嵌入式液位自動檢測裝置

1、控制工程學院集中實踐環(huán)節(jié)課程工作記錄及成績評定冊自動檢測系統(tǒng)設計1 項目名稱： 嵌入式液位自動檢測裝置 指導老師： 項目負責人： 項目組成員：學號姓名2014 年 6 月 26 日控制工程學院制嵌入式液位自動檢測裝置摘要隨著社會的發(fā)展我們的生活不斷向自動化、智能化方向發(fā)展，在生活中很多地方都要求我們對液位進行測量以滿足我們生產(chǎn)生活的各種要求。通過本文的研究，總結出了壓力傳感器實現(xiàn)液位測量的優(yōu)勢：體積小，實際應用系統(tǒng)簡單實用，成本低，效益好；具有較高的性能價格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高。同時基于嵌入式的測量系統(tǒng)具有實時性強、可移植性好，便于二次開發(fā)開發(fā)。將測量技術應用到實際生產(chǎn)過程做了有益的

2、嘗試也為液位測量提供了有參考價值的設計思路。關鍵詞：傳感器；傳感器技術；液位測量；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;設計說明書目錄論文總頁數(shù)：15頁1.引言12.設計要求13.方案比較與論證13.1超聲波測量13.2電阻式測量13.3壓差法測量13.4壓力傳感器概述23.5傳感器選型24.硬件系統(tǒng)設計34.1信號調(diào)理電路34.2 AD采集電路44.3嵌入式模塊電路65.軟件設計65.1AD采集與信號處理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)測量與校準136.2誤差分析14參考文獻151.

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

7、。超聲波是機械波，傳播衰減小，界面反射信號強，且發(fā)射和接收電路簡單，因而應用較為廣泛；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，其測量精度較低。3.2電阻式測量電阻式測量方法特別適用于導電液體的測量，敏感器件具有電阻特性，其電阻值隨液位的變化而變化，通過電阻值變化值變化可以的得到電壓值的變化經(jīng)過校準即得到液位。同時也可以通過浮力用探針式利用跟蹤測量法來測量液位，以液位上升的情形為例來說明液位測量原理，當液位上升時，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的位置即與液位相對應。探針式的特點是測量精度很高、控制電路復雜。3.3壓差法測量我們都知道液體會

8、在容器里會產(chǎn)生壓力且壓強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P成正比，通過壓強的變化我們可以得到液位高度。我們可以用壓力傳感器來測量水壓的變化來測量液位。通過這種方法測量液位精度高、測量穩(wěn)定維護方便，是比較成熟的液位測量方法。 我們這次課題采用壓差法測量液體液位，提高測量精度簡化外圍電路設計。圖3-1系統(tǒng)框圖通過壓力傳感器測量水壓，由于傳感器輸出信號比較微弱我們通過差分方式輸入儀表放大器進行放大，將信號放大到05V然后用STC12C5A60S2進行AD采集，并進行數(shù)據(jù)的采集濾波。最后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到TQ2440開發(fā)板上進行數(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，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控制。除此以外，還廣泛應用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術是平面工藝與立體加工相結合，又便于集成化,所以可用來制成血壓計、風速計、水速計、壓力表、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。壓力傳感器是用于測量液體與氣體的壓強的傳感器。壓力傳感器工作時將壓力轉換為電信號輸出。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機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用于電子產(chǎn)品中，為

10、了使自己對單片機控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制系統(tǒng)作為研究項目，通過訓練充分激發(fā)自己分析問題、解決問題和綜合應用所學知識的潛能。并且，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應用。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)品被廣泛應用于與氣壓相關的產(chǎn)品。并且具有良好的可重復性和長時間的工作穩(wěn)定性。量程040KPa，線性度0.3%，其內(nèi)部結構為一個電橋可有效的抑制共模干擾，同時也可以進行在線校準提高精確度。傳感器外部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在被測

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，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號，輸送到AD轉換器。圖3-2 傳感器內(nèi)部結構圖4.硬件系統(tǒng)設計4.1信號調(diào)理電路水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉換成電壓信號,電壓信號經(jīng)過放大電路，單片機采集到輸出信號就可以判斷出液位高度。圖4-1 信號調(diào)理電路如圖4-1所示，為信號調(diào)制信號電路圖，液位變化引起傳感器MPS20N0040D-S輸出電壓信號有微弱的變化，將微弱的信號用INA282儀表運放將信號放大，單片機采集INA282輸出信號，INA282采用雙電源供電，放大更精確，ICL7660為正壓變負壓芯

12、片，將+5V轉變?yōu)?5V。D3為電源指示燈。圖4-2 信號調(diào)理電路實物圖4.2 AD采集電路通過壓力傳感器測量水壓，通過差分方式輸入儀表放大器進行放大，將信號放大到05V然后用STC12C5A60S2進行AD采集，并進行數(shù)據(jù)的采集濾波。最后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到TQ2440開發(fā)板上進行數(shù)據(jù)顯示。圖4-3 AD采集電路如圖4-3所示，為AD采集電路和單片機串口電路，單片機選擇STC12C5A60S2，單片機采集INA282放大過后的電壓，再通過內(nèi)部濾波，再通過串口發(fā)送出去，選擇芯片為MAX232.圖4-4 單片機實物電路圖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采集電路板上也純在串口（RS232），將兩個串口接在一起，兩個電路板經(jīng)過程序控制，就實現(xiàn)串口通信，能夠把水位高度先通過STC12C5A60S2采集，再通過串口發(fā)送到TQ2440開發(fā)板，然后再通過QT顯示出液面高度。5.軟件設計5.1AD采集與信號處理我們通過STC12C5A60S2單片機自帶的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明sfr ADC_CONTR = 0xBC; /ADC控制寄存器sfr ADC_RES = 0xBD; /ADC結果

14、寄存器高位sfr ADC_RESL = 0xBE; /ADC結果寄存器低位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明1、ADC初始化void InitADC()P1ASF=0xff; /設置P1口為AD輸入口ADC_RES=0; /清零結果寄存器ADC_RESL=0;ADC_CONTR=0x88; /ADC控制寄存器設置1000 1000-即開啟ADC的電源，540時鐘轉換周期Delay(2); /延時一段時間讓ADC的電源穩(wěn)定 /ADC_CONTR=0x88

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

16、 /等待轉換完成ADC_CONTR&=0xe7; /關閉AD轉換，ADC_FLAG位由軟件清0ES = 1;return(ADC_RES); /返回AD轉換完成的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%1

17、0000/1000+'0' lux2=res1%1000/100+'0' lux3=res1%100/10+'0'/ lux5=res1%10+'0' lux6='0' send_com(lux); send_char('n'); /send_char(0x0d); /send_char(0x0a);/ Delay(100); 我們通過采集100次AD值進行均值慮波提高數(shù)據(jù)精度。5.2串口通過單片機采集的數(shù)據(jù)用串口發(fā)給TQ2440進行處理。串口初始化設置定時器1工作方式2波特率設置為9600.voi

18、d Init_UART()TMOD = 0x20;/設置定時器1工作方式2SCON = 0x50;PCON = 0x00;TH1 = 0xfd;TL1= 0xfd;TR1 = 1;/啟動定時器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：#include"AD.h"#include "UART.h"/#include "reg51.h"void INIT();void main()Delay(100);Init_UART();InitADC();se

19、nd_com("12345");while(1)Get_ADdate();Delay(500);圖5-2 主程序流程圖5.4顯示（1）設置波特率首先使用gedit test.cpp命令打開test.cpp文件，修改串口設備號。本項目中使用串口2進行數(shù)據(jù)交互。圖5-3 設置波特率修改函數(shù)serial_fd = open(*/dev/ttySAC2*,0_PDWR,0);選擇串口號2.修改波特率 圖5-4 設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，應用程序“te

20、st”在/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopra-2.2.0/qtopia/opt/Qtpia/bin下，桌面圖標test.png在/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopra-2.2.0/qtopia/opt/Qtpia/pics,啟動器test.desktop在/opt/EmbedSky/Qte/arm-qtopra-2.2.0/qtopia/opt/Qtpia/apps/EmbedSky/下.然后使用。將這三個文件分別考到TQ244開發(fā)板上相應文件夾下。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)測量與校準我們通過實驗完成了液位測量，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量的液位高度，我們采用米尺測量校準得到了液位高度。下面是測量數(shù)據(jù)。表6-1 測量數(shù)據(jù)校準實際液位（cm）測量液位（cm）56109151720222528303150538081通過測量我們將測量誤差控制在3cm以內(nèi)，并在TQ2440上進行了