1  引言

随着人类文明的进步和科学技术的迅速发展,防治已从被动的后期扑救发展到主动的探测预防,对冷却塔水位进行及时有效的监测报警,是实现早期预防重大事故和为人员疏散争取充裕的时间、保护人民生命财产安全的需要^[1]。现代社会,由于人口密度较大,地铁成为大多数人上班的交通选择,一旦发生地铁内部系统事故,后果极其严重,为了避免冷却塔水位失调造成的灾难性后果,对水位的早期监测很重要^[2]。由于传统水位探测技术已无法满足现实水位监测的需要,新型的可视化数据技术以及单片机通讯技术正在兴起,智能水位探测技术的宗旨就是要在事故发生的早期,准确地判断出有无报警进而采取相应的操作^[3]。工控触摸屏和单片机的组合能实现对冷却塔水位实现数据实时性和可视化的要求，对冷却塔水位控制具有重要意义^[4]。

2  水位控制系统结构

基于工控触摸屏和单片机的冷却塔水位控制系统结构如图1所示。该系统主要由工控触摸屏、水位传感器、STM32F103单片机注水电机以及报警设备组成。在外部系统的驱动下，冷却塔水位会发生改变，水位传感器获取冷却塔的水位信息后会将信息传送给触摸屏和单片机，单片机与触摸屏之间通过RS232通讯线进行通信，工控触摸屏能获得单片机所读取的水位实时信息并进行组态动画和数据显示。当冷却塔水位降低到补水阈值时，单片机的电机驱动程序驱动注水电机对冷却塔注水，一直将水增加到预设的水位，当水位降低到补水阈值还没有注水水位会一直下降，当水位降低到报警阈值时，单片机的报警程序启动，控制报警设备进行报警。

图1  基于工控触摸屏和单片机的冷却塔水位控制系统

3  单片机系统

    STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用，按性能分成两个不同的系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列，增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择^[5]。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合，时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz^[6]。

STM32F103性能特点包含以下几个部分。内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法，存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器，6-64KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压，POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）^[7]。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路，内部40kHz的RC振荡电路，用于CPU时钟的PLL，带校准用于RTC的32kHz的晶振，低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式，为RTC和备份寄存器供电的VBAT，调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口^[8]。DMA：12通道DMA控制器，支持的外设：定时器、ADC、DAC、SPI、IIC和UART，2个12位的μs级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6V，具有双采样和保持能力。STM32F103的引脚图如图2所示。

图2  STM32F103引脚图

4  软件设计

冷却塔水位控制系统的软件设计主要是对单片机软件程序的设计。软件程序流程图如3所示。当水位传感器监测到水位低于正常水位所设定的注水阈值时，单片机引脚通过控制电平的高低进而控制注水电机的运转。电机运转后为冷却塔注水，当时为到达正常水位后，电机停止运转。当水位降低到注水阈值但此时注水电机因故障等原因未运转时，随着水位的下降，水位会到达报警阈值，此时通过报警设备对故障设备报警以进行故障排除。

该软件设计中有一个重要模块是水位监测模块。该模块由三个金属棒外接单片机引脚来判定水位的高低。三根金属棒分别接电源、单片机的注水阈值和报警阈值，通过水位的降低与升高使得金属棒与电源形成通路，从而实现信号的触发。另外，在注水阈值和报警阈值的信号输出端接一下拉电阻，通过该方法可以用以去除电平干扰，该水位检测电路是水位控制系统的关键。

图3  软件程序运行流程图

5  测试试验

试验通过工控触摸屏的界面显示以及报警设备的报警来验证系统的性能，如图4所示。该触摸屏界面包括报警时间、报警类型、报警时间的产生和结束、当前的液位状态以及对报警事件的描述。可以看出，该触摸屏界面对冷却塔液位有了实时性以及可视化的描述，对了解水位信息更加简单方便。

图4  触摸屏水位报警界面

报警设备的报警情况根据单片机接收到的信号来决定。基于浮球的水位控制大多采用接触器触点的打开和关闭控制报警器报警，但这种硬件动作方式随着时间会发生老化从而影响报警效果。基于单片机的报警采用程序控制单片机的引脚，该引脚与报警电路通过信号线进行连接，受外界因素影响小，实验结果如附表所示。从实验结果中可以看出，在不同的时间段，基于单片机的水位控制注水时水位低于注水阈值的距离在0.1cm左右，报警设备报警在低于报警阈值的距离在0.05～0.18之间，响应时间低于0.23秒，可见该方法具有更好的报警效果。

附表  基于单片机水位控制的试验结果

6  结束语

针对冷却塔水位控制数据可视化效果差以及水位控制效果不理想的问题，设计了一种基于工控触摸屏和STM32F103系列单片机的冷却塔水位控制系统，该系统通过RS-232通讯线实现了工控触摸屏与单片机的通信，触摸屏的可视化界面有助于管理者更好的掌握水位信息和报警信息。系统改变了原有的接触器触点控制的报警方式，采用单片机的引脚电平通过信号线控制报警设备报警，大大减少了外界干扰。测试实验表明，该设计能快速并且准确的响应水位信息，对减少因水位过低对地铁站的冷水机组群控系统造成的影响具有重要意义。

参考文献：

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[2] 乔元健,李军. 工业水箱液位智能控制系统设计[J/OL]. 齐鲁工业大学学报,2019(06):59-63.

[3] 林填达,张泉宏,曾敏,胡小芳. 基于Modbus协议的STM32与触摸屏通讯的实现[J].  自动化与仪表,2015,30(08):45-48.

[4] 孙增雷，黄俊年. 基于GSM的远程报警系统的研制[J]. 武汉理工大学学报,2008,30(6):123-124.

[5] 乔永卫，程帅．基于Modbus协议的自动控制系统的通信研究[J]．自动仪表，2012，27(08)：34-37．

[6] 蔡黎．一种基于单片机的水位自动控制系统设计[J]. 仪器仪表用户,2007( 4) :26－27．

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[8] 张鲲，陈美伊，李壮．基于单片机的家庭智能火灾报警系统的设计[J]．软件，2014，35(4)：87-89..

作者简介：

乔元健 男 工学硕士 齐鲁工业大学（山东省科学院）研究方向：工业测控网络技术