傳感器與檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)液位測(cè)量控制系統(tǒng)1

1、福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院課 程 設(shè) 計(jì)課程名稱： 傳感器與檢測(cè)技術(shù)課設(shè) 題目： 液位測(cè)量控制系統(tǒng) 專業(yè)班次： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 學(xué) 期： 2011-2011學(xué)年 第一學(xué)期 日 期： 2012.2.13-2012.2.20 摘 要在工業(yè)領(lǐng)域中，液位測(cè)量是一項(xiàng)重要的研究方法，有利于工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益的提高，液位測(cè)量在許多控制領(lǐng)域已較為普遍。各種類型的液位測(cè)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(jì)而成，其結(jié)構(gòu)、量程和精度適用于各自不同的場(chǎng)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(jì)，多數(shù)成品價(jià)格驚人。以上液位計(jì)多數(shù)輸出為模擬量

2、電流或電壓，有些為機(jī)械指針讀數(shù)，不能用于遠(yuǎn)程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面，在波動(dòng)液面易引起讀數(shù)的波動(dòng)；也有用電容法測(cè)量液位的系統(tǒng)，電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、適應(yīng)性強(qiáng)、抗過載能力大及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，因此適用于測(cè)量液位，是一種簡(jiǎn)單易行的方案。本文利用圓柱形電容器原理，結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)出液位測(cè)量裝置。關(guān)鍵詞： 液位測(cè)量、傳感器、單片機(jī)- 11 -傳感器檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)目 錄摘 要ii第一章 設(shè)計(jì)方案21.1 設(shè)計(jì)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(jì)43.1 電容式液位計(jì)43.2測(cè)量原理4第四章 電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

3、64.1 電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)64.2 放大電路6第五章 a/d轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)接口75.1 a/d轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)75.2 與單片機(jī)的接口電路75.3控制電路的設(shè)計(jì)85.4 顯示電路設(shè)計(jì)8第六章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)10第七章 小結(jié)11參考文獻(xiàn)12第一章 設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)原理電容式液位傳感器的工作原理取決于液體類型。對(duì)于導(dǎo)電液體，為了避免短路，兩個(gè)傳感器電極中至少有一個(gè)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(duì)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

4、于空氣）。而分界面以上，則是空氣。對(duì)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(jìn)而導(dǎo)致電容增大。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。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大、運(yùn)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(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)。1.2 系統(tǒng)框圖 控制設(shè)備 被測(cè)物理量傳感器放大、整形、濾波a/d轉(zhuǎn)換器單片機(jī) 顯示設(shè)備這個(gè)是圖，圖標(biāo)題呢？第二章

5、 傳感器原理2.1傳感器概述 在當(dāng)今信息化時(shí)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)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(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路組成，它是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(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，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。第三章 電路

6、設(shè)計(jì)3.1 電容式液位計(jì) 圖31電容式液位計(jì)結(jié)構(gòu) 圖32電容式液位計(jì)原理圖如圖32為電容式液位計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖。如圖所示的液位計(jì)主要由細(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3.2測(cè)量原理 由上圖可知，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c。=2。l/ln(r1/r0)（1）式（1） 式中，c。為電容量（單位為f ）， 。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

7、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 ch=2。（lh）/ln(r1/r0)+2h/ln(r1/r0)=2。l/ln(r1/r0)+2（。）h/ln(r1/r0)（2）式式中，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 c=chc。=2（。）h/ln(r1/r0) （3）式 由上式可知, 參數(shù)。 ，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)。， r1 ，r0 ，l 都是定值，由式(2)變形可得：ch =

8、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(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。 圖33 液位高度與電容變化曲線 第四章 電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)4.1 電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)圖41 運(yùn)算放大器測(cè)量電路原理圖如圖所示，本設(shè)計(jì)采用運(yùn)算法測(cè)量電路來轉(zhuǎn)化，該電路由傳感器cx、固定的標(biāo)準(zhǔn)電容c。和運(yùn)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030mv之間，不易測(cè)量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)采用最基本的比例運(yùn)算反放大電路。 圖42 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

9、 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=r5=1k，r6=r3/r5。第五章 a/d轉(zhuǎn)換電路及單片機(jī)接口5.1 a/d轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是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

10、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，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。5.2 與單片機(jī)的接口電路圖51 adc0809與單片機(jī)的接口電路5.3控制電路的設(shè)計(jì)控制

11、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。其電路圖如下圖所示圖52 控制電路原理圖5.4 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)顯示接口電路如下圖所示。 圖53 動(dòng)態(tài)顯示接口電路用mcs - 51

12、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)的串口用串行方式輸出。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53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

13、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。第六章 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

14、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。圖6-1主程序流程圖第七章 小結(jié)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)步入尾聲，一星期的時(shí)間對(duì)我們來說有些倉(cāng)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(shí)一下子應(yīng)用在實(shí)際實(shí)驗(yàn)上，對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)的任務(wù)分成多塊，最終將各分功能進(jìn)行合并，最終獲得成功。在我們平時(shí)的學(xué)習(xí)期間，我們所學(xué)的知識(shí)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(jìn)行，主要考查我們對(duì)本門學(xué)科所學(xué)知識(shí)的記憶程度和理解程度。但我認(rèn)為這種實(shí)踐性課程設(shè)計(jì)則不同，它不是單一地對(duì)我們進(jìn)行某一學(xué)科已學(xué)知 識(shí)的考核，而是著重考查我們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)某一問題進(jìn)行探討和研究的能力。整個(gè)設(shè)計(jì)的過程，同時(shí)也是專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)過程，而且是更生動(dòng)、更切實(shí)、更深入的專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。首先，一個(gè)設(shè)計(jì)是結(jié)合科研課題，把學(xué)過的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，在理論和實(shí)際結(jié)合過程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，并把所學(xué)的專業(yè)知 識(shí)轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實(shí)際的過程中，既可以印證學(xué)過的書本知識(shí)，又可以學(xué)到許多課堂和書本里學(xué)不到的活生