液位測量控制系統(tǒng)

摘要PAGE11福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計課程名稱：傳感器與檢測技術(shù)課設(shè)題目：液位測量控制系統(tǒng)專業(yè)班次：姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：學(xué)期：2011-2012學(xué)年第二學(xué)期日期：2012.2.13-2012.2.20

摘要在工業(yè)領(lǐng)域中，液位測量是一項重要的研究方法，有利于工業(yè)技術(shù)的進步和經(jīng)濟效益的提高，液位測量在許多控制領(lǐng)域已較為普遍。各種類型的液位測量傳感器較多，按原理分為浮子式、壓力式、超聲波式、吹氣式等。各種方式都根據(jù)其需要設(shè)計而成，其結(jié)構(gòu)、量程和精度適用于各自不同的場合，大多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本偏高；市面上也有現(xiàn)成的液位計，多數(shù)成品價格驚人。以上液位計多數(shù)輸出為模擬量電流或電壓，有些為機械指針讀數(shù)，不能用于遠程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面，在波動液面易引起讀數(shù)的波動；也有用電容法測量液位的系統(tǒng)，電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強、抗過載能力大及價格便宜等特點，因此適用于測量液位，是一種簡單易行的方案。本文利用圓柱形電容器原理，結(jié)合單片機設(shè)計出液位測量裝置。關(guān)鍵詞：液位測量、傳感器、單片機液位測量控制系統(tǒng)傳感器檢測技術(shù)課程設(shè)計目錄摘要 II第一章設(shè)計方案 21.1設(shè)計原理 21.2系統(tǒng)框圖 2第二章傳感器原理 32.1傳感器概述 32.2電容式傳感器原理 3第三章電路設(shè)計 43.1電容式液位計 43.2測量原理 4第四章電信號放大電路設(shè)計 64.1電容測量電路設(shè)計 64.2放大電路 6第五章A/D轉(zhuǎn)換電路及單片機接口 75.1A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計 75.2與單片機的接口電路 75.3控制電路的設(shè)計 85.4顯示電路設(shè)計 8第六章軟件系統(tǒng)的設(shè)計 10第七章小結(jié) 11參考文獻 12

第一章設(shè)計方案1.1設(shè)計原理電容式液位傳感器的工作原理取決于液體類型。對于導(dǎo)電液體，為了避免短路，兩個傳感器電極中至少有一個是絕緣的。在氣—液分界面以下，液體表現(xiàn)為導(dǎo)體，因此，電容的電解質(zhì)僅僅是絕緣電極。在氣—液分界面以上，電解質(zhì)就是絕緣電極與電極之間的空氣，因而產(chǎn)生更小的電容。另一方面，對于非導(dǎo)電液體，電極不需要絕緣。在氣—液分界面以下，電解質(zhì)是液體（其介電常數(shù)高于空氣）。而分界面以上，則是空氣。對于兩種類型的液體，隨著液位的升高，在氣液分界面以下的電極的面積也就增加，進而導(dǎo)致電容增大。本設(shè)計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蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進行液位測量。由于傳感器的輸出信號一般都很微弱，因此需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對其進行放大、運算和調(diào)劑等。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，把信號送入單片機，通過單片機控制水泵的運轉(zhuǎn)。1.2系統(tǒng)框圖控制設(shè)備↓被測物理量→傳感器→放大、整形、濾波→A/D轉(zhuǎn)換器→單片機↓顯示設(shè)備圖1—1方案原理框圖

第二章傳感器原理2.1傳感器概述在當今信息化時代發(fā)展過程中，各種信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理的功能器件——傳感器，已經(jīng)成為各個應(yīng)用領(lǐng)域，特別是自動檢測、自動控制系統(tǒng)中不可缺少的重要技術(shù)工具。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路組成，它是一種能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。2.2電容式傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng)，利用了被測體的導(dǎo)電率。通過傳感器測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，再由單片機進行測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進行顯示，該系統(tǒng)對液位深度具有測量、顯示與設(shè)定功能，并具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

第三章電路設(shè)計3.1電容式液位計圖3—1電容式液位計結(jié)構(gòu)圖3—2電容式液位計原理圖如圖3—2為電容式液位計結(jié)構(gòu)原理圖。如圖所示的液位計主要由細長的不銹鋼管（半徑為R1）、同軸絕緣導(dǎo)線（半徑為R0）以及其被測液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進行液位測量3.2測量原理由上圖可知，當可測量液位H=0時，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C。=2πε。L/ln(R1/R0)————（1）式（1）式中，C。為電容量（單位為F），ε。為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)，單位為F/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。當可測量液位為H時，不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CHCH=2πε。（L—H）/ln(R1/R0)+2πεH/ln(R1/R0)=2πε。L/ln(R1/R0)+2π（ε—ε。）H/ln(R1/R0)————（2）式式中，ε為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)，單位為F/m。因此，當傳感器內(nèi)液位由零增加到H時，其電容的變化量ΔC可由式(1)和式(2)得?C=CH—C。=2π（ε—ε。）H/ln(R1/R0)————（3）式由上式可知,參數(shù)ε。，ε，R1，R0都是定值。所以電容的變化量ΔC與液位變化量H呈近似線性關(guān)系。因為參數(shù)ε。，ε，R1，R0，L都是定值，由式(2)變形可得：CH=a。+b。H(a。和b。為常數(shù))————(4)式可見，傳感器的電容量值CH的大小與電容器浸入液體的深度H成線性關(guān)系。由此，只要測出電容值便能計算出水位。圖3—3液位高度與電容變化曲線

第四章電信號放大電路設(shè)計4.1電容測量電路設(shè)計圖4—1運算放大器測量電路原理圖如圖所示，本設(shè)計采用運算法測量電路來轉(zhuǎn)化，該電路由傳感器Cx、固定的標準電容C。和運算放大器A組成。4.2放大電路由于傳感器得出的電壓一般在0~30mv之間，不易測量，所以要通過放大電路進行放大，本設(shè)計采用最基本的比例運算反放大電路。圖4—2比例放大電路要將30mv電壓放大成5v，根據(jù)公式U=—（R1/R2）U。，所以選擇R1=500K，R2=3K，R4=R1//R2，后邊的是一個反相器，把第一個運放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=1K，R6=R3//R5。第五章A/D轉(zhuǎn)換電路及單片機接口5.1A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計本設(shè)計采用的是A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，由于輸出級有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A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。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，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，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?shù)耐饨与娐罚?809可對0-5V的模擬信號進行轉(zhuǎn)換。

5.2與單片機的接口電路圖5—1ADC0809與單片機的接口電路5.3控制電路的設(shè)計控制電路在這里起到非常重要的作用，在水位測量中測量到水罐中水位的高度，當水位高于2.5m水位時，電動機停轉(zhuǎn)，水泵停止對水罐供水；當水位低于2.5m水位時，電動機起轉(zhuǎn)，水泵開始對水罐供水。其電路圖如下圖所示圖5—2控制電路原理圖5.4顯示電路設(shè)計發(fā)現(xiàn)需要4位的LED足可滿足本設(shè)計的顯示精度要求,為了減少所需的I/O數(shù)量,降低成本,采用動態(tài)顯示控制方式。通過對顯示接口電路的綜合分析,發(fā)現(xiàn)測距儀利用串行輸入BCD碼—十進制譯碼驅(qū)動顯示器件MC14499來完成與單片機系統(tǒng)的顯示接口較為簡單可靠。用MC14499設(shè)計的LED顯示器動態(tài)顯示接口電路如下圖所示。圖5—3動態(tài)顯示接口電路用MCS-51系列單片機作為控制核心的水位測量計，其數(shù)據(jù)輸出既可以通過單片機的通用I/O口輸出，也可以通過單片機的串口用串行方式輸出。假設(shè)使用的單片機是8051，單片機的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4個LED顯示器，因此該顯示接口只需用一片MC14499和單片機連接。圖5—3是該動態(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)送時鐘脈沖，P1.2用于控制單片機輸出數(shù)據(jù)向MC14499串行輸入(當P1.2=0時，允許MC14499輸入數(shù)據(jù))。反相器74LS06作為顯示器的位驅(qū)動，8個47Ω的電阻是LED的限流電阻，3個5.1kΩ的電阻是上拉電阻，使單片機8031輸出電平與MC14499輸入電平相兼容。由于MC14499具有輸入自動鎖存功能，而串行輸入一幀數(shù)據(jù)又需要一定的時間，所以LED顯示的數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

第六章軟件系統(tǒng)的設(shè)計軟件主要由主程序、定時中斷程序、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：程序運行開要初始化各種參數(shù)，可以默認液位設(shè)定值等，之后如果要進入液位設(shè)定的話就按SET按鍵進入液位設(shè)定模式，然后進行比較，看當前的液位有沒有超過默認的極限值，如果超過了極限值，通過按鍵UP或DOWN進行液位調(diào)節(jié)，直至液位到達正常范圍；沒有超過極限值就正常顯示。圖6-1主程序流程圖

第七章小結(jié)課程設(shè)計已經(jīng)步入尾聲，一星期的時間對我們來說有些倉促，雖然課題貼近生活，能夠提高我們的興趣，但要從之前的理論知識一下子應(yīng)用在實際實驗上，對我們還是有一定的挑戰(zhàn)的。不過，在透徹理解了課題以后，經(jīng)過多方面的搜索資料，慢慢有了頭緒，并且發(fā)現(xiàn)要用到的知識并非所想象中的那么難以理解，通過自學(xué)，逐一的弄明白，通過將要實現(xiàn)的任務(wù)分成多塊，最終將各分功能進行合并，最終獲得成功。在我們平時的學(xué)習(xí)期間，我們所學(xué)的知識都是書本上的一些不大靈活的東西,而且學(xué)習(xí)期間的這種考核是單科進行，主要考查我們對本門學(xué)科所學(xué)知識的記憶程度和理解程度。但我認為這種實踐性課程設(shè)計則不同