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1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上傳感器課程設計液位智能儀 目錄第1章 選題背景及設計指導思想21.1選題背景21,2指導思想2第2章 方案論證22.1設計原理32.2系統(tǒng)框圖3第3章 單元電路設計33.1傳感器設計43.2將電容轉化成電信號部分53.3 電信號放大電路設計53.4A/D轉換器設計63.5 控制軟件系電路的設計73.6 顯示電路設計83.7 軟件系統(tǒng)的設計103.8 誤差分析及結果圖16第4章元器件清單17第5章 小結18參考文獻19附錄一：系統(tǒng)總圖20附錄二：程序清單21摘要：討論電容式傳感器的原理、電容頻率轉換電路、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

2、進行溫度補償的方法。設計并制作了圓柱形電容器，利用555 振蕩電路將容量變化轉換成頻率的變化，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1cm。關鍵詞：電容式液位計；頻率轉換；頻率測量 引 言 液位檢測在許多控制領域已較為普遍，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。各種方式都根據其需要設計完成，其結構、量程和精度適用于各自不同的場合，大多結構較為復雜，制造成本偏高；市面上也有現成的液位計，有投入式、浮球式、彈簧式等，多數成品價格驚人。以上液位計多數輸出為模擬量電流或電

3、壓，有些為機械指針讀數，不能用于遠程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面，在波動液面易引起讀數的波動；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。本文利用圓柱形電容器原理，結合單片機設計出一種智能液位檢測裝置。第1章 選題背景及設計指導思想1.1課題背景本學期開設了測控電路，傳感器及傳感器技術，自動控制原理，單片機，電機拖動等課程。本課程設計是在學完這么多課的基礎上，為了能更好的掌握這些課的內容，把理論應用于實際而提出來的。旨在發(fā)揮我們的設計，創(chuàng)新意識。通過本課程設計可以掌握和鞏固傳感器的基本設計方法，工業(yè)水位的測量方法，放大電路的設計，單片機的基本應用，顯示電路的連接等知識。進一步加強對課堂理論

4、知識的理解與綜合應用能力，從而提高我們解決問題的能力和創(chuàng)造發(fā)明能力。1,2指導思想使用電容式液位傳感器，設計傳感器放大電路，將液位信號轉變?yōu)闃藴孰娦盘?，將液位值顯示出來（液位高度2.5米，顯示精度1厘米）。再設計控制電路，控制料罐的進口閥門開度，使其能夠穩(wěn)定在設定的高度值。具體要求1）設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設計原理本設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面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。由于從傳感器得出的電壓一般在03

5、0mv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轉換成數字量，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。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和單片機連接以驅動數碼管。2.2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：將輸入的物理量轉換成相應的電信號輸出，實現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換數字量，通常要進行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預處理來完成。A/D轉換器：

6、實現將模擬量轉換成數字量，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：目前的數據采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機。顯示設備：在此用到8段數碼管?？刂圃O備：控制電動機的運行或關閉。 第三章單元電路設計3.1傳感器設計3.1.1傳感器原理電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測體的導電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉換成相應的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機進行測量并轉換成相應的液位高度進行顯示,該系統(tǒng)對液位深度具有測量、顯示與設定功能, 并具有結構簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。3.1.2傳感器的組成圖3-1-2 為傳感器部分的結構原理圖。它主要

7、是由細長的不銹鋼管(半徑為R1 ) 、同軸絕緣導線(半徑為R0 ) 以及其被測液體共同構成的金屬圓柱形電容器構成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化, 從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。圖3-1-2傳感器原理圖3.1.3 測量原理由圖1 可知, 當可測量液位H = 0 時, 不銹鋼管與同軸絕緣導線構成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0 , 根據文獻得到電容量為: （1）式中, C0 為電容量, 單位為F ; 0 為容器內氣體的等效介電常數,單位為F/ m; L 為液位最大高度; R1 為不銹鋼管半徑;R0 為絕緣導線半徑, 單位為m。當可測量液位）為H 時,

8、不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH : （2）式中, 為容器內氣體的等效介電常數, 單位為F/ m。因此, 當傳感器內液位由零增加到H 時, 其電容的變化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式可知, 參數0 , , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量C 與液位變化量H 呈近似線性關系。因為參數0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 為常數) (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 成線性關系。由此, 只要測出電容值便能計算出水位。3.2將電容轉化成電信號部分 采用運算

9、法測量電路來轉化。該電路由傳感器和固定的標準電容以及運算放大器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 電信號放大電路設計由于從傳感器得出的電壓一般在030mv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，采用最基本的比例運算反放大電路. 圖3-3 比例放大電路要將30mV電壓放大成5V，根據公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=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成正的，其中R3=R5=1K,R6=R3/R5。3.4 A/D轉換器設計本設計采用A/D轉換器ADC0809。ADC0809是CMO

10、S單片型逐次逼近式AD轉換器，由于輸出級有8位三態(tài)輸出鎖存器，因而0809的數據輸出端可以直接與單片機的數據總線連接。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位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上.ADC0809轉換是采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V供電，

11、片內帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉換需要100us左右，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數據總線上，通過適當的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。ADC0809與單片機的接口電路圖3-4 ADC0809與單片機的接口電路3.5 控制電路的設計 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，當水位高于2.5m水位時，電動機停轉，水泵停止對水罐供水；當水位低于2.5m水位時，電動機起轉，水泵開始對水罐供水。其電路圖如圖3-5所示。圖3-5 控制電路電路圖3.6 顯示電路設計發(fā)現需

12、要4位的LED足可滿足本設計的顯示精度要求,為了減少所需的I/O數量,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)現測距儀利用串行輸入BCD碼十進制譯碼驅動顯示器件MC14499來完成與單片機系統(tǒng)的顯示接口較為簡單可靠。用MC14499設計的LED顯示器動態(tài)顯示接口電路如圖3-6所示。圖3-6 MC14499設計的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,其數據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。這里假設使用的單片機是8051 ,單片機的P1口為數據輸出口, 顯示器采用共陰極8段LED, 顯示

13、位數為4位,由于一片MC14499 可以驅動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)送數據,P1.1用來向MC14499發(fā)送時鐘脈沖,P1.2用于控制單片機輸出數據向MC14499串行輸入(當P1.2 = 0時,允許MC14499輸入數據)。反相器74LS06作為顯示器的位驅動, 8 個47的電阻是LED 的限流電阻, 3個5.1k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,而串行輸入一幀數據又需要一定的時間,所以LED顯示的數據不會出現閃爍現象。3.7 軟件系統(tǒng)的設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的初始化,中斷的管理,結果的顯示等工作。主程序流程圖如下：程序運行開要初始化各種參數，可以默認液位設定值等，之后如果要進入液