電容式液位傳感器設(shè)計

1、第2章方案論證2.1設(shè)計原理本設(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。由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大。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，把信號送入單片機。通過單片機控制水泵的運轉(zhuǎn)。顯示電路連接于單片機用于顯示水位的高度。該顯示接口用一片MC14499和單片機連接以驅(qū)動數(shù)碼管。2.2系統(tǒng)框圖被測物理量：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)的電信號輸出，實現(xiàn)非電量到

2、電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進行放大，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：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。顯示設(shè)備：在此用到8段數(shù)碼管?？刂圃O(shè)備：控制電動機的運行或關(guān)閉。 第三章單元電路設(shè)計3.1傳感器設(shè)計3.1.1傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測體的導(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

3、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。3.1.2傳感器的組成圖3-1-2 為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。它主要是由細長的不銹鋼管(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。圖3-1-2傳感器原理圖3.1.3 測量原理由圖1 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C0 , 根據(jù)文獻得到電容量為: （1

4、）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/ 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, 當傳感器內(nèi)液位由零增加到H 時, 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。因為參數(shù)0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 +

5、b0 H ( a0 和b0 為常數(shù)) (4)?？梢? 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。3.2將電容轉(zhuǎn)化成電信號部分 采用運算法測量電路來轉(zhuǎn)化。該電路由傳感器和固定的標準電容以及運算放大器A組成，如圖3-2所示。 圖3-2 運算放大器測量電路原理圖3.3 電信號放大電路設(shè)計由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大，如圖3-3所示，采用最基本的比例運算反放大電路. 圖3-3 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，

6、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。3.4 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計本設(shè)計采用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)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)

7、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。ADC0809與單片機的接口電路圖3-4 ADC0809與單片機的接口電路3.5 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

8、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。其電路圖如圖3-5所示。圖3-5 控制電路電路圖3.6 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)顯示接口電路如圖3-6所示。圖3-6 MC14499設(shè)計的LED顯示器動態(tài)顯示接口電路用MCS - 51系列單片機作為控制核心

9、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。這里假設(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47的電阻是LED 的

10、限流電阻, 3個5.1k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。3.7 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

11、過極限值就正常顯示。報警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90%取液位值是顯示液位值30%30%報警數(shù)據(jù)測試與誤差修正在實際設(shè)計中, 取L為100cm，對水位進行實測，當無液時的頻率=279.0KHz, 100cm高液位時=3.312KHz,頻率最大時小于單片機的最高頻率測量范圍,頻率最小時也不至于降低測頻精度。經(jīng)過測試，實際高度與測試結(jié)果如表1。表1 液位實際高度與測試結(jié)果比較 (測試水溫20)實際值0151015202530354245測量值00.63.26.510.715.621.927.533.541.946.1實際值5055606570758085909510

12、0測量值52.759.065.873.378.383.888.994.098.1101.3104.7由上表中可知,測量結(jié)果是一條波動曲線, 在0cm、20cm處誤差較小，為兩線的交點，低誤差為負，高端誤差為正，90cm以后誤差逐漸減小，預(yù)計在110cm處達到交點。經(jīng)分段修正后，測量結(jié)果如表2。表2 修正后液位實際高度與測量結(jié)果比較(測試水溫20)實際值0151015202530354545測量值015.210.414.819.524.730.135.039.644.6實際值50556065707580859095100測量值50.154.859.864.570.375.480.485.289.

13、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。抽樣檢測不同水溫的不同高度，誤差都在1.0cm以內(nèi)，符合設(shè)計要求。液位高度與電壓變化曲線：第4章 元器件清單 元器件參數(shù)個數(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

14、:MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動芯片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；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動芯片MOVA,30HBB:ANLA,#01H；使第二位數(shù)碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,BBMO

15、VP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動芯片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；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅(qū)動芯片MOVA,30HDD:ANLA,#01H；使第四位數(shù)碼管顯示MOVP

16、2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,DDMOVP2.4,#1MOVP2.3,#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MOVTCON,#00H ；MOVTMOD,#10H ；選用T0定時/計數(shù)器SETBP2.1；關(guān)水泵電機MOVR0,#20HMOVR1,#20HMOVA,#00HSTART_1:MOVR0,AINCR0DJNZR1,START_1START_2:CLRP2.1；開水泵電機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-ORG0000HLJMPA/D_ABCD；轉(zhuǎn)