2显示仪硬件关键模块MSP430F2272

MSP430系列单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)具有处理能力强、运行速度快、集成度高、开发方便等优点，有很高的性价。MSP430F2272的供电电压只需1.8V～3.6V，其中2.2V/1MHz时的电流只有270μA。系统内部可提供或外接高达16MHz的时钟信号，指令周期只有62.5ns，也可使用内部数字振荡器(DCO)或外接32768Hz低速晶体，用户可灵活平衡高性能和低功耗的选择。片上集成了10-bit200kbps的A/D转换器且含有具有捕获比较奇存器的16位定时器TimerA、TimerB，4个8位并行复用端口，其中P1，P2口有中断能力。拥有32kB+256B Flash Memory，1kB RAM，一个串行口，支持JTAG在线编程和仿真调试[6]。

1.3显示模块LX12864D

深圳力先电子有限公司生产的液晶模块LX12864D 是128X64点阵的汉字图形，由于小巧轻便、使用方便、显示清晰，广泛应用于各种人机交流面板。此款可以显示128列*64行点阵单色图片，或显示8个/行*4行16*16点阵的汉字，或显示16个/行*8行8*8点阵的汉字，英文、数字、符号。输入指令强，可组合成各种输入、显示、位移方式以满足不同的要求。功耗低，使用寿命长达50000小时（25℃）。可广泛应用于各种仪器仪表、考勤系统、门禁系统等[7]。

模块有8位并行或串行方式连接MCU。本文使用串行方式连接。

1.4显示仪GPS模块VK1612H2M3

深圳市微科通讯设备有限公司生产的GPS模块VK1612A9M3，是一个完整的卫星定位接收设备，具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求。体积小巧，可以安装每个储罐的显示仪上。该产品采用了新一代中科微公司的ATGS01低功耗芯片，超高灵敏度，在城市峡谷、高架下等信号弱的地方，都能快速、准确的卫星定位。可广泛应用开发多种GPS终端产品，对终端产品进行监控以及其他卫星定位应用等。该模块具有重新启动、定位模式切换、波特率设置、语句输出更新速率设置等功能，可通过上位机给模块发送相应的控制指令，即可启动相应的功能。通过GPS技术，可快速、准确、实时确定储罐的空间位置，便于各种灾害事故的预测预警[8]。

1.5显示仪GSM模块SIM900A

显示仪的通信芯片采用SIMCom公司的新型紧凑型产品SIM900A，它属于双频GSM/GPRS模块。完全采用SMT封装形式，性能稳定，外观精巧，性价比高，并且能够满足用户的多种需求。在实现断线自动重连功能时，涉及到DCD、RI两个引脚的使用。DCD引脚用来实现模数转换，当模块掉线时，会给DCD引脚一个高电平，当这个电平被DCD引脚检测到之后，模块就是采取相应的动作，来重新连接上线。RI引脚在模块上线之后，就一直保持高电平，在有电话和短信进来的时候，RI管脚就会有一个低电平出现，当RI引脚检测到这个低电平的时候，模块就会采取相应动作，进入到短信或者电话模式[9]。

使用GSM卡，通过流量方式与主网服务器连接，使用GSM的GPRS网络，将数据全透明上传。

只有在用户设置的条件下，如％变化值为设定值，2％ 或3％等，才发送GSM数据。格式为：

ID+容积+介质+重量+压力+％+电压+GPS值+经度+纬度

1.6显示仪硬件关键模块HX710C

显示仪通过HX710C采集以下参数：A、重量采集（称重1－称重4）B、压力采集C、电池电压检测，根据采集结果，显示仪判断是否发送数据。

HX710C海芯科技（厦门）有限公司生产的高精度的24 位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。

输入低噪声放大器的增益为128，当参考电压VREF 为5V 时，对应的满额度差分输入信号幅值为±20mV。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。HX710C片内的传感器电源开关可用于直接关断传感器电源，降低整机系统功耗[10]。

所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。MCU只需要2个I/O口即可实现对ADC的所有控制，包括断电控制。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

2　显示仪总体工作过程

显示仪有7种状态，开始状态，参数显示状态，睡眠状态，数据采集状态，GPS检查状态，GSM发送状态，设置参数状态。

开始状态，显示仪开始上电，检测下列开关状态：数据采集电源开关；GPS电源控制开关；GSM电源控制开关；液晶电源开关；GSM电源指示是否打开，如果没有打开，报警提示。

参数显示状态，无警报进行正常显示，产品型号，版本号和厂家名称。显示5S后，开始显示现场采集的参数，如表1。

表1　显示参数值

以上参数有6个，显示前两列，在设定的显示时间后，关闭显示，进入睡眠状态。其中各字母含义如下：L容积，KG重量，KP压力，％剩余量，V电池电压，T检测时间。

睡眠状态，系统计时工作，其余停止。在睡眠状态时，如果数据检测时间到后，进入数据采集状态。按增加/查询键，再次显示。

数据采集状态，采集重量、压力、电池电压检测，此时屏幕不显示；但是根据采集结果计算，判断是否发送数据。

GPS检测状态，在如下情况才检测位置：

A、更换电池时，也就是重新上电时检测；

B、％增加时检测。显示仪将获得的GPS的经纬度与原有保存的数据比较，如果相同，GSM发送时，不发送经纬度。否则GSM发送时，发送经纬度。

GSM发送状态，当％变化为设定值，如2％或3％等，GSM才发送数据。

设置参数状态，在参数显示，睡眠状态，数据采集等状态下，如果按下SET设置键，进入设置状态。

在设置状态下：屏幕始终开启，数据采集电源关闭，只有在需要时开启；GPS关闭，GSM关闭；当用户设置完参数，按设置键，参数自动保存，退出参数设置状态，返回参数显示状态；一段时间5S无操作，自动进入数据采集状态，开始循环工作。

3　显示仪软件设计

显示仪程序设计语言采用了MSP430的IAR Embedded Workbench工具和调试器C－SPY进行设计，主要采用C 语言编程。

IAR Embedded Workbench 被专门设计成能适合常用的软件开发项目的组织方式。若设计者需要开发适合于不同版本目标硬件的应用程序的相应版本，而这些相应版本的应用程序又有相同的部分源文件，那么使用项目管理方式就很方便。设计者只需要维护唯一的副本，就可以对应用程序的每一个版本进行改进。C语言进行编程简单，便于移植[11]。

软件程序主要包括：MSP430主程序模块，中断方式子程序模块：定时器计时程序，GSM无线传输程序，GPS定位程序，键盘参数设置程序，看门中断程序等。

显示仪主程序在设定时间内采集，检测储罐的状态及相关参数的变化，包括重量、压力、GPS位置和电池剩余电量等。

4个称重传感器，分别称重，独立运算，得到的结果平均计算，再按照数学模型进行补偿，参数修正。

当这些数据明显变化时，再启动GSM发送信息。否则，如果参数变化不大，则不发送信息。

用户任何时刻可以通过四个按键设置和查询相关参数；如容积，空载压力检测，压力修正系数，空载重量检测，重量修正系数，时间参数，GPS、GSM参数等。最终通过GSM模块SIM900A将采集的数据进行无线传输。限于篇幅其它中断程序框图略。

显示仪主程序框图如图3。

4　结束语

储罐显示仪以MS43-F2272单片机为核心，将GPS技术和GSM网络相结合，符合当前智能仪表的主流趋势，也符合石油化工、冶金、电力等生产环境以及企业智能化仪表联网的需求。

图3　显示仪主程序框图

储罐显示仪可广泛应用于测量气、水、油、酸类等多种介质的液位及压力等多项数据；可根据用户设定的压力、重力、温度等修正参数自动计算和修正；并具有GPS储罐定位，可以保证安全；同时通过GMS将多台显示仪联成网络。显示仪工作性能稳定可靠，体积小，功耗低，测量及控制准确灵敏，安装使用方便。目前已在一家油田企业中投入使用。

参考文献

1张念鲁,王红,李秉权.采用多单片机的液位监控仪[J].单片 机与嵌入式系统,2005,5(1):59-69

2马德营,王常顺,潘为刚.基于北斗定位系统的车辆燃油监测报警系统 [J].单片机与嵌入式系统,2015,15(1):60-63

3王国辉.MEMS加速度计的GPS终端的低功耗系统设计[J]..单片机与嵌入式系统,2014,14(6):54-60

4许培培,杨国豪,徐轶群.基于BD/GPS的双模船载导航系统设计[J].单片机与嵌入式系统,2015,15(4):47-50

5吴必瑞,裴素萍,彭圣,谢善娟.基于MSP430的电站自动化控制器研制 [J].测控技术,2013,27(8):83-86

6廉小亲,陈建涛,张晓力,王嵩.基于MSP430的远程空调控制系统控制终端的设计[J].测控技术,2013,27(2):62-65

7赵卫丽,王志刚,刘海花.基于WinCE的液位遥测系统软件设计[J].单片机与嵌入式系统,2008,8(1):55-57

8顾青,江南,黄波,范红雨.基于TDMA的GPS船只动态定位系统的设计与实现[J],测控技术,2014,28(7):6-8,12

9莫德清,韩剑,赵英,梁英.基于GSM和LabVIEW的污水处理远程监控系统{J},测控技术,2014,28(4):62-65

10茅胜荣,孙兵,陈小平.STM32平台的MPL3115A2气压传感器的应用[J],单片机与嵌入式系统,2014,14(9):56-59

11万智萍.CC2530和FPGA的新型无线网络节点设计[J].单片机与嵌入式系统,2012,12(7):20-23

收稿日期：（2016-02-22）

基金项目：辽宁机电职业技术学院2016度院级教研课题（基于电子产品的单片机实训室建设与研究）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.016