開題報(bào)告基于光纖傳感器的分布式液位測(cè)控系統(tǒng)

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開題報(bào)告 題 目 基于光纖傳感器的分布式液位測(cè)控系統(tǒng) 指 導(dǎo) 教 師 高 姬 院（系、部） 電氣與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 自動(dòng)化07-3 學(xué) 號(hào) 0705010305 姓 名 李 倫 日 期 2010.03.10 教務(wù)處印制一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀選題的目的：本文的目的為設(shè)計(jì)一種基于光纖液位傳感器，以單片機(jī)為核心的高精度液位測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有性價(jià)比高，可靠性和實(shí)時(shí)性好，精度高，本質(zhì)安全和易于維護(hù)等特點(diǎn)。選題的意義：近年來,隨著計(jì)算機(jī)、光纖、傳感器等高新技術(shù)的不斷發(fā)展,有關(guān)光纖液位傳感系統(tǒng)應(yīng)用于液位測(cè)量的報(bào)告很多,光纖液位傳感器由于具有無電源、靈敏

2、度高、抗腐蝕和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。國外已經(jīng)應(yīng)用先進(jìn)的光纖液位測(cè)控系統(tǒng),且能滿足測(cè)量精度要求,但價(jià)格昂貴。所以需要一種新型的，性價(jià)比高的光纖液位傳感器測(cè)控系統(tǒng)。在目前過程控制領(lǐng)域中液位控制的研究引起廣泛關(guān)注，隨著集成電路規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化,各種復(fù) 雜的液位控制系統(tǒng)已成為的一個(gè)研究熱點(diǎn)。單片機(jī)以 其控制精度高, 性能穩(wěn)定、可靠, 設(shè)置操作方便, 造價(jià) 低等特點(diǎn), 應(yīng)用到液位系統(tǒng)的控制之中, 不但保證了系 統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性, 而且增強(qiáng)了人機(jī)交互的能力。隨著單片機(jī)和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 單片機(jī)的應(yīng)用也 從獨(dú)立的單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展, 由PC機(jī)和多臺(tái)單片機(jī)構(gòu)成 的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)已成為單片

3、機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方 向。在一個(gè)大型的應(yīng)用系統(tǒng)中,通常由單片機(jī)完成數(shù)據(jù) 的采集和上傳, 后臺(tái)則通過PC機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并處 理，在這樣的系統(tǒng)中,單片機(jī)系統(tǒng)一般稱之為下位機(jī), 由PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的后臺(tái)應(yīng)用部 分則統(tǒng)稱為上位機(jī)。二者結(jié)合, 充分發(fā)揮了單片機(jī)在 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和微機(jī)對(duì)圖形處理、顯示以及數(shù)據(jù)庫管 理上的優(yōu)點(diǎn), 使得單片機(jī)的應(yīng)用已不僅僅局限于傳統(tǒng) 意義上的自動(dòng)監(jiān)測(cè)或控制, 而形成了向以網(wǎng)絡(luò)為核心 的分布式多點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。這樣的發(fā)展結(jié)果，使 PC機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信在具體應(yīng)用中的作用越來越重要。研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)：在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中,液位測(cè)量幾乎遍及生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)。

4、在許多生產(chǎn)領(lǐng)域,不但對(duì)液位測(cè)量精度要求高,還需要測(cè)量?jī)x表很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境,例如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)放射性的場(chǎng)合,以及遠(yuǎn)距離傳送和在密閉壓力容器內(nèi)使用等情況。自20世紀(jì)80年代開始,由于微電子計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波等高科技的迅猛發(fā)展,在液位自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域出現(xiàn)了種類多樣的測(cè)量手段,并且其功能越來越完善,各項(xiàng)性能指標(biāo)越來越易于適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求,趨于自動(dòng)化、智能化。目前,國內(nèi)已有許多廠家生產(chǎn)光纖液位計(jì),其中武漢中光光電有限公司生產(chǎn)的光纖液位計(jì)可在小于0.1液位的變化條件下,觸發(fā)信號(hào)輸出,并自動(dòng)跟蹤光、電信號(hào),經(jīng)過CPU處理后直接輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供給二次儀表,實(shí)現(xiàn)對(duì)液面連續(xù)自動(dòng)的高精度控制。南

5、京航空航天大學(xué)研制的光纖液位計(jì),用于液位檢測(cè)時(shí)精度可達(dá)1,響應(yīng)時(shí)間小于0.01,最大可傳輸距離為5。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多新的光纖液位計(jì)。已用于工業(yè)生產(chǎn)過程的有:(1)雙波紋管結(jié)構(gòu)光纖液位計(jì)。該液位計(jì)以差動(dòng)方式工作,采用全光路補(bǔ)償方法和多種溫度補(bǔ)償技術(shù),使得光纖液位計(jì)具有自動(dòng)補(bǔ)償性能,克服了光源強(qiáng)度起伏和環(huán)境溫度變化這2個(gè)主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)式強(qiáng)度型光纖液位計(jì)測(cè)量精度的影響。(2)浮筒式光纖液位計(jì)。該液位計(jì)是一種適用于易燃、易爆液體貯罐的光纖液位計(jì),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)全光無電在線檢測(cè)功能,其輸出信號(hào)與光強(qiáng)變化無關(guān),具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。(3)反射式動(dòng)?xùn)殴饫w液位計(jì)。該液位計(jì)的光源、光纖、探測(cè)器位于光敏元

6、件的同一側(cè),輸入、輸出共用1根光纖束,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于測(cè)量、成本較低,適用于大型液體貯罐的液位測(cè)定。其它還處于研制開發(fā)階段的光纖液位計(jì)有棱鏡式光纖液位計(jì)、斜面單光纖液位計(jì)。近年來,微電子技術(shù)的發(fā)展使得液位檢測(cè)技術(shù)發(fā)生了根本性變化。新的檢測(cè)原理與電子部件的應(yīng)用使得液位計(jì)更趨向小型化和微型化,特別是一些小型現(xiàn)場(chǎng)液位開關(guān)發(fā)展極快,如光纖液位計(jì),由于沒有可動(dòng)部件,所以可靠性高,不僅可現(xiàn)場(chǎng)顯示,而且可以發(fā)出控制信號(hào)。與此同時(shí),液位檢測(cè)也正向著智能化方向發(fā)展,在液位測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用微處理技術(shù),以實(shí)現(xiàn)故障診斷和報(bào)警功能,提高測(cè)量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。在應(yīng)用和設(shè)計(jì)液位計(jì)時(shí)盡量實(shí)現(xiàn)不接觸式或不滲透

7、式測(cè)量,如雷達(dá)液位計(jì),從而提高探頭對(duì)惡劣環(huán)境的抵抗能力,以便在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確、可靠地工作。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及,直接輸出數(shù)字信號(hào)的數(shù)字化液位傳感器已成為這一領(lǐng)域儀表的發(fā)展趨勢(shì);隨著納米技術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展,納米技術(shù)和生物技術(shù)在液位測(cè)量中的應(yīng)用也將會(huì)日益增多?？偟膩碚f,液位計(jì)必將向著微型化、高精度、適用范圍廣、低功耗、智能化方向發(fā)展。二、研究方案及預(yù)期結(jié)果（一）研究方案控制端口 MCU六通道編程放大器除法器電換光轉(zhuǎn)位移傳感器光發(fā)射機(jī)液晶顯示A/D轉(zhuǎn)換超限報(bào)警電換光轉(zhuǎn)USB接口監(jiān)視液面PC 圖一基于光纖傳感器的分布式液位測(cè)控系統(tǒng)（如圖一所示）可以大致分為以下幾個(gè)部分：1. 數(shù)據(jù)采集電路。該電路

8、的功能主要是采集容器中即時(shí)的液位高度，并且負(fù)責(zé)把這個(gè)采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并送入單片機(jī)。具體方案：光纖位移傳感器探頭置于監(jiān)測(cè)容器的被測(cè)液體上方,從控制室發(fā)出光信號(hào),由光纖傳輸?shù)焦饫w探頭處射在液體界面上;反射光經(jīng)光纖傳到光電檢測(cè)器(光電二極管),將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),該電壓信號(hào)與光強(qiáng)度成正比;經(jīng)過功率放大器放大后,將反射信號(hào)和參考信號(hào)送入一個(gè)模擬除法器,除法器輸出的電壓信號(hào)與液面高度成正比; 將多路該電壓信號(hào)送入數(shù)據(jù)處理單元。2. 數(shù)據(jù)處理單元。這部分的工作是接收采集模塊送來的數(shù)據(jù)，然后和事先預(yù)定的液體高度值進(jìn)行比較，高出預(yù)定值或者低于預(yù)定值將會(huì)發(fā)出不同的控制信號(hào)來控制執(zhí)行

9、部分從而能夠達(dá)到控制液位的目的。同時(shí)還能夠通過鍵盤設(shè)定不同的液位值來進(jìn)行調(diào)整，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前液位值，達(dá)到精確控制的目的。 具體方案：多路電壓信號(hào)送入MCP6S26型6通道增益可編程放大器的輸入通道后,由單片機(jī)控制依次選通;將選通路的電壓模擬量送入MAX1224型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后以串型數(shù)據(jù)形式將各點(diǎn)高度對(duì)應(yīng)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字編碼,送入單片機(jī)微處理器;處理結(jié)果送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用的是一個(gè)能夠通過提供其電流大小來控制通過其中的液體流量的控制閥。如果單片機(jī)分析得出即時(shí)的液體高度比預(yù)定值低許多時(shí)，就會(huì)最終輸出一個(gè)數(shù)值比較大的電流，來控制流量閥在單位時(shí)間內(nèi)通過

10、更多的液體，使液體高度盡快地回復(fù)到所需液位高度值。反之，開啟排水閥進(jìn)行調(diào)整。 具體方案：將數(shù)據(jù)處理單元得到的液位信息傳到液晶顯示端口顯示;液晶顯示屏循環(huán)顯示各測(cè)量點(diǎn)的液位高度和測(cè)量點(diǎn)編號(hào);單片機(jī)程序中設(shè)置液位上下限后,當(dāng)某一測(cè)量點(diǎn)液位達(dá)到設(shè)定值時(shí),單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器及LED報(bào)警并驅(qū)動(dòng)外接設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作;報(bào)警時(shí),液晶顯示屏顯示超限位置的編號(hào)和超限方式(超高或超低)。4. 多機(jī)通信單元。要建立一個(gè)一對(duì)多的多機(jī)串行通信平臺(tái)，即一臺(tái)PC機(jī)與多個(gè)單片機(jī)之間進(jìn)行多機(jī)互聯(lián)，PC機(jī)作為主機(jī)，單片機(jī)作為從機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)各個(gè)從機(jī)的控制，以及主機(jī)與從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。具體方案：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過PDI USBD12型USB

11、接口芯片與PC機(jī)連接,傳輸過程采用標(biāo)準(zhǔn)USB1.1協(xié)議,將各測(cè)量點(diǎn)編號(hào)和高度編碼高速傳給PC機(jī);PC機(jī)的軟件系統(tǒng)顯示各測(cè)量點(diǎn)的編號(hào)、監(jiān)控地點(diǎn)、液位高度、上下限等信息;當(dāng)液位超限時(shí),PC機(jī)的軟件系統(tǒng)彈出報(bào)警對(duì)話框顯示超限位置編號(hào)和超限形式。（二）預(yù)期結(jié)果設(shè)計(jì)完成具有性價(jià)比高，可靠性和實(shí)時(shí)性好，精度高，本質(zhì)安全和易于維護(hù)等特點(diǎn)的基于光纖傳感器的分布式液位測(cè)控系統(tǒng)。達(dá)成本科生畢業(yè)論文一篇?？刂葡到y(tǒng)可行性市場(chǎng)分析。三、研究進(jìn)度1第4至5周：整理資料，完成開題報(bào)告和實(shí)習(xí)報(bào)告。2第6至7周：擬訂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，方框圖，原理圖。3第8至10、11周：詳細(xì)設(shè)計(jì)硬件及接口電路并繪制硬件電路圖。4第10、11至1

12、2周：進(jìn)行軟件的編程設(shè)計(jì)。5第13周：詳細(xì)寫論文，整理并完成草稿。6第14周：修改草稿，二次整理。7第15周：修改二稿，整理并完成最終成文。8第16周：答辯準(zhǔn)備階段。9第17周：進(jìn)行畢業(yè)答辯。四、主要參考文獻(xiàn)1楊萬國,賈延剛.多種液位儀表的應(yīng)用對(duì)比.石油工程建設(shè),20042鄭衛(wèi)東.儲(chǔ)罐液位儀表的應(yīng)用及發(fā)展.甘肅科技,20053陸石輝,邱瑞鑫,黃少先.雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)及應(yīng)用.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),20084鄭龍江,楊影.新型光纖液位測(cè)量系統(tǒng)的研究.傳感器技術(shù).2001,20.5張麗紅,李艷萍,侯桂鳳,等.一種強(qiáng)度補(bǔ)償反射式光纖位移傳感器的研究.農(nóng)機(jī)化研究,20066李福進(jìn),張淑卿,陳至

13、坤.新型光纖液位測(cè)量系統(tǒng)的研究.儀表技術(shù)與傳感器,20067周立功.PDIUSBD12固件編程與驅(qū)動(dòng)開發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.8 陳霞,白小軍. 基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)J . 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007 9 胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M . 北京: 清華大學(xué)出版社,1996. 10 劉華東. 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M . 北京: 電子工 業(yè)出版社,2003. 11 何希才. 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例 M . 北京: 機(jī)械 工業(yè)出版社,2004. 12 付曉光. 單片機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)M . 北京:清 華大學(xué)出版社,200413LIUYQ,GUOZY,ZHKNGY.Simultaneous pressure and temperature measurement with polymer coated fiber Bragggrating.ElectronLett,200014XIEF