基于單片機(jī)的分段電容式液位測(cè)量的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)

濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGEPAGEII目錄第一章前言 3第二章分段電容式液位測(cè)量原理及方法 42．1傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的介紹 42.1.1傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的原理 42.1.2電容式液位測(cè)量方法在油水界面檢測(cè)中遇到的問(wèn)題 52.2分段電容式液位測(cè)量的原理 62.2.1分段電容式液位測(cè)量的原理 62.2.2幾種特殊情況的處理 72.3微小電容測(cè)量原理 7第三章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 93.1課題需要實(shí)現(xiàn)的功能及要求 93.1.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及要求 93.1.2系統(tǒng)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 93.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 103.2.1傳感器結(jié)構(gòu) 103.2.2系統(tǒng)功能模塊劃分 11第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 134.1硬件電路的總體設(shè)計(jì) 134.1.1硬件電路的可靠設(shè)計(jì) 134.1.2硬件電路設(shè)計(jì)劃分 134.2單片機(jī)的選用 134.3主控電路設(shè)計(jì) 144.3.1ATmegal6單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 144.3.2人機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 16第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 175.1軟件總體設(shè)計(jì) 175.2ATmegal6單片機(jī)軟件總體設(shè)計(jì) 175.3ATmega8單片機(jī)軟件總體設(shè)計(jì) 18第六章結(jié)束語(yǔ) 19參考文獻(xiàn) 20致謝 21濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）PAGE28摘要：溢油回收過(guò)程中進(jìn)行油水分離時(shí)，檢測(cè)油氣、油水界面所在位置以及油層厚度是至關(guān)葦要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不僅需要能夠同時(shí)檢測(cè)油氣、油水兩個(gè)界面，還需要保證檢測(cè)結(jié)果是實(shí)時(shí)連續(xù)的，要求具有較快的檢測(cè)速度。本課題正是研究這樣一種測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電容，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多界面液位測(cè)量。通過(guò)測(cè)量各分段電容傳感器然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到各界面位置是本文的總體思路。本論文首先介紹了各種液位測(cè)量的方法，然后對(duì)課題中所提的測(cè)量要求進(jìn)行分析給出了液位測(cè)量的需水分析，通過(guò)對(duì)比各種測(cè)量的方法選定了基丁分段電容的測(cè)量方式。通過(guò)闡述分段電容式液位測(cè)量的原理分析、實(shí)現(xiàn)、以及解決的問(wèn)題，從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了液位測(cè)量所需傳感器的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程，最后是對(duì)傳感器的實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，從而驗(yàn)證分段電容式測(cè)量液位的方法在本課題應(yīng)用中的選擇是正確的。關(guān)鍵詞：傳感器；分段電容；液位測(cè)量；單片機(jī)

ABSTRACT：Whenseparateoilfromwateratspilledoilrecoveryprocessing，thedetectionofoil—gasinterface，oil—waterinterfaceandtheoilthicknessisacriticalpart，notonlycandetectoilgasinterfaceandoil-waterinterface，butalsoneedtoensuretheresultsinreal—timeandcontinuous，requiresfasterdetectionspeed．Thisissueisresearchasuchofmeasurementthatreal·-timeanddynamicdetectmultiinterfaceliquidlevelusingmicro—controllerandcapacitancemeasuring．Bymeasuringthecapacitanceofsub—capacitorsensorthenprocessingthemeasureddatatogettheinterfacepositionistheoverallideaofthispaper．Thispaperfirstintroducesthevariousliquidlevelmeasurementmethods，andthenanalysistherequirementsmentionedinthesubjectandprovidesliquidlevelmeasurementneeds，bycomparingselectedvarietyofmeasurementmethodsandselectedmeasurementbasedonsub-capacitorsensor．Describedtheprincipleanalysesofsub—capacitorsensorforliquidlevelmeasurement，implementation，andsolutionproblems，gointodetailaboutthedesignandproductionprocessoftheliquidlevelmeasurementsensorsfrombothhardwareandsoftwareaspects，andfinallyistheexperimentandanalysisoftheexperimentandexperimentaldata，therebytoverifytheliquidlevelwithsub—capacitorsensorinthistopiciscorrect．KEYWORDS：Sensor；Sub—capacitor；LiquidLevel；SingleChipMicrocomputer畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名：日期：

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日第一章前言自1993年我國(guó)從石油出口國(guó)轉(zhuǎn)為石油凈進(jìn)口國(guó)以來(lái)，石油進(jìn)口數(shù)量不斷上升，沿海的石油運(yùn)輸量大幅增加。我國(guó)進(jìn)口的石油90％是通過(guò)海上船舶運(yùn)輸來(lái)完成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1973—2006年，我國(guó)沿海共發(fā)生大小船舶溢油事故2635起，其中溢油50噸以上的重大船舶溢油事故共69起，總溢油量37，077噸，平均每年發(fā)生兩起，平均每起污染事故溢油量537噸。石油本身具有毒性，進(jìn)入海洋后不僅會(huì)對(duì)海洋環(huán)境、野生動(dòng)物和養(yǎng)殖資源等造成不同程度的危害，而且這種危害的周期往往是很長(zhǎng)的。兇此對(duì)溢油治理方法和技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以便最大程度地減少溢油所造成的危害，具有重要的意義。溢油的處理方式基本有三種：生物法、化學(xué)法和物理法。對(duì)于海上溢油清除，物理法中的機(jī)械回收方法是最好的，不但清除了溢油，消除了溢油的危害，還回收了溢油，即保護(hù)了環(huán)境又保護(hù)了資源。溢油回收裝置是一種機(jī)械回收裝置，是溢油發(fā)生后處理溢油的一種有效裝置，能極大的減小溢油的危害并回收溢油，降低損失。該系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是油水分離裝置，但是在油水分離過(guò)程中只有確定油氣界面和油水界面的位置，才能知道油層的厚度，控制油水分離裝置正常工作。因此需要設(shè)計(jì)一種液位傳感器，能夠檢測(cè)油氣、油水兩個(gè)界面的位置，而且要求傳感器具有較高的精度和良好的動(dòng)態(tài)特性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于雙界面液位測(cè)量技術(shù)和裝置的研究取得了很大的進(jìn)展，發(fā)明了很多用于液位測(cè)量的儀器儀表，根據(jù)測(cè)量方式可以分為接觸式和非接觸式兩類(lèi)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外液位測(cè)量方法的比較分析可以看出，大多數(shù)方法雖然可以測(cè)量油氣和油水兩個(gè)界面，但是對(duì)環(huán)境以及被測(cè)介質(zhì)的要求比較高，而且需要在油水界面比較清晰地情況下才能獲得比較準(zhǔn)確的液位數(shù)據(jù)。因此提出了以電容式液位測(cè)量方法為基礎(chǔ)的分段電容式液位測(cè)量法。這種方法不但對(duì)環(huán)境以及被測(cè)介質(zhì)要求不高，而且可以很好的測(cè)量油氣和油水雙界面。第二章分段電容式液位測(cè)量原理及方法2．1傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的介紹2.1.1傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的原理傳統(tǒng)的電容式液位測(cè)量法一般使用兩個(gè)內(nèi)外電極相套的圓柱形電容傳感器,電容傳感器高度為L(zhǎng)，內(nèi)電極直徑為d，外電極直徑為D，當(dāng)電容傳感器內(nèi)外電極之間充滿(mǎn)介電常數(shù)為ε的介質(zhì)時(shí)，其電容值的計(jì)算表達(dá)式如下：C=ADVANCEADVANCE(2-1)其中,為真空的介電常數(shù),=F/m。由公式(2-1)可知，在保持D、d和L不變的情況下，電容的大小和介質(zhì)的介電常數(shù)ε呈線(xiàn)性關(guān)系。已知D、d和L三個(gè)參數(shù)的值，根據(jù)測(cè)量到的電容值C即可計(jì)算出該介質(zhì)的介電常數(shù)ε。當(dāng)電容傳感器內(nèi)外電極之間充滿(mǎn)兩種介質(zhì)時(shí)，比如油和氣，此時(shí)會(huì)有一個(gè)油氣界面,下部為油,高度為H,介電常數(shù)為，上部為空氣，高度為(L-H)，介電常數(shù)為，此時(shí)相當(dāng)于將兩個(gè)電容傳感器并聯(lián)，電容值的計(jì)算表達(dá)式如下：(2-2)其中： 為油部分所產(chǎn)生的電容，為空氣部分所產(chǎn)生的電容，為電容傳感器中充滿(mǎn)空氣時(shí)的電容值,為油的介電常數(shù)，為空氣的介電常數(shù)。在環(huán)境不變的情況下總電容C與油的高度呈線(xiàn)性關(guān)系。將油的介電常數(shù)和空氣的介電常數(shù)代入(2-2)式,根據(jù)此時(shí)測(cè)量得到的電容值就可以計(jì)算出油的高度H。2.1.2電容式液位測(cè)量方法在油水界面檢測(cè)中遇到的問(wèn)題但是在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是用丁海上溢油回收這樣的上作環(huán)境，有許多問(wèn)題必須予以考慮，這些問(wèn)題主要有：(1)在測(cè)罩得到傳感器電容值之后計(jì)算液面的高度需要知道各個(gè)介質(zhì)的介電常數(shù)，但是各介質(zhì)的介電常數(shù)并不是一個(gè)固定的值，而是一個(gè)隨著各種條件變化而變化的值。原油或者其他油品的介電常數(shù)與其含水率有關(guān)，在正常環(huán)境下，油水混合之后靜止一段時(shí)間后，因?yàn)橛退ゲ幌嗳芮矣秃退拿芏炔煌瑢?dǎo)致油水分離，油浮于水的上方，兩者界面分明，油中的含水率相對(duì)固定，通過(guò)測(cè)量我們可以根據(jù)公式3．1計(jì)算出此時(shí)油的介電常數(shù)。但是在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，有著復(fù)雜的物理化學(xué)變化，海水的運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致油和水也相互撞擊，互相滲透，導(dǎo)致油的含水率有很大的變化，因此很難確定油的介電常數(shù)。油水界面檢測(cè)中的另一介質(zhì)海水的介電常數(shù)也是變化的，由于海水中含有各種礦物質(zhì)和鹽分，不同區(qū)域的海水中含有的礦物質(zhì)和鹽分是不同的，即便是同一區(qū)域這些物質(zhì)的含量也會(huì)有輕微的變化，這樣勢(shì)必會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度。溫度對(duì)于不同介質(zhì)介電常數(shù)也有一定得影響，尤其是水的介電常數(shù)受溫度的影響是非常明顯的，如表2．1所示，在0度時(shí)水的介電常數(shù)約為88，而溫度達(dá)到50度時(shí)，水的介電常數(shù)下降到70，變化是比較的大的。因此油水界面檢測(cè)中溫度對(duì)介電常數(shù)變化的影響所導(dǎo)致的測(cè)量誤差是必須要考慮的。表2-1水的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系溫度01020304050介電常數(shù)888480767370(2)通過(guò)傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的原理介紹，可以知道該方法適合測(cè)量?jī)煞N介質(zhì)單一界面的位置，而并不適宜用于二種介質(zhì)的油氣、油水界面雙界面的檢測(cè)。因此，必須要對(duì)傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)雙界面位置的測(cè)量。(3)油與水的分界面并不是一個(gè)清晰的界面，而是一個(gè)隨著油的含水量由大到小變化的從水到油的過(guò)渡帶，稱(chēng)之為乳化層。傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法依靠的是介電常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，乳化層的介電常數(shù)無(wú)法確定，兇此該方法很難確定乳化層的位置，傳感器所能夠檢測(cè)到的只是一個(gè)近似的界面，兇此如何處理近似晃面并確定油水界面的位置是一個(gè)必須要考慮的問(wèn)題。由此不難看出，在油氣、油水雙界面檢測(cè)的應(yīng)用中，傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法有各利-局限性，在應(yīng)用到油氣、油水雙界面檢測(cè)時(shí)會(huì)遇到很多問(wèn)題從而導(dǎo)致測(cè)量精度不高，甚至是非常不理想的程度。因此，要將電容式液位測(cè)量方法應(yīng)用到油水界面檢測(cè)中，需要對(duì)傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)。2.2分段電容式液位測(cè)量的原理2.2.1分段電容式液位測(cè)量的原理分段電容式液位測(cè)量是將傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量中的一段圓柱形電容傳感器分成了Ⅳ段相互獨(dú)立的圓柱形電容傳感器，每一段相互并聯(lián)，相互絕緣并獨(dú)立引線(xiàn)，相當(dāng)于從上至下形成了Ⅳ個(gè)I／N量程的電容傳感器，每一段獨(dú)立檢測(cè)電容，通過(guò)Ⅳ個(gè)電容傳感器的測(cè)骨=結(jié)果計(jì)算并判斷油氣、油水雙界面的位置。分段電容式液位測(cè)量傳感器總共十段，每段高為L(zhǎng)．假設(shè)第1、2段為空氣段，第3段為油氣界面所在段．第4、5、6段為純油段，第7段為油水界面所在段，第8、9、10段為純水所在段。每一段的等效電。因?yàn)槊恳欢坞娙輦鞲衅鞯膬?nèi)電極直徑d、外電極直徑D、傳感器高度L都是固定的．而且在常溫環(huán)境下．空氣的介電常數(shù)為l，水的介電常數(shù)為80左右，純凈原油的介電常數(shù)為2.3左右．水和油兩者介電常數(shù)相差將近40倍．比較易于區(qū)分，報(bào)據(jù)公式2.1可以知道,由此可以判斷油氣界面位于段，油水界面位于段。這樣兩個(gè)界面分布在不同的電容傳感器中，每一段電容傳感器可以獨(dú)立測(cè)量該段的電容值，將傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法的原理應(yīng)用于每一段的電容傳感器中，這樣就解決了傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法不適宜用于三種介質(zhì)油氣、油水雙界面的測(cè)量的問(wèn)題。對(duì)于油氣界面和油水界面在同一段電容傳感器，即油層厚度小于電容傳感器高度L的情況將在下文闡述，嘗試對(duì)于這種情況進(jìn)行處理。將每一段電容傳感器的電容值測(cè)量出之后，因?yàn)楹蜑榧兛諝舛?和為純油段,為純水段，根據(jù)這幾個(gè)電容值，通過(guò)公式2．1分別可以計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境空氣、油和水的介電常數(shù)，然后將獲得的介電常數(shù)實(shí)時(shí)的用于測(cè)量段油氣界面的位置HX和段油水界面的位置HY。這樣就解決了因?yàn)榻橘|(zhì)的介電常數(shù)隨外界各種條件變化而變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)實(shí)時(shí)自標(biāo)定自校正，從而提高了測(cè)量精度。2.2.2幾種特殊情況的處理在油氣界面和油水界面測(cè)量時(shí)還會(huì)遇到以下幾種特殊情況。(1)每次測(cè)量時(shí)分別需要測(cè)量每一段電容傳感器的空管電容值、充滿(mǎn)油的電容值和充滿(mǎn)水的電容值，但是測(cè)量過(guò)程中并不一定每一種介質(zhì)會(huì)充滿(mǎn)該段電容傳感器，顯然這在實(shí)際應(yīng)用中這很難做到。為了防止這種情況出現(xiàn)，當(dāng)傳感器開(kāi)始使用時(shí)或者使用環(huán)境改變時(shí)進(jìn)行一次初始化，首先將十段電容傳感器空管，測(cè)量空管電容值，然后將十段電容傳感器充滿(mǎn)所測(cè)油品，測(cè)量滿(mǎn)油電容值，最后將十段電容傳感器充滿(mǎn)水，測(cè)量滿(mǎn)水電容值，測(cè)量得到的30個(gè)初始值將存入單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，供液位計(jì)算使用。在測(cè)量過(guò)程中，遇到該段充滿(mǎn)空氣、油或者水時(shí)實(shí)時(shí)的更新單片機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)值。(2)油與水的界面是一個(gè)隨含水率變化的非清晰的界面，即乳化層的問(wèn)題，在分段電容式傳感器中處于乳化層的每一段電容傳感器測(cè)量到的電容值是一個(gè)隨含水率變化而變化的值，由油到水的過(guò)程即是含水率逐漸變大的過(guò)程，電容值也隨之而變大。在純油到純水的變化過(guò)程中，只需要確定一個(gè)值，當(dāng)含水率低于此值時(shí)為油，含水率高于此值時(shí)為水。2.3微小電容測(cè)量原理由于在分段電容式液位測(cè)量中被測(cè)電容很小，而線(xiàn)間寄生電容等各種雜散電容較大，因此對(duì)電容測(cè)量提出了極為嚴(yán)格的要求。分段電容式液位測(cè)量系統(tǒng)中的雜散電容主要來(lái)自三個(gè)方面：(1)連接電容內(nèi)外極板與測(cè)量電路電線(xiàn)的寄生電容，其值大約為100pF／m。(2)測(cè)量電路中使用的CMOS模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的耦合電容。(3)內(nèi)外極板之間使用的聚四氟乙烯絕緣管形成的電容。因此電容測(cè)量電路必須滿(mǎn)足以下要求：(1)測(cè)最小電容、動(dòng)態(tài)范圍大、線(xiàn)性度好。(2)測(cè)量靈敏度高、低噪聲、低漂移。(3)能抑制寄生電容和CMOS模擬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的耦合電容。第三章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1課題需要實(shí)現(xiàn)的功能及要求3.1.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及要求通過(guò)溢油回收過(guò)程的描述可以知道溢油裝置工作過(guò)程最后一個(gè)環(huán)節(jié)就是在油液積累到一定厚度時(shí)控制油泵將油抽出，因此油液厚度的測(cè)量是溢油回收實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，液位測(cè)量裝置是溢油回收裝置中的核心。為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的反映溢油回收裝置中氣、油、水的狀態(tài)，了解溢油回收裝置的狀態(tài)，要求液位測(cè)量裝置能夠連續(xù)的將油氣，油水界面的位置測(cè)量出來(lái)，同時(shí)為了控制油泵抽油，還需要計(jì)算出油層的厚度，即油氣界面與油水界面的差值。為了精確控制抽油裝置，需要液位測(cè)量裝置具有較高的測(cè)量精度。抽油泵在向外抽油時(shí)速度比較快，因此需要液位測(cè)量裝置具有較快的測(cè)量速度。為了便于操作人員觀察，需要將油氣界面與油水界面的位置和油層的厚度通過(guò)LCD顯示屏顯示出來(lái)，I司時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)RS一485通訊方式傳送出去，便于二次儀表的使用。收油裝置用于海上環(huán)境，海面情況復(fù)雜，有各種隨機(jī)信號(hào)的干擾，因此傳感器需要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。海水中含有各種具有腐蝕性的礦物質(zhì)，兇此傳感器需要具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。3.1.2系統(tǒng)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(I)測(cè)量參數(shù)：油氣界面和油水界面位置，其中油水界面屬于油／乳化層界面和乳化層／水界面混合的界面(2)測(cè)量范圍：100cm(3)測(cè)量精度：±3cm(4)測(cè)量速度：5／s(5)環(huán)境溫度：-10℃(6)電源電壓：24V(7)顯示方式：LCD顯示油氣界面和油水界面位置、油層厚度(8)通訊接口：RS-485(9)單片機(jī)功能：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)保護(hù)防止程序跑飛、能夠?qū)y(cè)量裝置進(jìn)行初始化校準(zhǔn)，將初始化參數(shù)保存并控制整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行。3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1傳感器結(jié)構(gòu)傳感器截面圖如圖3.1圖3.1傳感器截面圖示意圖整個(gè)傳感器可以分為上下兩部分：上部為數(shù)據(jù)采集與處理模塊，下部為十段電容傳感器和電容傳感器外電極。上部包括電源模塊，ATmega16單片機(jī)、人機(jī)交互模塊和通訊模塊。全部安裝在傳感器頂部的防水盒中。防水盒采用航空插頭外接電線(xiàn)，接入24V電源的輸入以及RS一485串行通訊線(xiàn)纜。防水盒上方安裝有狀態(tài)指示燈、按鍵和LCD顯示屏，實(shí)現(xiàn)傳感器工作指示和人機(jī)交互。下部包括十段獨(dú)立的電容傳感器和電容傳感器外電極。電容傳感器外電極公用．套在整個(gè)電容傳感器外部。中曰足聚四氟乙烯絕緣管將所測(cè)介質(zhì)與電容傳感器隔離。十段獨(dú)立的電容傳感器每一段的結(jié)構(gòu)如下圖：聚四氟乙烯絕緣管內(nèi)是電容傳感器內(nèi)電極，高為10cm，中間是電容測(cè)量電路板，包括ATmega8單片機(jī)、電容測(cè)量電路和通訊電路，其中電容測(cè)量電路分別和電容傳感器內(nèi)、外電極相接。這利獨(dú)立的電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)雖然增加了整體復(fù)雜度和開(kāi)發(fā)成本，但是這樣設(shè)計(jì)可以極大的縮小連接電容測(cè)量模塊和電容極板的導(dǎo)線(xiàn)距離，從而極大的減小了導(dǎo)線(xiàn)電容對(duì)丁測(cè)量的影響，提高了液位測(cè)量的精度。最關(guān)鍵的是每一段電容傳感器都具有獨(dú)立的電容檢測(cè)模塊，可以進(jìn)行高速電容測(cè)量，ATmegal6單片機(jī)可以實(shí)時(shí)的讀取每一段的電容值用于計(jì)算。如果通過(guò)電子開(kāi)關(guān)選通通道然后進(jìn)行電容測(cè)量，不但電子開(kāi)關(guān)需要等待一段時(shí)間，每一次通道通斷后還需要更長(zhǎng)的時(shí)間等待電容測(cè)量模塊穩(wěn)定，之后才能測(cè)最到正確的電容值，這樣就達(dá)不到系統(tǒng)要求的測(cè)量速度。采用獨(dú)立的電容測(cè)量模塊就可以使被測(cè)電容一直接入并處于穩(wěn)定狀態(tài)而不需要電子開(kāi)關(guān)選通通道．也不需要等待電容測(cè)量模塊的穩(wěn)定，從而減小了總體測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量頻率。3.2.2系統(tǒng)功能模塊劃分系統(tǒng)按照功能可以劃分為以下模塊： (1)電源模塊：將+24V輸入電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)正常工作使用的+5V電源，采用雙電源工作。一路給十段電容傳感器，稱(chēng)為傳感器電源；另一路給電容傳感器之外的所有電路供電，稱(chēng)為主電源。(2)數(shù)據(jù)采集與處理模塊：該模塊以ATmegal6單片機(jī)為核心，通過(guò)串行通信收集十段電容傳感器測(cè)量得到的電容數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得到油氣界面和油水界面的何置。同時(shí)摔制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)初始化、電容傳感器初始化、采集并處理十段電容傳感器測(cè)量得到的電容值、液位計(jì)算、T作指示及測(cè)量結(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)定、串行通信等。(3)電容測(cè)量模塊：包括方波產(chǎn)生電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和ATmega8單片機(jī)電路，A／D轉(zhuǎn)換電路使用ATmega8自帶的A／D轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)。南ATmega8作為中繼，接受ATmegal6單片機(jī)的控制，進(jìn)行該段電容傳感器的初始化，電容測(cè)量、結(jié)果的傳送。(4)人機(jī)交互模塊：包括工作指示、按鍵和LCD顯示。工作指示為5個(gè)LED燈管，包括主電源指示、傳感器電源指示、運(yùn)行指示、數(shù)據(jù)傳輸指示、系統(tǒng)運(yùn)行異常指示。四個(gè)按鍵實(shí)璣用戶(hù)輸入。LCD顯示實(shí)現(xiàn)油氣油水界面位置顯示、油層厚度顯示、不同功能狀態(tài)下內(nèi)容顯示。這些都保證了用戶(hù)能夠簡(jiǎn)單快捷的設(shè)定、使用、維護(hù)傳感器，提高用戶(hù)的操作體驗(yàn)。(5)通信模塊：包括兩部分，傳感器內(nèi)部串行通信和外部RS．485總線(xiàn)通信，兩者使用的都是ATmegal6和ATmega8自帶的串行通訊模塊實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作框圖：方波電路方波電路電容電壓轉(zhuǎn)換放大濾波Atmega8方波電路電容電壓轉(zhuǎn)換放大濾波Atmega8電源模塊LED指示、LCD顯示、按鍵RS485外部通信Atmega16圖3.2系統(tǒng)工作框圖第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1硬件電路的總體設(shè)計(jì)4.1.1硬件電路的可靠設(shè)計(jì)系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中非常重要的一點(diǎn)，因此硬件電路的設(shè)計(jì)要考慮影響可靠性的因素。影響系統(tǒng)的可靠性有內(nèi)部和外部?jī)煞矫妗Ｓ绊懴到y(tǒng)可靠性的內(nèi)部因素有：(1)元器件的性能與可靠性。元器件是組成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞和穩(wěn)定性與儀表的性能和可靠性息息相關(guān)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，要精心挑選元器件，使其能夠滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性的要求。(2)硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)中要求原理正確，參數(shù)設(shè)計(jì)適中，線(xiàn)路布局合理，避免元器件之間的電磁耦合，還應(yīng)當(dāng)利用必要的技術(shù)削弱外部干擾對(duì)儀表正常運(yùn)行的影響。關(guān)鍵部分可以采用冗余設(shè)計(jì)。(3)安裝與調(diào)試。安裝調(diào)試過(guò)程也是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要手段。如果安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍有可能影響系統(tǒng)的可靠性。影響可靠性的外部因素是指工作環(huán)境巾的導(dǎo)致系統(tǒng)不可靠工作的外部因素。主要包括以下幾點(diǎn)：(1)外部電氣條件，如電源電壓的穩(wěn)定性，強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的影響。(2)外部窄間條件，如溫度、濕度、動(dòng)氣清潔度等等。4.1.2硬件電路設(shè)計(jì)劃分硬件電路設(shè)計(jì)分為三部分進(jìn)行闡述：(1)電容測(cè)量電路部分：包括直流充放電式電容測(cè)量電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和ATmega8單片機(jī)電路。(2)主控電路部分：包括ATmegal6單片機(jī)電路、人機(jī)接口電路。(3)通用電路部分：包括電源電路、通信電路。4.2單片機(jī)的選用單片機(jī)是整個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)的核心，各個(gè)電容傳感器的測(cè)量電容過(guò)程，測(cè)量結(jié)果的處理并計(jì)算液位，人機(jī)交互以及通信全部以單片機(jī)為核心，并通過(guò)單片機(jī)的協(xié)調(diào)保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此單片機(jī)的選擇是否恰當(dāng)，直接影響測(cè)量系統(tǒng)的功能和性能。選擇單片機(jī)的原則是根據(jù)測(cè)量的要求，從整個(gè)系統(tǒng)的功能、性能、可靠性、研發(fā)成本、使用效率等多方面進(jìn)行綜合考慮，從實(shí)際出發(fā)，適當(dāng)選擇。通過(guò)綜合考慮，該系統(tǒng)采用了AVR系列單片機(jī)中的ATmegal6和ATmega8分別作為數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī)和電容傳感器模塊單片機(jī)。而每設(shè)電容傳感器中都含有一個(gè)ATmega8單片機(jī)，因此ATmega8單片機(jī)共有十個(gè)，每個(gè)電路如圖4.1。PB0(ICP)PB0(ICP)PC0(ADC0)PB1(OCIA)PC1(ADC1)PB2(SS/OCIB)PC2(ADC2)PB3(MOSI/OC2)PC3(ADC3)PB4(MISO)PC4(ADC4/SDA)PB5(SCK)PC5(ADC5/SCL)PB6(XTAL1/TOSC1)ADC6PB7(XTAL2/TOSC2)ADC7PD0(RXD)PC6(RESET)PD1(TXD)PD2(INT0)VCCPD3(INT1)VCCPD4(XCK/T0)AVCCPD5(T1)AREFPD6(AIN0)PD7(AIN1)GNDGNDGND4.3主控電路設(shè)計(jì)4.3.1ATmegal6單片機(jī)電路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理模塊是整個(gè)主控電路的核心，而數(shù)據(jù)采集與處理模塊又以ATmegal6單片機(jī)為核心，ATmegal6單片機(jī)通過(guò)串行通信收集十段電容傳感器測(cè)量得到的電容數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得到油氣界面和油水界面的位置。同時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)初始化、電容傳感器初始化、電容值采集與處理、液位計(jì)算、工作指示及測(cè)暈結(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)定、通信等。因此ATmegal6單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中具有非常重要的作用。數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī)ATmegal6電路如圖4.2PB0(XCK/T0)PA0(ADC0)PB0(XCK/T0)PA0(ADC0)PB1(T1)PA1(ADC1)PB2(AINO/INT2)PA2(ADC2)PB3(AIN1/OC0)PA3(ADC3)PB4(SS)PA4(ADC4)PB5(MOSI0)PA5(ADC5)PB6(MISO)PA6(ADC6)PB7(SCK)PA7(ADC7)PD0(RXD)PC0(SCL)PD1(TXD)PC1(SDA)PD2(INT0)PC2(TCK)PD3(INT1)PC3(TMS)PD4(OCIB)PC4(TDO)PD5(OCIA)PC5(TDI)PD6(ICP)PC6(TOSC1)PD7(OC2)PC7(TOSC2)RESETVCCXTAL2VCCXTAL1VCCGNDAVCCGNDAREFGNDGND圖4.2ATmega16單片機(jī)4.3.2人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)人機(jī)接口電路包括三部分：按鍵電路、LED指示燈電路和LCD顯示電路。LED運(yùn)行狀態(tài)分別采用了五個(gè)LED指示燈，分別指示系統(tǒng)電源、傳感器電源、系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)出錯(cuò)報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸指示。采用四個(gè)按鍵實(shí)璣用戶(hù)輸入，當(dāng)按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)端口的信號(hào)呈低電平狀態(tài)，上拉電阻可以保證在沒(méi)有按下按鍵時(shí)，端口的信號(hào)呈高電平狀態(tài)。圖中的電容用于減輕和消除按鍵抖動(dòng)造成的不確定現(xiàn)象，消除了按鍵抖動(dòng)的影響。其中，LED數(shù)碼管顯示器如圖：1010987612abcdefg4dp3abfcgdedp5GND圖4.3LED數(shù)碼管LED動(dòng)態(tài)顯示電路：圖4.4LED動(dòng)態(tài)顯示電路第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1軟件總體設(shè)計(jì)在進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，即模塊化自頂向下的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)需求分析的要求，明確所要解決的問(wèn)題，將一個(gè)總的問(wèn)題，明確為若干個(gè)部分，對(duì)每個(gè)部分給出軟件解決方案，模塊化設(shè)計(jì)有利于程序設(shè)計(jì)任務(wù)的劃分，各獨(dú)立模塊允許被任意調(diào)用，使得整個(gè)程序結(jié)構(gòu)清晰，組合靈活，維護(hù)調(diào)試方便。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)采用了ATmegal6和ATmega8分別作為數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī)和電容傳感器單片機(jī)，因此軟件設(shè)計(jì)分成了兩部分：ATmegal6單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和ATmega8單片機(jī)程序設(shè)計(jì)。5.2ATmegal6單片機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與處理模塊單片機(jī)ATmegal6完成了以下功能：①整個(gè)系統(tǒng)的初始化：包括單片機(jī)I／O端口的初始化，整個(gè)中斷系統(tǒng)的初始化，串行通信初始化，定時(shí)器初始化，看門(mén)狗初始化，LED系統(tǒng)運(yùn)行指示和LCD顯示初始化，EEPROM設(shè)定值讀取。②人機(jī)交互功能：包括LED系統(tǒng)運(yùn)行指示燈顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，LCD顯示，用戶(hù)按鍵的讀取。③通過(guò)串行通信控制電容傳感器傳送本段電容測(cè)量值，從而獲取十段電容傳感器的測(cè)量值對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理，并計(jì)算出油氣界面位置和油水界面位置，計(jì)算油層厚度并通過(guò)LCD進(jìn)行顯示。通過(guò)按鍵操作能夠讀取十段電容傳感器測(cè)量值，并通過(guò)LCD進(jìn)行顯示，供用戶(hù)調(diào)試使用。④傳感器設(shè)置功能：通過(guò)按鍵操作能夠測(cè)量各段電容傳感器在空管、滿(mǎn)油和滿(mǎn)水狀態(tài)下的電容值，并將這些電容值存入EEPROM中，供每次系統(tǒng)重新運(yùn)行時(shí)讀取使用，該值將用于油氣界面位置和油水界面位置的計(jì)算。通過(guò)按鍵操作能夠設(shè)定判斷油氣界面和油水界面的閾值。⑤定時(shí)檢測(cè)各個(gè)電容傳感器的工作狀態(tài)，如出現(xiàn)錯(cuò)誤通過(guò)LED指示燈報(bào)警，并在LCD顯示出錯(cuò)電容傳感器為第幾段。⑥通過(guò)控制MAX485芯片，使用RS-485總線(xiàn)進(jìn)行外部通信。5.3ATmega8單片機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)電容傳感器單片機(jī)ATmega8具有以下功能：①整個(gè)系統(tǒng)的初始化：包括單片機(jī)I／O端口的初始化，整個(gè)中斷系統(tǒng)的初始化，串行通信初始化，定時(shí)器初始化，A／D模塊的仞始化，看門(mén)狗初始化。②對(duì)電容測(cè)量電路傳送的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用極值平均軟件濾波，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行軟處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。③通過(guò)串行通信接收ATmegal6單片機(jī)的控制信息，傳送本段電容傳感器的測(cè)量值。第六章結(jié)束語(yǔ)本傳感器的設(shè)計(jì)這期間經(jīng)歷了選題，需求分析，原理的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，傳感器總體設(shè)計(jì)，硬件各模塊的設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)，傳感器的分析?？偨Y(jié)所有工作，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)小電容量的檢測(cè)足本系統(tǒng)的核心問(wèn)題之一，改進(jìn)的直流充放電電容檢測(cè)方法是一種比較適合的方法。(2)小電容檢測(cè)的最重要的問(wèn)題，是如何最大限度減少線(xiàn)路電容和元件電容的干擾。通過(guò)改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字信號(hào)傳送，極大的減小了線(xiàn)路電容。通過(guò)改進(jìn)直流充放電測(cè)量電路，基本消除了元件電容的影響。(3)利用本文總結(jié)出的十分簡(jiǎn)單易行的界面計(jì)算方法，簡(jiǎn)化計(jì)算和判斷的過(guò)程，既節(jié)省了單片機(jī)的資源，又降低多次浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算帶來(lái)的近似計(jì)算誤差，提高了測(cè)量精度。(4)傳感器設(shè)計(jì)利用高性能而廉價(jià)的元器件，既簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，又節(jié)省傳感器的成本。例如高速、高集成度的AVR系列單片機(jī)，使用方便的4路模擬開(kāi)關(guān)74HC4066。能夠滿(mǎn)足顯示要求，使用簡(jiǎn)單的1602LCD等等。參考文獻(xiàn)[1]《國(guó)家海洋局》編寫(xiě)組.海洋環(huán)境保護(hù)與檢測(cè).北京:海洋出版社,1998.[2]侯解民,孫玉清,張銀東.海上溢油機(jī)械同收技術(shù)研究.北京:第五屆中國(guó)國(guó)際救撈論壇論文集,2008．[3]交通部科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所.海上溢油防止新技術(shù).北京:中國(guó)科學(xué)環(huán)境出版社,1991．[4]齊永生,宋生奎,涂啞慶.儲(chǔ)油罐液位測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).石油工程建設(shè).2006，32(4):1-4．[5]李冬梅.國(guó)內(nèi)外液位計(jì)量?jī)x表技術(shù)發(fā)展動(dòng)向.儀器儀表用戶(hù).2002,9(3):5-7．[6]楊萬(wàn)國(guó),賈延剛.多種液位儀表的應(yīng)用對(duì)比.石油工程建設(shè).2004,30(1):38-43．[7]任開(kāi)春,涂弧慶.20余種液位測(cè)量方法分析.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置.2003,(5):12-16．[8]李曉游.原油儲(chǔ)罐多界面測(cè)試系統(tǒng):(碩士學(xué)位論文).沈陽(yáng).沈陽(yáng)工業(yè)人學(xué),2006．[9]何奇,庸得剛.淺析汕罐液位檢測(cè)的幾種方法.計(jì)量與測(cè)試技術(shù).2005,32(2):8-9．[10]唐云龍.新型浮簡(jiǎn)液位計(jì)校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā):(碩士學(xué)位論文).大連:大連理工大學(xué)，2009．[11]楊玉玲.基于磁斂伸縮液位傳感器的船舶液位／容積精確監(jiān)控系統(tǒng):(碩士學(xué)位論文).上海:上海海事人學(xué),2006．[12]何祥宇.汕水界面智能榆測(cè)儀的研究(碩士學(xué)位淪文).武漢:武漢理工大學(xué)，2007.[13]王毅,候解民,尚晨旭.電容式油水界面液位傳感器的設(shè)計(jì).中國(guó)儀表.2006,(5):56-58．[14]白雪皎.超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究:(碩士學(xué)位論文).吉林:吉林大學(xué),2006．[15]崔艷.超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究:(碩士學(xué)位論文).天津:天津工業(yè)大學(xué),2003．[16]駱宇鋒,高應(yīng)俊,劉志麟,趙中華.新型光纖液位傳感器及其系統(tǒng)研究.傳感器術(shù).2005，24(5):19-24．[17]余成波,傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù).北京:高等教育出版社,2009．[18]陶紅艷.傳感器與現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù).北京:清華大學(xué)大學(xué)出版社,2009．致謝本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是在我的指導(dǎo)老師姜老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從開(kāi)始的畢業(yè)設(shè)計(jì)講課答疑，平時(shí)資料的搜集，一直到現(xiàn)在畢業(yè)論文的最終完成，老師在每一個(gè)階段都激勵(lì)著我們前進(jìn)。幾個(gè)月以來(lái)，老師在指導(dǎo)我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)那種兢兢業(yè)業(yè)、孜孜不倦、無(wú)怨無(wú)悔的精神給我們留下了深刻的印象，使我們學(xué)到了很多書(shū)本上學(xué)不到的知識(shí)，使我們明白了很多書(shū)本上學(xué)不到的道理。在此謹(jǐn)向祝愿老師身體健康，工作順利！感謝在大學(xué)期間教過(guò)我的各科老師，是你們的悉心教導(dǎo)才有我學(xué)業(yè)的進(jìn)步和順利的畢業(yè)，感謝你們！感謝在一起愉快的度過(guò)大學(xué)生涯的的同學(xué)，感謝你們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活上給予我的幫助！

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽