電容式液位傳感器設(shè)計(jì)

1、 河南城建學(xué)院 安全檢測(cè)與監(jiān)控課程設(shè)計(jì) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 李保林 專 業(yè) 安全工程 課程名稱 安全檢測(cè)與監(jiān)控 指導(dǎo)教師 祁林 王曦 市政與環(huán)境工程學(xué)院 2014年12月26日第一部分：方案論證11.1設(shè)計(jì)原理1第二部分：?jiǎn)卧娐吩O(shè)計(jì)22.1傳感器設(shè)計(jì)22.1.1傳感器原理22.1.2傳感器的組成22.1.3 測(cè)量原理32.2將電容轉(zhuǎn)化成電信號(hào)部分42.3 電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)42.4 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)52.5 控制電路的設(shè)計(jì)72.6 顯示電路設(shè)計(jì)82.7 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10第三部分： 元器件清單14第一部分：方案論證1.1設(shè)計(jì)原理本設(shè)計(jì)采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用其兩電極的覆

2、蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化，從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測(cè)量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大。從放大電路出來的是模擬量，因此送入ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ADC0809連接于單片機(jī)，把信號(hào)送入單片機(jī)。通過單片機(jī)控制水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)。顯示電路連接于單片機(jī)用于顯示水位的高度。該顯示接口用一片MC14499和單片機(jī)連接以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。1.2系統(tǒng)框圖被測(cè)物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。傳感器：將輸入的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。放大，整形

3、，濾波：傳感器的輸出信號(hào)一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理來完成。A/D轉(zhuǎn)換器：實(shí)現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。單片機(jī)：目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機(jī)。顯示設(shè)備：在此用到8段數(shù)碼管?？刂圃O(shè)備：控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或關(guān)閉。 第二部分：?jiǎn)卧娐吩O(shè)計(jì)2.1傳感器設(shè)計(jì)2.1.1傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測(cè)體的導(dǎo)電率, 通過傳感器測(cè)量電路將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示,該系統(tǒng)對(duì)液位深度具有測(cè)量、顯示與設(shè)定功能,

4、 并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。2.1.2傳感器的組成圖2-1-2 為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要是由細(xì)長(zhǎng)的不銹鋼管(半徑為R1 ) 、同軸絕緣導(dǎo)線(半徑為R0 ) 以及其被測(cè)液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化, 從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。圖2-1-2傳感器原理圖2.1.3 測(cè)量原理由圖1 可知, 當(dāng)可測(cè)量液位H = 0 時(shí), 不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0 , 根據(jù)文獻(xiàn)得到電容量為: （1）式中, C0 為電容量, 單位為F ; 0 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù),單位為F/

5、 m; L 為液位最大高度; R1 為不銹鋼管半徑;R0 為絕緣導(dǎo)線半徑, 單位為m。當(dāng)可測(cè)量液位）為H 時(shí), 不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH : （2）式中, 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù), 單位為F/ m。因此, 當(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到H 時(shí), 其電容的變化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式可知, 參數(shù)0 , , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量C 與液位變化量H 呈近似線性關(guān)系。因?yàn)閰?shù)0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 為常數(shù)) (4)?？梢? 傳感器的電容量值CH 的大小與

6、電容器浸入液體的深度H 成線性關(guān)系。由此, 只要測(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。2.2將電容轉(zhuǎn)化成電信號(hào)部分 采用運(yùn)算法測(cè)量電路來轉(zhuǎn)化。該電路由傳感器和固定的標(biāo)準(zhǔn)電容以及運(yùn)算放大器A組成，如圖2-2所示。 圖2-2 運(yùn)算放大器測(cè)量電路原理圖2.3 電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測(cè)量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大，如圖2-3所示，采用最基本的比例運(yùn)算反放大電路. 圖2-3 比例放大電路要將30mV電壓放大成5V，根據(jù)公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=500K,R2=3K，R4=R1/R2,后邊的是一個(gè)反相器，把第一個(gè)運(yùn)放得到的電壓反相成正的，其中R3=R

7、5=1K,R6=R3/R5。2.4 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，由于輸出級(jí)有8位三態(tài)輸出鎖存器，因而0809的數(shù)據(jù)輸出端可以直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開

8、，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上.ADC0809轉(zhuǎn)換是采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單一的+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關(guān)，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需要100us左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數(shù)據(jù)總線上，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對(duì)0-5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC0809與單片機(jī)的接口電路圖2-4 ADC0809與單片機(jī)的接口電路2.5 控制電路的設(shè)計(jì) 控制電路在這里起到非常重要的作用，在水位測(cè)量中測(cè)量到水罐中水位的高度，當(dāng)水位高于2.5m水位時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水泵停止對(duì)水罐供水；當(dāng)水位低于2.5m水

9、位時(shí)，電動(dòng)機(jī)起轉(zhuǎn)，水泵開始對(duì)水罐供水。其電路圖如圖2-5所示。圖2-5 控制電路電路圖2.6 顯示電路設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)需要4位的LED足可滿足本設(shè)計(jì)的顯示精度要求,為了減少所需的I/O數(shù)量,降低成本,采用動(dòng)態(tài)顯示控制方式。通過對(duì)顯示接口電路的綜合分析,發(fā)現(xiàn)測(cè)距儀利用串行輸入BCD碼十進(jìn)制譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器件MC14499來完成與單片機(jī)系統(tǒng)的顯示接口較為簡(jiǎn)單可靠。用MC14499設(shè)計(jì)的LED顯示器動(dòng)態(tài)顯示接口電路如圖2-6所示。圖2-6 MC14499設(shè)計(jì)的LED顯示器動(dòng)態(tài)顯示接口電路用MCS - 51系列單片機(jī)作為控制核心的水位測(cè)量計(jì),其數(shù)據(jù)輸出既可以通過單片機(jī)的通用I/O口輸出,也可以通過單片機(jī)的串口用

10、串行方式輸出。這里假設(shè)使用的單片機(jī)是8051 ,單片機(jī)的P1口為數(shù)據(jù)輸出口, 顯示器采用共陰極8段LED, 顯示位數(shù)為4位,由于一片MC14499 可以驅(qū)動(dòng)4 個(gè)LED 顯示器,因此該顯示接口只需用一片MC14499和單片機(jī)連接。圖是該動(dòng)態(tài)顯示接口的原理圖。P1.0用來向MC14499 發(fā)送數(shù)據(jù),P1.1用來向MC14499發(fā)送時(shí)鐘脈沖,P1.2用于控制單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)向MC14499串行輸入(當(dāng)P1.2 = 0時(shí),允許MC14499輸入數(shù)據(jù))。反相器74LS06作為顯示器的位驅(qū)動(dòng), 8 個(gè)47的電阻是LED 的限流電阻, 3個(gè)5.1k的電阻是上拉電阻,使單片機(jī)8031輸出電平與MC14499輸

11、入電平相兼容。由于MC14499 具有輸入自動(dòng)鎖存功能,而串行輸入一幀數(shù)據(jù)又需要一定的時(shí)間,所以LED顯示的數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。2.7 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件主要由主程序、定時(shí)中斷程序、外中斷程序組成。其中主程序完成參數(shù)的初始化,中斷的管理,結(jié)果的顯示等工作。主程序流程圖如下：程序運(yùn)行開要初始化各種參數(shù)，可以默認(rèn)液位設(shè)定值等，之后如果要進(jìn)入液位設(shè)定的話就按SET按鍵進(jìn)入液位設(shè)定模式，然后進(jìn)行比較，看當(dāng)前的液位有沒有超過默認(rèn)的極限值，如果超過了極限值，通過按鍵UP或DOWN進(jìn)行液位調(diào)節(jié)，直至液位到達(dá)正常范圍；沒有超過極限值就正常顯示。報(bào)警80%開始初始化取液位值顯示液位值是否打開供水閥取液位值是9

12、0%取液位值是顯示液位值30%30%報(bào)警數(shù)據(jù)測(cè)試與誤差修正在實(shí)際設(shè)計(jì)中, 取L為100cm，對(duì)水位進(jìn)行實(shí)測(cè)，當(dāng)無液時(shí)的頻率=279.0KHz, 100cm高液位時(shí)=3.312KHz,頻率最大時(shí)小于單片機(jī)的最高頻率測(cè)量范圍,頻率最小時(shí)也不至于降低測(cè)頻精度。經(jīng)過測(cè)試，實(shí)際高度與測(cè)試結(jié)果如表1。表1 液位實(shí)際高度與測(cè)試結(jié)果比較 (測(cè)試水溫20)實(shí)際值0151015202530354245測(cè)量值00.63.26.510.715.621.927.533.541.946.1實(shí)際值50556065707580859095100測(cè)量值52.759.065.873.378.383.888.994.098.110

13、1.3104.7由上表中可知,測(cè)量結(jié)果是一條波動(dòng)曲線, 在0cm、20cm處誤差較小，為兩線的交點(diǎn)，低誤差為負(fù)，高端誤差為正，90cm以后誤差逐漸減小，預(yù)計(jì)在110cm處達(dá)到交點(diǎn)。經(jīng)分段修正后，測(cè)量結(jié)果如表2。表2 修正后液位實(shí)際高度與測(cè)量結(jié)果比較(測(cè)試水溫20)實(shí)際值0151015202530354545測(cè)量值015.210.414.819.524.730.135.039.644.6實(shí)際值50556065707580859095100測(cè)量值50.154.859.864.570.375.480.485.289.395.099.8由表2可知，經(jīng)過修正后，誤差小于0.5cm，分辨率為0.1cm。抽

14、樣檢測(cè)不同水溫的不同高度，誤差都在1.0cm以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。液位高度與電壓變化曲線：第三部分： 元器件清單 元器件參數(shù)個(gè)數(shù)筒式液位傳感器1電解電容160nF1電解電容174nF1NE55323電阻500K1電阻3K1電阻5.5K1電阻1K2電阻5001電阻478電阻5.1K374LS02274LS041數(shù)碼管4ADC0809174LS3731NPN4PNP1MC14499174LS741二極管1電解電容0.015uF1MCS-51系列的80511附錄一：系統(tǒng)總圖附錄二：程序清單-MC顯示程序-MC14499XS:MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時(shí)

15、鐘信號(hào)置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動(dòng)芯片MOVA,30HAA:ANLA,#01H；使第一位數(shù)碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,AAMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時(shí)鐘信號(hào)置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動(dòng)芯片MOVA,30HBB:ANLA,#01H；使第二位數(shù)碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,BBMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；

16、將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時(shí)鐘信號(hào)置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動(dòng)芯片MOVA,30HCC:ANLA,#01H；使第三位數(shù)碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,CCMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時(shí)鐘信號(hào)置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動(dòng)芯片MOVA,30HDD:ANLA,#01H；使第四位數(shù)碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,DDMOVP2.4,#1MOVP

17、2.3,#0ACALLDELAY1RET-初始化程序-晶振：12MHZ；WATER EQU32H ；設(shè)定的水位值NUB_VALEQU34H ；加1、減1的暫存值WATER_1EQU36H；采集到的水位值WATER_NUMEQU30H；ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTART:MOVSP,#60H；設(shè)置堆棧值MOVIE,#00H；屏蔽所有的中斷信號(hào)MOVTCON,#00H ；MOVTMOD,#10H ；選用T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器SETBP2.1；關(guān)水泵電機(jī)MOVR0,#20HMOVR1,#20HMOVA,#00HSTART_1:MOVR0,AINCR0DJNZR1,START_1START_2:CLRP2.1；開水泵電機(jī)MOVWATER,#2.5H ；初始水位值設(shè)為2.5m-主程序-MAIN:ACALLDISPLAYMOVA,WATER_NUMCJNEA,WATER，MAIN1CLRCMAIN1:JCMIAN2CLRP2.1；啟動(dòng)水泵LJMPMAINMAIN2:CJNEA, WATER,MAIN3CLRCMAIN3:JNCMAIN4SETB P2.1；關(guān)閉水泵LJMPMAINMAIN4:CLRP2.1；水泵復(fù)位LJMPMAIN-A/D轉(zhuǎn)換程序-ORG0000HL