嵌入式液位自動(dòng)檢測(cè)裝置

1、控制工程學(xué)院集中實(shí)踐環(huán)節(jié)課程工作記錄及成績(jī)?cè)u(píng)定冊(cè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 項(xiàng)目名稱： 嵌入式液位自動(dòng)檢測(cè)裝置 指導(dǎo)老師： 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 項(xiàng)目組成員：學(xué)號(hào)姓名2014 年 6 月 26 日控制工程學(xué)院制嵌入式液位自動(dòng)檢測(cè)裝置摘要隨著社會(huì)的發(fā)展我們的生活不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，在生活中很多地方都要求我們對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量以滿足我們生產(chǎn)生活的各種要求。通過(guò)本文的研究，總結(jié)出了壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的優(yōu)勢(shì)：體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好；具有較高的性能價(jià)格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高。同時(shí)基于嵌入式的測(cè)量系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可移植性好，便于二次開發(fā)開發(fā)。將測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程做了有益的

2、嘗試也為液位測(cè)量提供了有參考價(jià)值的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：傳感器；傳感器技術(shù)；液位測(cè)量；嵌入式系統(tǒng)；Automatic detection device embedded levelAbstractWith the development of the society we live we to automation, intelligent direction, in many places in life we are required to measure liquid level to meet a variety of production and living our requireme

3、nts.Through this research, summed up the advantages of pressure sensor for liquid level measurement: small size, practical application system is simple and practical, low cost, good benefits; to have the high performance price ratio; the system less susceptible to interference, high reliability. At

4、the same time measurement system based on embedded system has strong real-time performance, good portability, convenient for the two development. The measurement technique is applied to the actual production process and do some beneficial attempt also provides a valuable reference idea for liquid le

5、vel measurement.Keywords: sensor; sensor technology; liquid level measurement; embedded system;設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄論文總頁(yè)數(shù)：15頁(yè)1.引言12.設(shè)計(jì)要求13.方案比較與論證13.1超聲波測(cè)量13.2電阻式測(cè)量13.3壓差法測(cè)量13.4壓力傳感器概述23.5傳感器選型24.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)34.1信號(hào)調(diào)理電路34.2 AD采集電路44.3嵌入式模塊電路65.軟件設(shè)計(jì)65.1AD采集與信號(hào)處理65.2串口95.3數(shù)據(jù)采集105.4顯示116.數(shù)據(jù)誤差136.1數(shù)據(jù)測(cè)量與校準(zhǔn)136.2誤差分析14參考文獻(xiàn)151.

6、引言隨著社會(huì)的發(fā)展我們的生活不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，在生活中很多地方都要求我們對(duì)液位進(jìn)行測(cè)量以滿足我們生產(chǎn)生活的各種要求。我們這次的課題研究液位的測(cè)量方法與實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)液位的測(cè)量研究使用嵌入式系統(tǒng)完成液位的測(cè)量。2.設(shè)計(jì)要求（1）制作一個(gè)單面板，實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。注意，該題目測(cè)試不嚴(yán)格要求精度，但能直觀的測(cè)量出液位（2）該測(cè)量板可以帶處理器、串口與TQ2440相連，也可直接相連，最后需在TQ2440中得出測(cè)量數(shù)據(jù)（3）技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍0150cm，分辨率3cm3.方案比較與論證3.1超聲波測(cè)量超聲波測(cè)量通過(guò)換能器將電功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，射向液面，經(jīng)液面反射后再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)

7、。超聲波是機(jī)械波，傳播衰減小，界面反射信號(hào)強(qiáng)，且發(fā)射和接收電路簡(jiǎn)單，因而應(yīng)用較為廣泛；但超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測(cè)量精度較低。3.2電阻式測(cè)量電阻式測(cè)量方法特別適用于導(dǎo)電液體的測(cè)量，敏感器件具有電阻特性，其電阻值隨液位的變化而變化，通過(guò)電阻值變化值變化可以的得到電壓值的變化經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)即得到液位。同時(shí)也可以通過(guò)浮力用探針式利用跟蹤測(cè)量法來(lái)測(cè)量液位，以液位上升的情形為例來(lái)說(shuō)明液位測(cè)量原理，當(dāng)液位上升時(shí)，提起探針完全脫離液體，然后緩慢降低探針尋找液面，則探針與液體剛接觸時(shí)的位置即與液位相對(duì)應(yīng)。探針式的特點(diǎn)是測(cè)量精度很高、控制電路復(fù)雜。3.3壓差法測(cè)量我們都知道液體會(huì)

8、在容器里會(huì)產(chǎn)生壓力且壓強(qiáng)PgH，在液體密度均勻不變的情況下、g保持不變，液位的高度H和壓強(qiáng)P成正比，通過(guò)壓強(qiáng)的變化我們可以得到液位高度。我們可以用壓力傳感器來(lái)測(cè)量水壓的變化來(lái)測(cè)量液位。通過(guò)這種方法測(cè)量液位精度高、測(cè)量穩(wěn)定維護(hù)方便，是比較成熟的液位測(cè)量方法。 我們這次課題采用壓差法測(cè)量液體液位，提高測(cè)量精度簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)。圖3-1系統(tǒng)框圖通過(guò)壓力傳感器測(cè)量水壓，由于傳感器輸出信號(hào)比較微弱我們通過(guò)差分方式輸入儀表放大器進(jìn)行放大，將信號(hào)放大到05V然后用STC12C5A60S2進(jìn)行AD采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集濾波。最后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到TQ2440開發(fā)板上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。3.4壓力傳感器概述在各類傳

9、感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強(qiáng)的測(cè)量與控制。除此以外，還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合，又便于集成化,所以可用來(lái)制成血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價(jià)比最高的一類傳感器。壓力傳感器是用于測(cè)量液體與氣體的壓強(qiáng)的傳感器。壓力傳感器工作時(shí)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)作為壓力傳感器的一種被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為

10、了使自己對(duì)單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。經(jīng)過(guò)綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制系統(tǒng)作為研究項(xiàng)目，通過(guò)訓(xùn)練充分激發(fā)自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的潛能。并且，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。3.5傳感器選型傳感器我們選用MPS20N0040D-S，它是一款SMD 封裝的產(chǎn)品。此款產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于與氣壓相關(guān)的產(chǎn)品。并且具有良好的可重復(fù)性和長(zhǎng)時(shí)間的工作穩(wěn)定性。量程040KPa，線性度0.3%，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)電橋可有效的抑制共模干擾，同時(shí)也可以進(jìn)行在線校準(zhǔn)提高精確度。傳感器外部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在被測(cè)

11、液位底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。圖3-2 傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1信號(hào)調(diào)理電路水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路，單片機(jī)采集到輸出信號(hào)就可以判斷出液位高度。圖4-1 信號(hào)調(diào)理電路如圖4-1所示，為信號(hào)調(diào)制信號(hào)電路圖，液位變化引起傳感器MPS20N0040D-S輸出電壓信號(hào)有微弱的變化，將微弱的信號(hào)用INA282儀表運(yùn)放將信號(hào)放大，單片機(jī)采集INA282輸出信號(hào)，INA282采用雙電源供電，放大更精確，ICL7660為正壓變負(fù)壓芯

12、片，將+5V轉(zhuǎn)變?yōu)?5V。D3為電源指示燈。圖4-2 信號(hào)調(diào)理電路實(shí)物圖4.2 AD采集電路通過(guò)壓力傳感器測(cè)量水壓，通過(guò)差分方式輸入儀表放大器進(jìn)行放大，將信號(hào)放大到05V然后用STC12C5A60S2進(jìn)行AD采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集濾波。最后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到TQ2440開發(fā)板上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。圖4-3 AD采集電路如圖4-3所示，為AD采集電路和單片機(jī)串口電路，單片機(jī)選擇STC12C5A60S2，單片機(jī)采集INA282放大過(guò)后的電壓，再通過(guò)內(nèi)部濾波，再通過(guò)串口發(fā)送出去，選擇芯片為MAX232.圖4-4 單片機(jī)實(shí)物電路圖4.3嵌入式模塊電路嵌入式模塊選擇天嵌公司的TQ2440開發(fā)板，開發(fā)板詳細(xì)資

13、料和電路接口見其他資料。圖4-3 TQ2440 嵌入式開發(fā)板TQ2440開發(fā)板上有串口（RS232），AD采集電路板上也純?cè)诖冢≧S232），將兩個(gè)串口接在一起，兩個(gè)電路板經(jīng)過(guò)程序控制，就實(shí)現(xiàn)串口通信，能夠把水位高度先通過(guò)STC12C5A60S2采集，再通過(guò)串口發(fā)送到TQ2440開發(fā)板，然后再通過(guò)QT顯示出液面高度。5.軟件設(shè)計(jì)5.1AD采集與信號(hào)處理我們通過(guò)STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的AD采集氣壓傳感器的變化程序流程圖如圖：圖5-1 AD采集程序流程圖特殊功能寄存器說(shuō)明sfr ADC_CONTR = 0xBC; /ADC控制寄存器sfr ADC_RES = 0xBD; /ADC結(jié)果

14、寄存器高位sfr ADC_RESL = 0xBE; /ADC結(jié)果寄存器低位sfr P1ASF = 0x9D;/P1口模擬功能控制寄存器sfr P1M0 = 0x92;/IO輸出模式寄存器sfr P1M1 = 0x91;/ IO輸出模式寄存器主要代碼說(shuō)明1、ADC初始化void InitADC()P1ASF=0xff; /設(shè)置P1口為AD輸入口ADC_RES=0; /清零結(jié)果寄存器ADC_RESL=0;ADC_CONTR=0x88; /ADC控制寄存器設(shè)置1000 1000-即開啟ADC的電源，540時(shí)鐘轉(zhuǎn)換周期Delay(2); /延時(shí)一段時(shí)間讓ADC的電源穩(wěn)定 /ADC_CONTR=0x88

15、;/開啟ADC轉(zhuǎn)換，選擇通道0AUXR1&=0xfb; /將ADRJ置0P1M0 = 0x01;P1M1 = 0x01;2、開始AD轉(zhuǎn)換uint AD_get(uchar channel)ES = 0;ADC_CONTR=0x88|channel; /開啟AD轉(zhuǎn)換1000 1000 即POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/要經(jīng)過(guò)4個(gè)CPU時(shí)鐘的延時(shí)，其值才能夠保證被設(shè)置進(jìn)ADC_CONTR 寄存器while(!(ADC_CONTR&0x10); /等待轉(zhuǎn)換完成

16、ADC_CONTR&=0xe7; /關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換，ADC_FLAG位由軟件清0ES = 1;return(ADC_RES); /返回AD轉(zhuǎn)換完成的8位數(shù)據(jù)3.濾波與液位換算void Get_ADdate()float res;uint res1; res = AD_work(channel1); / Clr_lux(); res1=res*10000; res1 = 5300 - res1; res1 = res1 / 5; lux0=res1/10000+0; lux4=c; lux5=m; lux1=res1%10000/1000+0; lux2=res1%1000/100+0; lux3

17、=res1%100/10+0;/ lux5=res1%10+0; lux6=0; send_com(lux); send_char(n); /send_char(0x0d); /send_char(0x0a);/ Delay(100); 我們通過(guò)采集100次AD值進(jìn)行均值慮波提高數(shù)據(jù)精度。5.2串口通過(guò)單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)用串口發(fā)給TQ2440進(jìn)行處理。串口初始化設(shè)置定時(shí)器1工作方式2波特率設(shè)置為9600.void Init_UART()TMOD = 0x20;/設(shè)置定時(shí)器1工作方式2SCON = 0x50;PCON = 0x00;TH1 = 0xfd;TL1= 0xfd;TR1 = 1;/啟動(dòng)定

18、時(shí)器1/SM0 = 0;/SM1 = 1;/REN = 1;EA = 1; /打開總中斷ES = 1;5.3數(shù)據(jù)采集主函數(shù)主要代碼如下：#includeAD.h#include UART.h/#include reg51.hvoid INIT();void main()Delay(100);Init_UART();InitADC();send_com(12345);while(1)Get_ADdate();Delay(500);圖5-2 主程序流程圖5.4顯示（1）設(shè)置波特率首先使用gedit test.cpp命令打開test.cpp文件，修改串口設(shè)備號(hào)。本項(xiàng)目中使用串口2進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖5-

19、3 設(shè)置波特率修改函數(shù)serial_fd = open(*/dev/ttySAC2*,0_PDWR,0);選擇串口號(hào)2.修改波特率 圖5-4 設(shè)置波特率主要代碼這里僅僅使用數(shù)據(jù)輸入，只需cfsetispeed(&0pt,B9600);(2)編譯arm版本的test.使用make命令編譯完成后，應(yīng)用程序“test”在/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopra-2.2.0/qtopia/opt/Qtpia/bin下，桌面圖標(biāo)test.png在/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopra-2.2.0/qtopia/opt/Qtpia/pics,啟動(dòng)器test.desktop

20、在/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopra-2.2.0/qtopia/opt/Qtpia/apps/EmbedSky/下.然后使用。將這三個(gè)文件分別考到TQ244開發(fā)板上相應(yīng)文件夾下。重啟生效。圖5-5 液位顯示效果圖6.數(shù)據(jù)誤差6.1數(shù)據(jù)測(cè)量與校準(zhǔn)我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)完成了液位測(cè)量，采用AD采集得到了氣壓傳感器的電壓值但是不能得到我們需要測(cè)量的液位高度，我們采用米尺測(cè)量校準(zhǔn)得到了液位高度。下面是測(cè)量數(shù)據(jù)。表6-1 測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)實(shí)際液位（cm）測(cè)量液位（cm）56109151720222528303150538081通過(guò)測(cè)量我們將測(cè)量誤差控制在3cm以內(nèi)，并在TQ2440上進(jìn)行了液位顯示完成了設(shè)計(jì)要求。圖6-