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(精密仪器及机械专业论文)水位自动控制系统的研制.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
水位自动测控系统的研制 摘要 本课题是企业根据市场需求委托的系统研发项目,委托单位要求系统在降 低成本的前提下,达到国内外同类产品的技术要求。考虑到上述产品要求,利 用机械、电子、光学、液体的综合原理设计出了一整套切实可行的控制方案。 利用机械原理、压力传感器和光学编码器原理设计了水位传感部分同时根据 电子电路知识、单片机控制原理及仪表智能化的设计思想,采用现代仪器设计 中的器件解决方案,对测控系统的核心硬件控制部分进行了较为全面的设计。 并且在软件方面,开发了一套控制算法,辅助硬件系统达到自动控制的技术指 标,同时采用智能化软件的编程思想完成了一整套的软件系统设计。此外,考 虑到工作环境及外界因素的影响,还对控制系统进行了抗干扰性优化设计,使 控制电路运行稳定、性能可靠。通过上电调试及实验结果评定可知,系统完全 达到了所需的技术指标,性能完善,工作可靠,对于提高产品竞争力、降低成 本大有益处。 关键词:浮子式水位计压力式水位计光电编码器压力传感器 单片机 s t u d ya n dm a n u f a c t u r eo fa u t o m a t i c m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fw a t e rl e v e l a b s t r a c t t h i sp r o j e c ts t e m sd o r aac o m p a n y sc o m m i s s i o na n dt h ep u r p o s ei st oa d a p t t h e i rp r o d u c t st om a r k e t o r i e n t e dr e q u e s t s t h es p o n s o ra s k e du st oc o m p l e t et h e s y s t e mw h i c ht e c h n i c a lt a r g e ti sp a r a l l e lw i t ht h es a m em a n u f a c t u r ea b r o a d ,a n dt h e s a m et i m er e d u c et h ec o s to ft h em a c h i n e t h e r e f o r e ,m a k i n gu s eo ft h ei n t e g r a t e p r i n c i p l eo fm e c h a n i s m ,e l e c t r o n i c s ,o p t i c s a n dh y d r o k i n e t i c s ,r e s e a r c h e r sh a v e d e s i g n e das u i to ff e a s i b l ec o n t r o ls c h e m e u s i n gt h ek n o w l e d g eo fm e c h a n i c s , p r e s s u r es e n s o ra n do p t i c se n c o d e r ,m e a s u r e m e n to fw a t e rl e v e lw a sd e v e l o p e d t h e r e s e a r c h e r sd e s i g n e dt h eh a r d w a r ep a r tont h eb a s i so ft h ek n o w l e d g eo fe l e c t r o n a n d e l e c t r o c i r c u i t ,t h em c u p r i n c i p l e a n dt h e i n t e l l i g e n td e s i g n i n g t h e o r y m e a n w h i l e ont h ea s p e c to fs o f t w a r e ,as e to fc o n t r o la r i t h m e t i cw e r e d e v e l o p e d t o h e l p t h eh a r d w a r ep a r tt or e a c ht h ec o n t r o ld e m a n d i n a d d i t i o n ,a n t i j a m m i n gp a i nw a sa l s om a d et oe n s u r et h es y s t e ms t a b i l i z a t i o na n d r e l i a b i l i t y w i t ht h er e s u l to fp o w e r o ns e l f - t e s ta n dt h ee x p e r i m e n t a t i o n ,t h e s y s t e m sl o w e rc o s t ,d e p e n d a b i l i t yw a sp r o v e da n dh a sa c h i e v e da l li t sg o a l s k e y w o r d :f l o a t - t y p es t a g eg a u g e ,p r e s s u r e t y p ef l u v i o g r a p h ,p r e s s u r es e n s o r , o p t i c s e n c o d e l m c u 合肥工业大学 x 7 4 6 7 9 0 本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席: 委员: 导师 答辩委员会签名 参尹励岔予缀矿毛 硼哉伴已印j 兹吱 锐均饥7 炽吾勋7 西根 插图清单 1 1 浮子式水位计样机相片2 1 2系统主电路板相片2 2 一l浮子式水位计结构原理图3 2 2a 点受力示意图3 2 3浮子式水位计安装示意图5 2 4浮子式水位计电路模块图。5 2 5 压力式水位计安装示意图,6 2 6 压力式水位计电路框图6 3 1浮子式水位计水位感测部件图7 3 2光电编码器工作原理图9 3 3测量盘螺纹展开图,1 0 3 4水位测量盘示意图1 1 3 5水位测量极限图1 1 3 6浮子式水位传感器受力图。,。1 2 3 7浮子式水位计轴简图,12 3 8压力式变送器电气连接图1 3 4 1 浮子式水位计硬件设计原理框图,1 4 4 2a t 8 9 c 5 2 引脚图1 5 4 3编码器数据传输时序图1 7 4 4m a x 4 9 0 引脚图。1 7 4 5水位数据传输电路图。1 8 4 6x 5 0 4 5 的引脚图1 9 4 7x 5 0 4 5 与单片机连接电路图2 0 4 8m a x 4 8 5 引脚图2 l 4 9 r s 一4 8 5 远程通讯接口电路图2 1 4 1 0m a x 5 18 引脚图2 2 4 1 1a d 6 9 4 引脚图2 3 4 124 2 0 m a 电流模拟量输出电路图2 3 4 一l3 路光报警与继电器控制电路图2 4 4 一1 4 声音报警器电路连接图,2 4 4 1 5 水位计前面板外观图2 5 4 一1 6 水位计后面板示意图。2 5 4 - - 1 7 独立式按键电路图2 6图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图圈 4 一1 8 显示器的电路连接图2 8 4 一1 9 压力式水位计数据采集系统框图2 8 4 2 0r c v 与压力传感器连接图,2 9 4 2 1r c v 引脚图2 9 4 2 2t l c 2 5 4 3 管脚图3 0 4 2 31 6 时钏,传送时序图( 使用c s ,m s b 在前) 3 1 4 2 41 6 时钟传送时序图( 不使用c s ,m s b 在前) 3 l 4 2 5t l c 2 5 4 3 接口电路图3 2 5 一l主程序流程图。3 5 5 2数据采集处理程序流程图3 6 5 3 浮子式数据采集程序流程图,3 8 5 4浮子式译码程序流程图3 8 5 5 键盘监控程序流程图3 9 5 6 去极值平均滤波程序流程图,4 l 图图图图图图图图图图图图图图 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表6 一i 表6 2 表格清单 单片机a t 8 9 c 5 2 口线功能表 m a x 4 9 0 引脚说明 x 5 0 4 5 的引脚意义 m a x 4 8 5 引脚功能 m a x 5 1 8 引脚功能说明 l c m l 2 8 6 4 z k 中文液晶显示器管脚说明 t l c 2 5 4 3 管脚说明 实验数据 实验数据 1 6 1 7 1 9 2 1 2 2 2 7 3 0 4 2 4 3 独创性声明 本人声明所 交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究j :作及取得的研究成果。 据我所知除r 文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果,也4 i 包含为获得 金日b = ! :些厶堂 或其他教育机构的学位或证1 0 而使 州过的材料。与我同1 :作的同忐对本研究所做的任何贡献均己住论文中作了明确的说明 并表示谢意。 黼撇:袁匆覆 签字日期:钌,;彩月日 学位论文版权使用授权书 本学俺论文作者完全了解金目b ;【三些奎堂有关保留、使州学位论文的规定,有权保留 并向国家有关部门域机构送交论文的复印什和磁盘,允l 午论文被查阅和借阅。本人授权垒 8 b ! :些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学f 市论文。 ( 保密的学位论文在解密厉适_ ;f 本授权f5 ) 学位论文作者签名 掐旋孜 签字日期:d r 年陟月日 学位论文作者毕业后去向: i :作单位: 通讯地址: 导师签名 签字日期 电话 邮编 致谢 本论文是在我的导师胡生清教授的悉心指导下完成的。胡教授不仅是一位 学识渊博的导师,更是我生活中的良师益友,从我入学来,就一直关心我、爱 护我,经常教导我做学阀首先要学会做人,做一个对国家、对社会有益的人。 胡生清教授的渊博的知识、严谨的治学态度、为人师表的高风亮节,将使我终 生受益。在读研期间,不仅学到了很多我渴望学到的知识,更由于胡教授的谆 谆教诲,使我不断扩大知识面和接触面,这一切都将鼓励和鞭策我在人生的道 路上奋发图强。在此,衷心感谢我的导师胡生清教授,感谢胡老师对我的教育 和培养。 我要感谢胡毅老师、黄其圣教授、王永红老师等测控技术及仪器系的其 他老师,他们在这两年多的时间里,在学习和生活上都给予了我很多的关心和 帮助。 我要感谢我的师姐刘芳芳老师、蒋敏兰、刘湘,师兄陈小艳、张登攀、 张文、张贺新,我的同级朋友李红莉、魏礼俊、代鲲鹏、陈海荣等,他们在学 习和生活上给了我很多帮助,使我快乐的度过了这两年多的时光。 最后,我要感谢我的父亲杨似炎、母亲来风云等所有的家人,没有他们 的关心和支持,我不可能取得今天的成绩。我还要感谢我的在合肥的初中同学 们,没有他们,我也不可能取得今天的成绩。 谨以此文献给所有关心、爱护、支持、帮助我的亲人、老师和胴友们! 作者:杨凌波 2 0 0 5 年4 月 第一章绪 言 1 1 课题来源 本课题来源于合肥三立自动化工程有限公司,该公司主要从事水利业等自 动化控制领域的设备生产和销售。该公司长期以来都是是采用外购水位计的方 式,不仅提高了成本,而且增加了生产周期,不利于实际需要,因此委托我们 为其研制一套具有特色的水位计。该水位计能够在浮子式或浸入式两种输入方 式中任意选择,当选择浮子式输入时,能够有独特的防滑机构设计。 1 。2 国内外的状况 国外的水文测量技术比国内领先很多,当国内还在对水利采取堵、排、泄 时,国外已经通过先进的测控设备,对水利资源进行合理的疏导。浮子式水位 计在国外已经有1 0 0 多年的历史,其简单的机械结构,高精度、高可靠性使其 一直占据着水位测量的大部分市场:浸入式水位计随着压力传感器技术的发展 而诞生,因其安装方便、无需建立测井等优点使其近年来发展迅速。另外还有 新出现的超声波水位计,适用于水位变幅较大的场合。国外的水位计的价格都 比较昂贵,而国内复杂的地貌、错综的水文条件对水位计的需求量较大,所以 设计出实用、低成本、高精度的水位测量装置及测控系统就显得刻不容缓。 1 3 研制的内容及其目标 本课题研制的浮子式和浸入式z k 位计,通过采用绝对型光电编码器和压阻 硅式压力传感器,设计出符合精度要求的测控系统。技术指标主要内容: r 1 ) 测量范围:0 2 0 m ; r 2 ) 分辨率:5 m m : f 3 ) 综合精度:a :2 c m : ( 4 ) 环境温度:一2 0 0 c 一+ 5 5 。c ; ( 5 ) 环境湿度:9 5 ; ( 6 ) 工作方式:连续; ( 7 ) 工作电源:a c 2 2 0 v ( 8 5 v 一2 6 5 v ) 或d c 2 4 v ; ( 8 ) 通讯接口:内嵌r s 一4 8 5 通讯接口; ( 9 ) 输入信号:绝对光电编码器数字量输入或浸入式压力模拟量输入可选: ( 1 0 ) 输出信号:1 路模拟量4 - - 2 0 m a ; ( 1 1 ) 报警输出:6 路继电器型无源触点: ( 1 2 ) 显示方式:大屏幕液晶中文汉显 1 4 研制水位自动测控系统的意义 水位计是水文测量的基础设施,是水文测控系统中必不可少的工具。中国 地大物博、水利资源复杂,很多地方水文测报基础设施落后。为了响应国家对 水文设施的要求、适应市场的需要,我们通过研制出浮子式、浸入式两种相对 独立却又共存于一体的水位计,以及相应的测控系统,来对江河湖海的水情进 行测报、对坝区的水位进行测控,保证岸堤和大坝的安全。 1 5 水位测控系统样机 研制出的样机及主电路板如下图,以浮子式方式的输入方式为拍摄对象。 压力式的直接将压力传感器的输出线接机箱后接线座即可: 图1 1 浮子式水位计样机相片 图1 2 系统主电路板相片 2 第二章测量控制系统基本原理及整体构架 用户要求的是能在浮子式和浸入式之间任意选择测量方式,因此最终研制 的是浮子式和浸入式两个相对独立但又共存于一个机箱内的测控系统,所以分 别介绍如下: 2 ,1 系统原理的整体描述 2 1 1 浮子式水位计 浮子式水位计的原理是利用水面浮子及其相应装置感应水位变化,将水位 参数进行纪录或显示的水位观测仪器。它一般包括浮予式水位传感器和显示纪 录器,还包括水位编码器和电源,其传感器具有电量信号输出接口,能将水位 参数远传至远离观测现场处进行记录、显示、处理等。 浮子式水位计的结构原理图如下: 测 滓子 兰些! ! 塑| l 声光报警il 越限操作l i - i ,o _ o 0 0 1 一 - r _ 一k 二二二二二二= 二j 8 c d 码数据输出接 口,串行口袁4 。2 0 m a 每拄高程i 预置 l 仪表部分 图2 1 浮子式水位计结构原理幽 2 1 2 压力式水位计 压力式水位计的原理是利用压力传感器感应静水压力,转化成传感器安装 点的水深,再换算成水位”】。 本系统利用压力传感器来进行水位的测量,将压力传感器浸入水下一定的 深度,通过传感器把与水体深度成正比的水体压力转化成电信号的输出,从而 建立起电信号与水体深度的线性对应关系。 根据公式: p=pg h一一一( 2 - 1 ) 式中, p 一传感器在安装点所受到的压力; p 一水体密度; g 一重力加速度; h 一一是传感器到水面的垂直距离; 誊 由式( 2 1 ) 可知压力与水的密度、重力加速度、水位的高度有关。 在实际测量时,由图2 2 可以看到p 实际上是等于大气压力与水体压力的 和。 即: p = p o + p g h 即有: p p o = ,_ 暨厅 一一( 2 - 3 ) 式( 2 - 3 ) 说明传感器a 点的所受的水压力实际为传感器所受的总压力与大 气压力的差。由此,可得: h = ( p p o ) i p g一一一( 2 4 ) 为了得到p 一风传感器的一端窗口与a 点水压直接接触,传感器的另一端 经过与电缆一体的空气管道与大气压相连,即与肌相连,这样在传感器增压和 背压两面的大气压力就可以相互抵消,从而形成差压式传感器。使得传感器的 输出与p 一风成比例。以上就是本系统所采用压差传感器原理 2 2 系统结构部件介绍 2 2 1 浮子式水位计 在目前通用的各种型式的水位计中,浮子式水位计技术是比较成熟的。与 其它类型的水位计相比,浮子式水位计具有结构简单,操作维护简便。故障少, 性能稳定,质量可靠,经济耐用等许多优点而在水文站、水位站、水库、水电 厂等单位或部门中获得最为广泛的应用。可以说浮子式水位计已经是广大水文 工作者在从事水文工作中不可或缺的有力“武器”。 浮子式水位计测量系统总体上分为两大部分,即水位传感部分和硬件电路 部分。水位传感部分负责采集水位变化的信息,然后由编码器将所采集的信息 转为电信号,经由单片机系统对该电信号进行译码、转换、显示、储存等处理, 根据所需进行输出和控制。 ( 1 ) 水位传感部分:包括浮子、重锤、钢丝绳、轴、卷盘、测量盘、编码器 等,如图2 3 所示: 4 1 绝对多圈传感器 2 弹性联轴器 3 水位钢丝绳测量盘 4 重锤钢丝绳卷盘 5 不锈钢钢丝绳 6 不锈锕浮子 7 重锤 8 浮子测量竖井 下开口入水 9 重锤竖井 下封口 l ,3 量程+ 1 米长度 1 0 防护外量 图2 3 浮子式水位计安装示意图 ( 2 ) 硬件电路部分:包括数据采集模块、转换输入模块、单片机、报警和 控制系统、显示系统、通讯系统、储存系统等。 数据采集模块 单 d 人机接口模块 i 片 机 转换输入模块 1 、:模 d 储存模块 块 输出控制模块 kd 网络通讯模块 图2 4 浮子式水位计电路模块图 2 2 2 压力式水位计 压力式水位计因其安装方便、无需测井等特性使其在水位测量中占有越来 越大的比重,其系统包括两大部分4 】: ( 1 ) 水位传感部分:包括压力传感器、电缆及导气管、钢管等 ( 2 ) 硬件电路部分 图2 5 压力式水位计安装示意图 图2 6 压力式水位计电路框图 6 第三章系统水位传感部分的原理及设计 浮子式水位计和压力式水位计的水位传感部分和设计思想分述如下。 3 1 浮子式水位计水位感测部件的原理及设计方案 3 1 1 浮子式水位计水位感测部件的原理 浮子式水位计的水位感测部件包括浮子、重锤、钢丝绳、轴、卷盘、测量 盘、编码器等,如下图所示 图3 1 浮子式水位计水位感测部件图 浮子的工作原理: 1 5 对漂浮在水面的浮子受力分析可知:g = f + t ( t 为钢丝绳的拉力,g 为浮子重力,f 为浮子所受浮力)当水位上升或下降时,在平衡状态,由于g 、 t 的数值都不变,所以f 的值也不变,说明浮子的受力是平衡的,也就是说浮 予的浸入水中深度是不变的,这是测量的基础。水位变化导致缠绕钢丝绳的水 位测量盘发生转动,而转角与水位变化成线性关系,保证了测量的精度。 浮子在国际标准i s 0 1 l o i 1 9 8 l 及 s 0 4 3 7 3 一1 9 7 9 中都称为浮筒,并要求 “浮筒应严格保持其漂浮性”;我国水利部标准s l l 0 8 9 称浮筒为“能随水位 变化而升降的薄壁筒状零件”;国标g b l1 8 2 8 8 9 中规定“浮子水密性”测试, 要求“在6 0 。c 热水中浸入1 分钟不出现气泡”。以上标准足以说明浮子必须是 一个空心的能漂浮于水面的密封性零件,国内外浮子式水位计中的浮子几乎都 是按此模式设计的。同时与浮子相配合的“平衡锤”,在部标中定为“平衡浮 筒出水体积的重锤”。浮子与平衡锤作用的本质确切的说法是浮子与平衡锤的相 互作用,使浮子“漂浮于水面”,并要求浮子的入水深度应处在筒身的二分之一 处,保持其静态的平衡。浮子的直径取决于驱动力的需要。锤的重量由悬索( 或 钢带) 对水位轮的正压力和足够摩擦力的要求而定与浮子的自身重量有以下 关系: w = w 1 一w2 式中w 。一一一浮子的自重及其悬索重量; w :一一一平衡锤自重及其悬索重量; w 一一一浮子入水部分排开同体积的水重。 由以上可知,当浮子的体积和入水深度决定后,只要平衡锤有足够的重量, 浮子也应有相应的重量,即使用比重大于1 的能沉入水中的材料制成实芯的浮 子,也是完全可以的。平衡锤的作用不仅是为了调节浮子的出水体积,更重要的 功能是产生重力,达到防止悬索在水位轮中跳稽。为此,锤的重量大一些,水 位传动的可靠性高,浮子也要相应加重。如果浮子设计得很轻,能自身漂浮于 水面,锤也得很轻,否则锤重会将浮子拉出水面,或者因压力小而使悬索产生 跳槽。本台仪器的浮予设计成空心不锈钢圆柱形,自重1 5 k g ,加注3 k g 的铅条, 在1 5 k g 平衡锤的作用下,使浮子一半入水。这种浮子克服了金属浮子长期浮 在水面易锈蚀的缺点,也克服了陶瓷浮子易碰破的不足。由于自重大,容易克服 使自身的摩擦力矩,并能提高钢丝抗跳槽能力。 ”1 圆柱形浮子的截面积、入水深度与水的比重和重力加速度g 的乘积为浮 力,被用于克服仪器的摩擦阻力,驱动水位测轮转动,两者决定了仪器的灵敏 度和相应的水位精度。其中仪器摩阻力是采用“力”还是采用“力矩”是值得 商讨的问题。从单纯的机械传动角度而言,用“力矩”来衡量其灵敏度是无可 非议的。在1 9 9 3 年水利部水调中心和南京水文水资源所译印的国际标准草案 中,i s 0 d i s 4 3 7 3 中的文字规定为“无论如何不能超过7 n m ”,即为7 0 k g c m 。 同时,在国标g b l l 8 2 8 - 8 9 中规定:“浮子直径一般不大于中2 5 m ”。仪器的传 动力矩关系到水位测量误差,在国际标准中的公式是: e : ! :塑2 占= _ = - o 艘批2 p g 积批2 p g 式中 f 一水位误差( m ) ; 一驱动力( n ) ; p 一河水密度( k g m 3 ) ; 厅,一一一浮子半径( m ) : 船一一一水位轮半径( m ) : g 一重力加速度( m l s 甜; f 一驱动力矩( n m ) 。 式( 1 ) 中的f 也就是浮子在水位升降变化中的增( 减) 量脚所产生的 浮力与仪器的驱动力矩相平衡的结果,若水的p 作为l 计算,则上式可改为: a m r l r ? :一n ( 2 ) 式( 2 ) 中r :已被约去,叁1 t l r - 2 是浮力的增量。由于r :是水位测轮的 半径,是力矩中的力臂长,公式中把r :约去说明水位计的精度只和“力”有 关。 编码器的工作原理: 编码器采用绝对型多圈编码器做测量元件,每个位置是绝对的,不存在 掉电信号丢失的问题。编码器与水位测量盘同轴连接,编码器完成转轴角位移 的编码,将水位的变化量转换为电信号输出。 光电编码器作为位移( 角度) 一数字类传感器,在位移、方向、角度检测 定位系统中得到越来越广泛的应用”“。 光电编码器主要由安装在旋转轴上的 编码圆盘( 码盘) 、狭缝以及安装在圆盘 两边的光源和光敏接收元件等组成,基本 结构如图3 2 所示。码盘一般由光学玻璃制 成,其上刻有许多同心码道,每位码道上 都有按一定规律排列的透光和不透光部 分即亮区和暗区。光源将光投射在码盘 上时,当旋转轴带动码盘转动时,通过亮 区的光线经狭缝后由光敏元件所接收,把码 盘上按照一定码制刻划的角度信息转换 为电信号,根据需要把电信号经电路处 理或给计算机处理,得到所需要的角度量。 2 1 光源;2 透镜:3 码盘4 窄缝:5 ,光电元什组 图3 2 光电编码器工作原理图 编码器的核心部件是码盘,码盘按定码制方式刻制,码盘按其所用码制 可分为二进码、循环码、十进码、六十进( 度、分、秒进制) 码等。 格雷码码盘具有以下特点:( 1 ) n 位格雷码码盘,与二进码一样,具有2 6 种不同编码,最小分辨力为0 ,= 3 6 0 。2 “。最内圈称为r n 码道,也与二进码 一样一半透光,一半不透光。其它第i 码道相当于二进码码盘第i + 1 码道向零位 方向转过o 、角。( 2 ) 格雷码码盘具有轴对称性。其和为( 2 n - 1 ) 的两个数,其最 高位相反,而其余各位相同。( 3 ) 格雷码为无权码。( 4 ) 格雷码码盘转到相邻 区域时,编码中只有一位发生变化。只要适当限制各码道的制作误差和安装误 差,不会产生粗大误差。由于这原因使得格雷码码盘获得了广泛的应用。 3 1 2 浮子式水位感测部件的设计方案 根据实际要求,在本系统中考虑到浮子式水位计的以下几个方面并给出相 应的设计方法: ( 1 ) 跳槽与卡绳:浮子钢丝绳排在较深螺旋槽中,浮子为金属重力型,且 配重较重,故钢丝绳预紧力大,压紧在槽内自然排线,不易跳槽,随水位的上 下变化会自然重新排线,不会卡绳不影响测量。跳槽引起的误差为线槽内延、 外延及螺距的偏差,大约0 5 c m 。 ( 2 ) 钢丝绳的自重:钢丝绳直径为1 5 m m ,自重为l o 克米,随水位变化 而两端钢丝绳长度变化,配重平衡发生变化,通过浮子的吃水深度的自然改变 而重新保持平衡,浮子的吃水深度微变在测量盘的周长上补偿或在编码器每转 行程换算上补偿( 全程线性) 。 ( 3 ) 钢丝绳打滑、缠绕:浮子、平衡锤采用分段固定式钢丝绳,分别在两 个封闭的竖并内,无外界风力、雨水、杂物等影响,故不再发生钢丝绳打滑、 缠绕磨损、卡绳等问题。 ( 4 ) 平衡锤行程:平衡锤盘紧轮与测量盘紧轮直径比为l :3 ,平衡锤行程 相对减少( 1 3 行程) ,平衡锤竖井下端封口为于井,平衡锤不入水,故不再有 平衡锤入水而产生的浮力变化。 ( 5 ) 浮子:浮子为不锈钢密封重型 ( 6 ) 测量盘的周长:水位测量盘每转一周为o 5 米,则2 0 米满量程需4 0 圈。 本系统的测量范围( s ) 为0 - - 2 0 米,水位测量盘每转一周( ,) 为0 5 米。 为了防止浮子钢丝绳跳槽与卡绳,保证水位测量的精度,浮子钢丝绳必须排在 较深螺旋槽中,钢丝绳直径( d ) 为1 5 m m ,取水位钢丝测量盘上的螺纹螺距 ( m ) 为2 m m 。可计算出水位测量盘的中径( d i ) 、旋转圈数( n ) 和长度( l 1 ) 。 d - = l 石;5 0 0 m m 3 1 4 = 1 5 9 2 4 m m n = s l = 2 0 m ,o 5 m= 4 0 l t = n 。i l l = 4 0 2 m 抽= 8 0 m m 根据以上所求数据,取测量盘的中径d 1 _ 1 5 9 m m 。把盘上的螺纹展开 如图3 3 所示: _ ,r 1 3 1 图3 3 测量盘螺纹展开图 所以盘每转一周的实际周长为: ,= ( 7 力1 ) 2 + m2 = ( 3 1 4 x 1 5 9 ) 2 - i - 2 2 = 4 9 9 2 6 m m 与前面所取的每转一周为5 0 0 m m 有一定的误差,其误差值为l = 0 7 4 m m 。 因为此误差为系统误差,可以在后面软件系统中实现补偿 9 】。 水位测量盘示意图如图3 4 所示: 3 9 0 图3 4 水位测量盘示意图 重锤卷盘与水位钢丝测量盘为大小比例垂吊,重锤行程为浮子行程的1 3 。 因此卷盘的直径( d 2 ) 为: d 2 = d i 3 一d = 1 5 9 3 1 5 = 5 1 ,5 m m 在系统满测量过程中,当浮子处于测量水位最底和测量水位最高两个极限 位置时,如图3 5 所示: 浮子在最上面时淳子在最下面时 图3 5水位测量极限图 当浮子在从最高位置下降到最低位置时,浮子增加了2 0 m 的水位钢丝自重 2 0 0 克,而这一部分钢丝绳的重量将会使浮子浸入水中的深度增加,浮子多浸 入水中的体积为2 1 0 5 m m 3 。而系统的综合精度为2 c m ,在这里我们允许浮子 有1 0 m m 的测量误差( 即h = 1 0 r a m ) t 1 0 】。根据公式v = ;r r 2 h 得浮子直径( d 3 ) : r = 矿( x ) 2 2 1 0 ( n x 1 0 ) 。7 9 8 m m 则取d 3 = 2 r = 1 6 0 m m 浮子式水位传感器受力示意图如图3 6 所示; 图3 6浮子式水位传感器受力图 但是。浮子直径的过大将会使浮子测量竖井的直径尺寸增大,增加了打井 成本( 成本比较高) ,因此可以把浮子直径适当的缩小一点。所以取浮子直径d 3 = 1 2 0 m m ,浮予内部设计为空心结构,以填充密度较大的铅或其他物质。 绝对多圈传感器使用德国h e i d e n h a i n 绝对型多转编码器,编码器输入 轴的直径为1 0 m m ,与之相配套的弹性联轴器输入孔为1 0 m m ,因此确定轴的 输出端相应为1 0 r a m 。 i 12 1 轴设计为阶梯形状,如图3 7 所示: l i aib c de d 、- 图3 7 浮子式水位计轴简图 a 段安装深沟球轴承。采用标准件6 2 0 2 ,b 段安装重锤钢丝绳卷盘,c 段 为轴肩,d 段安装水位钢丝测量盘,由于测量盘为组合件,它的加工工序是把 测量盘焊接到轴上再加工盘上螺纹槽的,并且两个端面的钢板厚度仅仅为 3 r a m ,在往轴上安装时,经过d 段很容易使钢板变形,因此在轴的粗加工时, 在d 段上沉槽e 段,以便于测量盘的安装,而且还可以减轻轴的一部分重量, f 段为输出轴。浮子式整机装配图见附件。 3 2 压力式水位计水位感测部件的原理及设计方案 3 2 1 压力式水位计水位感测部件的原理 “3 “1 半导体材料受到应力作用时,其电阻率会发生变化,这种现象称为压 阻效应。压阻式传感器就是利用单晶硅的压阻效应制成的器件,即在单晶硅的 基片上用扩散工艺( 或离子注入工艺及溅射工艺) 制成一定形状的应变元件, 当它受到压力作用时,应变元件的电阻会发生变化,从而使输出电压发生变化。 固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。其优点是:灵敏 度非常高,有时传感器的输出不需放大可直接用于测量:分辨力高,例如测量 压力时可测出1 0 2 0 p a 的微压:测量元件的有效面积可做得很小,故频率响应 高;可测量低频加速度与直线加速度。 压力传感器模块将实际的压力信号变换成对应的4 2 0 m a 电流信号,经调 理放大电路变换成0 5 v 电压信号,最后经a d 转换后成为可供单片机处理的 数字信号。 3 2 2 压力式水位计水位感测部件的设计方案 本测控系统中根据测量范围和技术指标,选择了合肥中亚传感器有限公司 的p t 3 l l l 型插入式液位变送器其量程为0 - 2 5 m h 2 0 ,电源为2 4 v d c ,输出信号 4 2 0 m a ,工作温度为2 0 8 5 ,精度等级为0 1 ,满足我们的设计要求。具体的硬 件电路配置见第四章。变送器的电气连接图如下: + 变送器电源 4 2 0 m a2 4 v d c r l 一 图3 8 压力式变送器电气连接图 第四章测量控制系统的硬件配置 我们研制的测控系统实际上是两个独立的测量系统,却又通过合理的利用 管脚资源使它们共存于同一个机箱内,具体的硬件配置分述如下: 4 1 浮子式水位计的电路硬件配置 4 1 1 浮子式水位计电路硬件总体设计 根据第一章所提供的技术参数及研制的内容,电路硬件部分的设计包含两 个方面的内容:一是系统扩展,即单片机内部的功能单元,如r o m 、r a m 、 i 0 、定时器计数器、中断系统等,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片, 设计相应的电路;二是系统的配置,即按照系统功能要求配置外围设备,如键 盘、显示器、报警器、继电器控制等,要设计相应的接口电路【1 5 l 【l 6 1 。 硬件设计的原理图如图4 1 所示: 降子测量水位信号l音l c 。显示】 苴 = 刊路继电器和l e 。输出j l 光电编码器净 片 机剖1 路声报警输出i f 键盘净 剖抛0 m a 蝴出l f e 2 p r o m g 刮远程通信接口i 图4 1 浮子式水位计硬件设计原理框图 4 1 2 中央控制部件 由图4 1 硬件设计原理图可知,在对水位信号处理的整个过程中,单片机 是一个最繁忙部分,是整个控制系统的核心,通讯、存储、显示以及报警控制, 都是以单片机为核心的。根据系统的应用控制要求,系统选用a t m e l 公司生 产的8 9 系列单片机。此类单片机是以8 0 3 l 核构成的,与8 0 5 l 系列单片机兼容, 因此设计者很容易以8 0 5 l 为基础进行构造设计。此外,8 9 系列单片机还具有 一些很明显的优点j 1 。 1 内部含f l a s h 存储器 8 9 单片机内部含有4 k b 或8 k b 可重复编程、可电擦除的f l a s h 程序存锗 器,使用寿命长,可进行1 0 0 0 次的擦写操作,因此在系统的开发过程中可以十 4 分容易地进行程序的修改,可大大地缩短系统的开发周期。同时,在系统工作 过程中,能有效地保存数据信息,即使外界电源损坏也不影响信息的保存。而 且带有3 级程序存储器的保密锁定,使系统不会被破坏或仿制。 2 和8 0 c 5 1 插座兼容 8 9 系列单片机的引脚和8 0 c 5 1 是一样的,所以,当用8 9 系列单片机取代 8 0 c 5 1 时,可以直接进行代换。这时,不管采用4 0 引脚还是4 4 引脚的产品, 只要用相同引脚的8 9 系列单片机取代8 0 c 5 l 的单片机即可。 3 静态时钟方式 8 9 系列单片机采用静态时钟方式,所以可以节省电能。这对于降低便携式 产品的功耗十分有用。 4 错误编程亦无废品产生 8 9 系列单片机内部采用了f l a s h 存储器,所以错误编程之后仍可以重新编 程,直到正确为止,故不存在废品问题。 5 可反复进行系统试验 用8 9 系列单片机设计的系统,可以反复进行系统试验。每次试验可以编入 不同的程序,这样可以保证用户的系统设计达到最优。而且随用户的需要和发 展,还可以进行修改,使系统能方便升级,不断追随用户的最新要求。 综上所述,我们的水位测控系统中采用低功耗,高性能并带有8 k 字节可擦 除可编程闪存( e e p r o m ) 的8 位c m o s 型单片机a t 8 9 c 5 2 。其引脚图如图 4 2 所示。这种单片机采用a t m e 公司的高密度非易失性存储技术,并且和工 业标准的8 0 c 5 1 和8 0 c 5 2 使用方法一样。芯片可重复编程。 a t 8 9 c 5 2 功能特性如下: 8 k b 的f l a s h 存储器 2 5 6 字节的内部r a m 3 2 条可编程i o 线 3 个1 6 位定时器计数器 8 个中断源 3 级程序存储器保密 可编程串行接口 片内时钟振荡器 由于本系统要求实现的功能比较强,外接芯片较多,如果采用并行数据输 入输出方式使单片机a t 8 9 c 5 2 的引脚数目不够,必须外扩u o 接口,并使电路 变得复杂。因此,本系统采用占用口线较少的串行数据输入输出方式来实现数 据的传递。 现在把单片机a t 8 9 c 5 2 口线的具体分配放法列表4 1 如下: i 0 口线功能分配所属模块 p o o 控制扬声器输出控制 p o 1 p o 6 控制发光二极管及继电器工作输出控制 p 1 0 p 1 3 4 个按键输入口人机接口 p 1 4 x 5 0 4 5 的串行输x ( s i ) 内存扩展 p 1 5x 2 5 0 4 5 同步时钟输入( s c k )内存扩展 p 1 6x 2 5 0 4 5 的串行输出内存扩展 p 1 7x 2 5 0 4 5 的片选输入内存扩展 p 2 0 一p 2 4 1 2 位串行a d c数模转换 p 2 6m a x 4 9 0 的d i 端网络通讯 p 2 7 m a x 4 9 0 的r o 端 网络通讯 p 3 0串行数据输入端网络通讯 p 3 1 串行数据输出端网络通讯 p 3 2 液晶显示时钟端人机接口 p 3 3 液晶显示数据输入端人机接口 p 3 4m a x 5 1 8 s c l 模数转换 p 3 5m a x 5 1 8 s d a模数转换 p 3 6 一p 3 7 接5 伏电源( 并行读写信号无效) r e s e t 接x 5 0 4 5 的复位端内存扩展 表4 1 单片机a t 8 9 c 5 2 口线功能表 。注:p 3 0 ,p 3 1 是作为普通i o 口使用的,提供m a x 4 8 5 串行通讯的数据发送 和接收端。p 3 2 ,p 3 3 也是作普通i o 口使用,分别给l c d ( 液晶显示器) 提 供时钟信号和数据信号。 4 1 3 水位的测量与数据传输 水位值的测得是由浮子随着水位的下降或上升带动测量盘转动,把水位信 号转换为相应角度信号的,但是角度信号需要进一步的编码转换为电信号才能 被单片机识别处理。对水位测量角度信号的编码转换,我们采用德国 h e i d e n h a i nr o q 4 2 5 绝对型多转编码器把其转换为电信号以便送入单片机 中进行运算处理。【18 】此编码器每转8 1 9 2 ( 1 3 位) 位置值,分解转数4 0 9 6 ( 1 2 位) ; 工作电压:1 0 3 0 v ;输出码:格雷码,轴向顺时针增加;最大电器参数:6 0 0 0 转分;信号输入:t t l 时钟信号( e i a ,r s 一4 8 5 ) ;信号输出:同步串行信号。 编码器绝对的位置值由时钟信号触发,从高位( m s b ) 开始输出与时钟信 号同步的串行信号,s s i 标准的信号单转为1 3 位( 串行) ,多转为2 5 位( 1 3 + 1 2 位串行) 。当不传送信号时,时钟和数据位均是高位,在时钟信号的第一个下降 沿,当前值开始贮存,从时钟信号上升沿开始,数据信号开始传送,t 3 为恢复 信号,等待下次传送。编码器的数据传送时序如图所示: t - - - o 9 1 1 u s t t o 4 5 u $ b o 4 u s t 3 = 1 2 - 3 5 u s 图4 3 编码器数据传输时序图 从上图可以看出数据是在上升沿开始送出的,时钟周期t 1 必须要大于 o 4 5 i l s ,而单片机采用1 2 m h z 的晶振,机器周期为l u s ,而两次发送数据的时 问间隔为0 9 一l l u s ,所以在编写程序时要注意时序的搭配,否则会出现数据传输 出错。r o q 4 2 5 绝对型编码器的输出接口有六根线,分别是两个电源线、两根 差分的时钟信号线和两根差分的数据信号线。这种通讯方式不是完全意义上的 r s 4 8 5 异步通讯,它需要时钟的同步信号来完成同步传输,半双工通讯的 m a x 4 8 5 不能满足要求,因此在本系统中采用了r s 4 8 5 总线驱动器m a x 4 9 0 来实现全双工的通讯f l ,m a x 4 9 0 的引脚图和管脚说明如下。 引脚名称功能 1v c c 电源,4 7 5 v v c c 5 2 5 v 2r o 接收器输出 3 d i驱动器输入 4 g n d地 5y 驱动器非反向输出端 6z 驱动
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