電容式液位傳感器課程設(shè)計-2

1、傳感器課程設(shè)計液位智能儀目錄第1章選題背景及設(shè)計指導(dǎo)思想21. 1選題背景21,2指導(dǎo)思想2第2章 方案論證22.1設(shè)計原理32.2.系統(tǒng)框圖3第3章 單元電路設(shè)計33. 1傳感器設(shè)計43.2將電容轉(zhuǎn)化成電信號部分53.3電信號放大電路設(shè)計53. 4A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計63.5控制軟件系電路的設(shè)計73. 6顯示電路設(shè)計83.7軟件系統(tǒng)的設(shè)計103.8誤差分析及結(jié)果圖16第4章元器件清單17第5章小結(jié)18參考文獻19附錄一:系統(tǒng)總圖20附錄二程序清單2127摘 要：討論電容式傳感器的原理、電容頻率轉(zhuǎn)換電路、精確測量頻率量 的頻率測量法，及利用DS1820測量溫度和用單片機進行溫度補償?shù)姆椒?。設(shè) 計并

2、制作了圓柱形電容器，利用555振蕩電路將容量變化轉(zhuǎn)換成頻率的變化, 并利用單片機進行測頻，通過軟件計算液位高度，減小了電容與頻率轉(zhuǎn)換的 線性誤差，具有溫度軟件補償功能。通過實驗測試，該裝置的測量精度優(yōu)于 lcmc關(guān)鍵詞：電容式液位計；頻率轉(zhuǎn)換；頻率測量引言液位檢測在許多控制領(lǐng)域己較為普遍，各種類型的液位檢測傳感器較 多，按原理分有浮子式、壓力式、超聲波式、吹氣式等。各種方式都根據(jù)其 需要設(shè)計完成，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)朵，制造成本偏高；市而上也有現(xiàn)成的液位計，有投入式、浮球式、彈簧 式等，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

3、讀數(shù)，不能用于遠程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面，在波動液而易 引起讀數(shù)的波動；也有用電容法測液位的系統(tǒng)，此法是一種簡單易行的方案。 木文利用圓柱形電容器原理，結(jié)合單片機設(shè)計出一種智能液位檢測裝置。第1章選題背景及設(shè)計指導(dǎo)思想1.1課題背景本學(xué)期開設(shè)了測控電路，傳感器及傳感器技術(shù)，自動控制原理，單片機,電機拖動等課程。本課程設(shè)計是在學(xué)完這么多課的基礎(chǔ)上，為了能更好的掌 握這些課的內(nèi)容，把理論應(yīng)用于實際而提出來的。旨在發(fā)揮我們的設(shè)計，創(chuàng) 新意識。通過本課程設(shè)計可以掌握和鞏固傳感器的基本設(shè)計方法，工業(yè)水位 的測量方法，放大電路的設(shè)計，單片機的基木應(yīng)用，顯示電路的連接等知識。 進一步加強對課堂理論知識的理

4、解與綜合應(yīng)用能力，從而提高我們解決問題 的能力和創(chuàng)造發(fā)明能力。1,2指導(dǎo)思想使用電容式液位傳感器，設(shè)計傳感器放大電路，將液位信號轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號，將液位值顯示出來(液位高度 2.5米，顯示精度1厘米)。再設(shè)計控制 電路，控制料罐的進口閥門開度，使其 能夠穩(wěn)定在設(shè)定的高度值。具體要求1) .設(shè)計以測量顯示部分電路為主；2) .要繪制原理框圖；3) .繪制原理電路；4).要有必要的計算及元件選擇說明;5).提供元件清單。第2章方案論證2.1設(shè)計原理木設(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 而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

5、得岀的電壓一般在030nw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。22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)

6、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、成木低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3. 1.2傳感器的組成圖3-1-2為傳

7、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而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。3.1.3測量原理由圖1可知，當(dāng)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CO,根據(jù)文獻得到電容量為：°二(1)式中,CO為電容量，單位為F; eo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(dāng)可測量液位)為H時，不銹鋼管與同軸絕緣電

8、 線之間存在電容CH:=M 十 2心ln(Rl/ RO)In ( R/RQ)2兀& L丿 H lnrKl/KO) n(Rl/ RQ)(2)式中，£為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)，單位為F/m0因此，當(dāng)傳感器內(nèi)液位 由零增加到H時，其電容的變化量AC可由式(1)和式(2)得(3)由式可知，參數(shù)EO, £,R1,RO都是定值。所以電容的變化量AC與液位變 化量H呈近似線性關(guān)系。因為參數(shù)£0, JR1,RO,L都是定值，由式(2)變 形可得:CH = aO + bOH(aO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

9、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C x和固定的標(biāo)準(zhǔn)電容C0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030nw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，采用最基木的比例運算反放大電路.2UTAWv1kQ：NE553U2AB :：5000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Rl=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

10、成正的，其中R3=R5=1K,R6=R3/R5o3-4 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計木設(shè)計采用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809oADC0809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二1,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±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)束，結(jié)果數(shù)據(jù) 己存入鎖存器，這個信號可用作

11、中斷申請。當(dāng)0E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(dāng)?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6IS1931B1 1.sru632X21I0IT17 6 $ * 3、 1 O _曲?nnnnFTLJDCTT9QnDDD trIPrrrITF/c /n

12、r/Ip/-r>CIOI：;:pjiE123LEXLEADDCXDDBADD罠ECC1/W-G>7262-5璉224>3Ml>2MO1?1627rr15B1DI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 的高度，當(dāng)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(dāng)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。234567S土15143119IS917廠PI0POOP1!P01P12P02PI3P03P!4P04PI5P05P16P06PI7

13、P07INTI iKrnP20 p>|P22TlP23IDP24P25EAATP26P27X!X2RESETRXDINDRDALI-/PWR"PSBNu?805 I383736353433322122232425262728101!3039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足可滿足木設(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碼一十進制譯碼驅(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

14、電路如圖3-6所示。39TTfTTT21IFPIXIPDlP02P03PIMI*'-PD6POTP202326TT21(»TT21222324252627p p p p p p PPKIPllP12P13P14P15P16P17INI 1!NI<»flEA/VPXIX230NOS 1RX1) IX!) AUuP PSEN15 TT3119 nT<>015» FT*APvss鍬>/OS”MDI*Y酉DPY 7 SL(、Q,NPNDPY 7 SE(kNPNDST* WY 舊 e I® 護 IDPY 7-SIX圖3-6 MC14

15、499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)輸岀口，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),Pl. 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MCI4499串行輸入（當(dāng)Pl. 2二0時，允許MC14

16、499輸入數(shù) 據(jù)）。反相器74LS06作為顯示器的位驅(qū)動，8個47Q的電阻是LED的限流電阻, 3個5. lkQ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(dāng)前的液位有 沒有超

17、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。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(dāng)無液時的頻率 九二279. OKHz, 100cm高液位時A =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lo表i液位實際高度與測試結(jié)果比較（測試水溫2（rc）際 0151015202530354245值量00.63.26.510.715.621.927.533.541.946值實際505560657075808590951

18、00值測101.104.量52.759.065.873.378.383.88&994.098.137由上表中可知，測量結(jié)果是一條波動曲線，在Ocm、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°C）實際值0151015202530354545測量015.210.414.819.524.730.135.039.644.6值實際 50556065707580859095100值測量 50.1 54.8 59.8 64.5 70.

19、3 75.4 80.4 85.2 89.3 95.0 99.8值由表2可知，經(jīng)過修正后，誤差小于0. 5cm,分辨率為0. lcmo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IK250電阻01電阻478電阻5. IK374LS02274LS041數(shù)碼管4ADC0809174LS3731NPN4PNP1MC14499174LS741二極管1電解電容0.015uF1MCS-51 系列的 80511第5章小結(jié)一

20、個多星期的課程設(shè)計就在忙碌中匆匆度過，對于這次的測控電路課程 設(shè)計，總的來說基木完成了課設(shè)的任務(wù)要求，從這次的課程設(shè)計當(dāng)中也學(xué)會 了許多的東西，在平時當(dāng)中我們設(shè)計的的程序比較簡單，趨于理論化，而這 次的課程設(shè)計題目趨于生活的實際，做起來有較大的興趣。由于平時在實驗 室做實驗時，有較多的外接硬件供使用，程序就相對簡單一些，而這次的課 程設(shè)計沒有外加的硬件設(shè)施，全由匯編語言控制執(zhí)行，開始時覺得無從下手, 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，經(jīng)過一番自學(xué)，逐一的弄明白，使自己對這次設(shè)計有了 很大的幫助。通過將要實現(xiàn)的任務(wù)分成多塊，然后分而治之，最終將

21、各分功 能進行合并，最終獲得成功，完成之時，相當(dāng)有成就感。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 東酋，而且學(xué)習(xí)期間的這種考核是單科進行，主要是考查我們對本門學(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，它不是 單一地對我們進行某一學(xué)科己學(xué)知識的考核，而是著重考查我們運用所學(xué)知 識對某一問題進行探討和研究的能力。整個設(shè)計的過程，同時也是專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程，而且是更生動、更切 實、更深入的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。首先，一個設(shè)計是結(jié)合科研課題，把學(xué)過的 專業(yè)知識運用于實際，在理論和實際結(jié)合過程中進一步消化、加深和鞏固所 學(xué)的專業(yè)知識，并把所學(xué)的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為

22、分析和解決問題的能力。其次， 在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實際的過程中，既可以卬證學(xué)過的書本知識， 又可以學(xué)到許多課堂和書本里學(xué)不到的活生生的新知識。此外，我們在這種 自己動手的設(shè)計中，對所學(xué)專業(yè)的某一側(cè)而和專題作了較為深入的分析。在 此我感謝老師對我的幫助和鼓勵！總之，這次的課程設(shè)計對我來說說是一個很好鍛煉自己的機會！參考文獻【1】張國雄.測控電路（第三版）.機械工業(yè)出版社【2】何道清、張禾.傳感器與傳感器技術(shù)（第二版）.科學(xué)出版社【3】胡壽松啟動控制原理（第五版）.科學(xué)岀版社4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育岀版社5 童詩口、華成英編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.北京：高等

23、教育出版 社【6】周興鵬.檢測系統(tǒng)設(shè)計M.南京:東南大學(xué)出版社,19987鮑芳，王春茹.新型單片機頻率測量系統(tǒng)的研究J.微機與應(yīng)用,2001【8】龍北生，任慶凱.電容式智能溫度儀的硬件設(shè)計J 長春工程學(xué)院學(xué) 報,2001 ,2（1）【9】孫漢旭，胡旭輝.超聲波波位檢測裝置的研究.電子產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2004, 17 （2）【10】黃長藝，盧文祥，熊詩波.機械工程測量與試驗技術(shù).機械工業(yè)岀版社,2004, 2： 79-82【11】阮亞婕智能電容式液位計系統(tǒng)設(shè)計儀表技術(shù)，2002, 6附錄一：系統(tǒng)總圖附錄二：程序清單MC144999顯示程序MC14499XS:MOVP2. 4, m;將使能端清零

24、，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, #O1H:使第一位數(shù)碼管顯示MOVP2. 2, AMOV30H, ARRADJXZ20H, 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, ARRADJXZ 20H,

25、BBMOVP2. 4, #1MOVP2. 3, #0ACALLDELAY1MOVP2. 4, m: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, ARRADJXZ20H, 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MOVP2. 2, AMOV30H, ARRADJXZ20H, DDMOVP2. 4, #1M