摘 要本文讨论了一种基于MODBUS的磁致伸缩液位测量系统。液位已成为工业生产中不可或缺的参数，液位测量在工业生产中占有极其重要的地位。磁致伸缩液位传感器因其测量精度高、安装方便等优点逐渐被应用到各种领域的液位测量中。本系统设计采用了先进的磁致伸缩液位测量传感器、工业标准通讯协议MODBUS和MSP430系列单片机。将磁致伸缩液位传感器采集到的实时液位数据通过MODBUS通讯协议和MSP430F169单片机进行收集、存储和显示。进行了最小系统、显示模块、按键接口、通讯系统、报警电路、电源等硬件电路部分的设计，同时通过模块设计的方法，设计了磁致伸缩人机接口界面、数据存储、ASCII与RTU通讯方式的设计与实现等软件部分。最后，通过对整体系统的调试，满足了液位测量、显示、报警等系统功能。在此基础上分析了系统的不足和改进方法，为进一步的完善此系统做了铺垫。论文还涉及到了现场总线，人机接口设计等多种技术。综合使用了传感器、单片机、总线协议等多门学科，实现了一种可用于工业液位测量的磁致伸缩液位测量系统的设计，为工业液位的测量提供了一种思路，为磁致伸缩传感器液位相关应用做了准备。
Key words: Magnetic ; Sensor; MODBUS;Microcontroller目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外磁致伸缩传感器现状 1
1.3 设计重点与难点 2
1.4 结构与章节安排 2
第2章 系统总体分析与设计 4
2.1 磁致伸缩传感器原理 4
2.2 现场总线选型 4
2.3 系统总体分析与设计 6
第3章 硬件设计 8
3.1 最小系统模块设计 8
3.1.1 单片机选型 8
3.1.2 晶振电路设计 9
3.1.3 复位电路模块 9
3.2 显示模块设计 10
3.3 按键接口电路设计 12
3.4 通讯电路设计 13
3.4.1 RS232接口 13
3.4.2 RS485接口 14
3.5 报警电路设计 15
3.6 电源模块设
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计 16
第4章 软件设计 18
4.1 磁致伸缩测量系统人机接口软件设计 18
4.1.1 液晶驱动设计 18
4.1.2 按键输入设计 18
4.1.3 用户界面设计 20
4.2 数据存储设计 21
4.3 MODBUSASCII通讯方式 24
4.3.1 MODBUS通讯协议 24
4.3.2 ASCII通讯原理与实现 24
4.3.3 LRC校验 25
4.4 MODBUSRTU通讯方式 25
4.4.1 RTU通讯原理与实现 25
4.4.2 CRC校验 29
第5章 系统调试 30
5.1 显示界面调试 30
5.2 MODBUS通讯协议调试 33
第6章 总结与展望 38
6.1 总结 38
6.2 展望 38
参考文献 40
致谢 42
附录 1 43
附录2 53
绪论
1.1 研究背景
20世纪80年代前，在经典电磁学的基础上，人们将不便于测量和处理的位移、位置、液位、尺寸等物理量转换为易于定量检测、便于信息传输和处理的电学量，传感器技术由此诞生[1]。随着微电子技术的进步与发展，传感器技术与计算机技术、通信技术被一同被称为现代技术的三大支柱。传统的传感器完全由硬件组成，这些传感器很大程度上无法满足现代社会的要求[2]。随着测量仪器越来越自动化、智能化的发展趋势，对传感器提出了的更高的要求，不仅要求测量精度高、稳定性好，同时还要具备一定的数据处理分析能力。磁致伸缩材料的发展，促使磁致伸缩原理开始应用到传感器中，出现了磁致伸缩位移传感器。它综合利用了磁致伸缩效应、浮力原理、电磁感应、电子技术等多种技术[3]。通过将液位信息转变为时间量，来实现对液位的精确测量，满足人们对液位测量的要求。磁致伸缩传感器相对于其他传感器测量精度可达0.01%FS，重复精度小于0.001%。传感器采用敏感元件与被测液体非接触式测量，有利于延长使用寿命，有利于磁致伸缩传感器在各种恶劣的工业环境下工作。磁致伸缩液位传感器不需要定期标定与维护，这使得它更方便安装与调试，节省人力、物力，同时它可进行多点、多参数的液位测量，安全性能高[4]。近年，材料科学的发展，使磁致伸缩液位传感器发生了巨大的变化。一方面，新材料、新工艺的使用提高了测量的精确度，延长了测量范围，同时波导丝的性能有了显著地提升。另一方面，磁致伸缩传感器也朝着智能化、微型化、数字化方向快速发展着。
1.2 国内外磁致伸缩传感器现状
1842年，Joule发现了磁致伸缩效应。磁致伸缩效应是指磁性材料或物理处于外部磁场时，其体积与长度所发生的微小的变化。磁致伸缩原理逐渐应用到位移传感器中，出现了磁致伸缩位移传感器。磁致伸缩液位传感器由3部分组成，分别是波导管、浮子和测量探头。工作原理是利用脉冲信号和永久磁化的磁环产生的两个磁场相交，在波导丝上产生一个超声波信号。通过测量探头接收到超声波信号的时间，计算出测量液面的准确位置。磁致伸缩液位传感器不足之处是有较大的盲区[5]。近年来，国外涌现出了大量基于磁致伸缩效应的传感器。美国海军武器研究中心开发的磁致伸缩应变计动态范围大、灵敏度高，可用于微位移测量。在磁致伸缩大位移传感器方面，美国MTS公司拥有磁致伸缩位移传感最早的设计专利权，其公司研制的磁致伸缩大位移传感器，在测量直管机械时的行程范围可达10m，精确度高达0.1mm[6]。美国最新研制的新型传感器在原有功能的基础上，又增加了自我诊断、状态显示、和遥控编程等实用性功能。该公司的TemposonicsⅢ和L系列磁致伸缩传感器测量精度高，性能强，同时该公司也在磁致伸缩部分技术上取得了一定的突破，为磁致伸缩位移传感器更广泛的应用在自控工业上做出了贡献[7]。TemposonicsⅢ和L系列传感器采用模块方式组装，这为生产、应用、维修和技术升级提供了方便。在磁致伸缩材料和磁致伸缩传感器方面，我国研究起步相对较晚，但在我国科技人员的努力下，也有了突破性的进展。从上世纪90年代中期开始，我国对磁致伸缩材料的取材工艺、特性和材料应用器件进行了深入的研并在这些领域取得了一定的成果[8]。随着近几年国内市场需求量的迅速增长，磁致伸缩传感器产品越来越多地应用到国民经济的各个领域，这促使了大批国内传感器企业的崛起。
1.3 设计重点与难点
设计方案中磁致伸缩液位系统主要由磁致伸缩传感器、MSP430单片机、MODBUS通信协议三部分组成。其中MSP430单片机为此设计系统的中心控制部分。它是一种处理能力强、运算速度快、功耗低、片内资源丰富、开发环境方便高效的混合信号处理器。围绕MAP430单片机设计了最小系统、按键接口、警报电路、通讯系统、电源等硬件模块。系统数据通过MODBUS通信协议进行传输，测量数据经由单片机的通讯串口将磁致伸缩液位传感器测量的液位值进行快速传输。MSP430单片机接收数据再经由相关硬件电路进行数据处理、储存、显示与报警[9]。
MODBUS是一种工业现场的总线协议，此协议可将不同控制设备连接成工业网络，有利于各种数据的采集与过程监控。本设计系统主要通过MODBUS 协议进行磁致伸缩传感器与MSP430单片机的通信，MODBUS部分程序的编写是本系统的重要设计内容。

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