薄膜諧振式液位高度測量用頻率計的設(shè)計與制作-畢業(yè)論文開題報告

XX畢業(yè)設(shè)計開題報告薄膜諧振式液位高度測量用頻率計的設(shè)計與制作一.設(shè)計目的及意義目前，在許多生產(chǎn)和科研的各個部門，在一些特殊場合只需要用到測量用專用頻率計就可以，但市場上出售的大多都是多功能頻率計，且價格較高，使用起來成本較高。為此，需要設(shè)計用于固定場合的專用頻率計。下面介紹一種與水位傳感器牌套使用的頻率計。利用薄膜諧振式水位傳感器來檢測容器內(nèi)液位高度是一般液位高度檢測方法之一。薄膜諧振式水位傳感器內(nèi)置三點式水位傳感器振蕩電路，該振蕩電路的固有頻率隨水位的變化而變化，通過檢測該振蕩電路的頻率來判定水位的高低。該頻率計成本低，重量輕，操作簡單，且價格低廉，測頻性能穩(wěn)定可靠。二．設(shè)計要求1．測頻范圍1Hz～60KHz。2．頻率測量誤差小于±10Hz。3.能穩(wěn)定準確顯示所測頻率值。三．設(shè)計思路薄膜諧振式水位傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理圖中水桶的水位H轉(zhuǎn)換為導(dǎo)管口中的氣壓，通過引入嘴進入傳感器氣室，氣室上面式封閉的，與水位H成正比的氣壓，被傳到薄膜上，導(dǎo)板嵌裝在隔膜上，當水位H上升時，氣壓增大，導(dǎo)板向上移動，當水位下降時，氣壓降低，在彈簧的作用下，導(dǎo)板向下移動，導(dǎo)板中心有導(dǎo)向軸，受外殼的支撐點限位，使導(dǎo)板上下平行移動，不致偏移。導(dǎo)板上有固定支架，裝有磁性元件，在導(dǎo)管氣壓的作用下導(dǎo)板上下平行移動時，帶動磁性元件使其與線圈之間的相對位置發(fā)生變化，因此線圈的電感量發(fā)生變化。該電感與電容組成三點式振蕩電路，該振蕩電路的固有頻率隨水位的變化而變化，通過檢測該振蕩電路的頻率來判定水位的高低。水位與頻率對應(yīng)關(guān)系的建立由于桶內(nèi)所形成的壓力遠小于大氣壓，因此，由此引起檢測內(nèi)腔的空氣體積變化很小，既氣腔內(nèi)外的壓差為（2-1）式中為水的密度，H為水的高度。壓差作用于薄膜上，驅(qū)動磁芯位移ΔX，磁芯同時受到彈簧的反作用力，壓差形成的驅(qū)動力為：=Δp·S（2-2）式中S為薄膜的有效面積。彈簧的反作用力為：=K·ΔX（2-3）式中K為彈性系數(shù)。當=時位移停止，由H··S=K·ΔX得：ΔX=S/K·H=A·H（2-4）由此可見,水位H與位移ΔX成線性關(guān)系，磁芯在線圈中位移ΔX，將引起電感量的變化，已知磁芯與線圈如圖2-3所示。圖2-3磁心與線圈的位移電感L由下式?jīng)Q定，（2-5）式中N為線圈匝數(shù)；為空氣導(dǎo)磁率(=4π·H/m)；為磁芯導(dǎo)磁率；R為線圈平均半徑；為磁芯有效半徑；a為線圈長度。該線圈電感與電容器、組成三點式振蕩電路，取==C,其振蕩頻率為=(1/2)π·（2-6）把式2-4和式2-5代入式2-6，令2π·C·=W，則(a/π)·N=m，a·=n，(-1)·A·=u，則（2-7）水位傳感器諧振頻率的測量諧振式水位傳感器的輸出為+5V方波脈沖信號，可以直接鏈接89C51的定時/計數(shù)口T0,諧振式水位傳感器在0mm～500mm水位高度范圍內(nèi)的諧振輸出頻率范圍為20KHz～26KHz,采用89C51內(nèi)部定時中斷定時外部直接計數(shù)方式測量輸出頻率，誤差小于10Hz.通過對T0口的初始化編程，將計數(shù)器計數(shù)的時間設(shè)定為1S,T1定時器發(fā)出中斷，T0口在1s中的脈沖個數(shù)即為被測信號的頻率。因為采用直接測量法在低頻范圍誤差較大，但在20KHz～26KHz頻率范圍內(nèi)，測量誤差較小。四.方案設(shè)計與論證方案一此方案采用中小規(guī)模的數(shù)字電路構(gòu)成頻率計，用計數(shù)器構(gòu)成主要的測量器件，用定時器構(gòu)成主要的控制模塊及時標。外圍芯片過多，頻帶太窄，系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，功能不強。方案框圖如圖2示。延遲反相器延遲反相器單穩(wěn)觸發(fā)器T觸發(fā)器量程選擇分頻器時鐘顯示傳感器信號計數(shù)器鎖存器圖2方案一設(shè)計框圖其基本原理是，被測信號ux首先經(jīng)整形電路變成計數(shù)器所要求的脈沖信號，頻率與被測信號的頻率fx相同。時鐘電路產(chǎn)生時間基準信號，分頻后控制計數(shù)與保持狀態(tài)。當其高電平時，計數(shù)器計數(shù)；低電平時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)，數(shù)據(jù)送入鎖存器進行鎖存顯示。然后對計數(shù)器清零，準備下一次計數(shù)。方案二利用單片機（AT89C51）構(gòu)成主要的控制和測量模塊，其內(nèi)部的計數(shù)器對其計數(shù)，設(shè)定單片機定時器定時時間1s，通過軟件使計數(shù)器和定時器的開啟和關(guān)閉，到達定時時間的脈沖個數(shù)即為被測信號的頻率。該方案以單片機的指令周期作為時標，具有足夠的精度，電路實現(xiàn)簡單，功能較強，具有智能性。復(fù)位電路復(fù)位電路晶振傳感器信號鎖存器單片機顯示圖3方案二設(shè)計框圖綜合比較兩種方案，由于方案一由于用中小規(guī)模集成電路來實現(xiàn)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，測量精度不高，方案二測量方法簡單，采用單片機的算術(shù)運算和控制功能，保證了系統(tǒng)的測量精度，LED數(shù)字顯示電路能夠?qū)崟r的顯示測量結(jié)果。因此，采用方案二來實現(xiàn)。該方案的硬件電路由單片機AT89C51,8位地址鎖存器74LS373及顯示電路等組成。五．電路測量原理脈沖信號的頻率就是在單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)，其表達式為，其中f—被測信號的頻率，N—計數(shù)器單位時間所累計的脈沖個數(shù)；T—單位時間。如在1s中記錄1000個脈沖，則被信號的頻率為1000。晶振產(chǎn)生的標準頻率，經(jīng)單片機電路分頻后可獲取各種時基信號（1ms、10ms、0.1s、1s）。水位傳感器的頻率信號直接加到單片機的主控門T0計數(shù)端。只有在閘門時間采樣期內(nèi)（時基信號的一個周期），輸入信號才通過主控門。若時基信號的周期為T，進入計數(shù)器的脈沖個數(shù)為N,則被測信號的頻率=,改變時基信號的周期T,即可得到不同的測頻范圍。當主控門關(guān)閉時，經(jīng)延時整形電路的延時后，延時電路輸出一個復(fù)位信號，使計數(shù)器和所有的觸發(fā)器置0，為后續(xù)新的一次采樣做好準備，即能鎖住一次顯示的時間，直到接受到新的一次采樣為止。顯示方式采用七段LED數(shù)碼管顯示讀出，做到顯示穩(wěn)定、不跳變。1．硬件電路設(shè)計圖4硬件電路圖復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位，基本功能就是在系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。顯示電路該顯示電路共顯示5位數(shù)字，采用動態(tài)顯示方式。LED顯示器采用共陰級接法，P0口用于輸出段碼，P1口用于輸出位選碼。2.軟件設(shè)計該頻率計的軟件主要包括主程序、中斷服務(wù)程序、顯示字程序等，主程序主要完成初始化、調(diào)用各功能子程序的功能，顯示程序用于顯示所測頻率，中斷服務(wù)子程序用以完成脈沖數(shù)的累加。六．設(shè)計預(yù)期結(jié)果1.完成設(shè)計裝置的制作與調(diào)試。2.能夠達到預(yù)期的各項技術(shù)指標和功能。3.能夠準確穩(wěn)定的顯示測量信號的頻率。七．畢業(yè)設(shè)計的進程安排序號設(shè)計各階段內(nèi)容起止日期1畢業(yè)設(shè)計動員會2資料收集、整理、分析；作出設(shè)計方案；完成開題報告；完成外文翻譯；3畢業(yè)設(shè)計（論文）開題答辯4完成設(shè)計任務(wù)5撰寫畢業(yè)論文6準備畢業(yè)設(shè)計答辯7畢業(yè)設(shè)計答辯八．參考文獻[1]何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990.[2]李建忠.單片機原理及應(yīng)用.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.[3]李廣娣

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