单片机的薄膜谐振式水位传感器的高度测量用频率计的设计与制作开题报告

薄膜谐振式液位高度测量用频率计的设计与制作一.设计目的及意义目前，在许多生产和科研的各个部门，在一些特殊场合只需要用到测量用专用频率计就可以，但市场上出售的大多都是多功能频率计，且价格较高，使用起来成本较高。为此，需要设计用于固定场合的专用频率计。下面介绍一种与水位传感器牌套使用的频率计。利用薄膜谐振式水位传感器来检测容器内液位高度是一般液位高度检测方法之一。薄膜谐振式水位传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低。该频率计成本低，重量轻，操作简单，且价格低廉，测频性能稳定可靠。二设计要求1测频范围 1Hz60KHz。2频率测量误差小于10Hz。3. 能稳定准确显示所测频率值。三设计思路1. 薄膜谐振式水位传感器的结构与工作原理图中水桶的水位 H 转换为导管口中的气压，通过引入嘴进入传感器气室，气室上面式封闭的，与水位 H 成正比的气压，被传到薄膜上，导板嵌装在隔膜上，当 水位 H 上升时，气压增大，导板向上移动，当水位下降时，气压降低，在弹簧的作用下，导板向下移动，导板中心有导向轴，受外壳的支撑点限位，使导板上下平行移动，不致偏移。导板上有固定支架，装有磁性元件，在导管气压的作用下导板上下平行移动时，带动磁性元件使其与线圈之间的相对位置发生变化，因此线圈的电感量发生变化。该电感与电容组成三点式振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低。2. 水位与频率对应关系的建立由于桶内所形成的压力远小于大气压，因此，由此引起检测内腔的空气体积变化很小，既气腔内外的压差为（2-1） HP式中 为水的密度， H 为水的高度。压差 作用于薄膜上， 驱动磁芯位移 X ， 磁芯同时受到弹簧的反作用力，压差形成的驱动力为：= p S （2-2）1F式中 S 为薄膜的有效面积。弹簧的反作用力为：= K X （2-3）2式中 K 为弹性系数。当 = 时位移停止，由 H S = KX 得：12 X = S/KH = A H （2-4）由此可见 ,水位H与位移 X 成线性关系，磁芯在线圈中位移 X ，将引起电感量的变化， 已知磁芯与线圈如图2-3 所示。图2-3 磁心与线圈的位移电感L 由下式决定，（2-5）220 /)1( arXRaLa式中 N 为线圈匝数； 为空气导磁率( =4 H/ m)； 为磁芯导磁率；071aR 为线圈平均半径； 为磁芯有效半径； a 为线圈长度。该线圈电感与电容器 ar 1C、 组成三点式振荡电路，取 = = C ,其振荡频率为2C12= (1/ 2) （2-6）fL把式2-4和式2-5 代入式2-6，令2 C = W ，则( a/) N = m ， a 0W = n ， ( - 1) A = u ，则2Raar9（2-7）Hnmf 3. 水位传感器谐振频率的测量谐振式水位传感器的输出为+5V 方波脉冲信号，可以直接链接 89C51 的定时/计数口 T0,谐振式水位传感器在 0mm500mm 水位高度范围内的谐振输出频率范围为20KHz26KHz,采用 89C51 内部定时中断定时外部直接计数方式测量输出频率，误差小于 10Hz.通过对 T0 口的初始化编程，将计数器计数的时间设定为 1S,T1 定时器发出中断，T0 口在 1s 中的脉冲个数即为被测信号的频率。因为采用直接测量法在低频范围误差较大，但在 20KHz26KHz 频率范围内，测量误差较小。四.方案设计与论证1. 方案一此方案采用中小规模的数字电路构成频率计，用计数器构成主要的测量器件，用定时器构成主要的控制模块及时标。外围芯片过多，频带太窄，系统实现起来比较复杂，功能不强。方案框图如图 2 示。延迟反相器单稳触发器T 触发器量程选择分频器时钟显示传感器信号 计数器 锁存器图 2 方案一设计框图其基本原理是，被测信号 ux首先经整形电路变成计数器所要求的脉冲信号，频率与被测信号的频率 fx相同。时钟电路产生时间基准信号，分频后控制计数与保持状态。当其高电平时，计数器计数；低电平时，计数器处于保持状态，数据送入锁存器进行锁存显示。然后对计数器清零，准备下一次计数。2. 方案二利用单片机（AT89C51）构成主要的控制和测量模块，其内部的计数器对其计数，设定单片机定时器定时时间 1s，通过软件使计数器和定时器的开启和关闭，到达定时时间的脉冲个数即为被测信号的频率。该方案以单片机的指令周期作为时标，具有足够的精度，电路实现简单，功能较强，具有智能性。复位电路晶振传感器信号锁存器单片机显 示图 3 方案二设计框图综合比较两种方案，由于方案一由于用中小规模集成电路来实现，系统比较复杂，测量精度不高，方案二测量方法简单，采用单片机的算术运算和控制功能，保证了系统的测量精度，LED 数字显示电路能够实时的显示测量结果。因此，采用方案二来实现。该方案的硬件电路由单片机 AT89C51,8 位地址锁存器 74LS373 及显示电路等组成。五电路测量原理脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式为 ，NfT其中 f被测信号的频率，N计数器单位时间所累计的脉冲个数；T单位时间。如在 1s 中记录 1000 个脉冲，则被信号的频率为 1000 。zH晶振产生的标准频率，经单片机电路分频后可获取各种时基信号（1ms、10ms、0.1s、1s） 。水位传感器的频率信号直接加到单片机的主控门 T0 计数端。只有在闸门时间采样期内（时基信号的一个周期） ，输入信号才通过主控门。若时基信号的周期为 T，进入计数器的脉冲个数为 N,则被测信号的频率= ,改变时NT基信号的周期 T,即可得到不同的测频范围。当主控门关闭时，经延时整形电路的延时后，延时电路输出一个复位信号，使计数器和所有的触发器置 0，为后续新的一次采样做好准备，即能锁住一次显示的时间，直到接受到新的一次采样为止。显示方式采用七段 LED 数码管显示读出，做到显示稳定、不跳变。1硬件电路设计 图 4 硬件电路图复位电路 采用上电自动复位，基本功能就是在系统上电时提供复位信号，直至系统稳定后，撤销复位信号。显示电路 该显示电路共显示 5 位数字，采用动态显示方式。LED 显示器采用共阴级接法，P0 口用于输出段码，P1 口用于输出位选码。2.软件设计该频率计的软件主要包括主程序、中断服务程序、显示字程序等，主程序主要完成初始化、调用各功能子程序的功能，显示程序用于显示所测频率，中断服务子程序用以完成脉冲数的累加。六设计预期结果1.完成设计装置的制作与调试。2.能够达到预期的各项技术指标和功能。3.能够准确稳定的显示测量信号的频率。七毕业设计的进程安排序号设计各阶段内容 起止日期1 毕业设计动员会 2006、03、312 资料收集、整理、分析；作出设计方案；完成开题报告；完成外文翻译；2007、04、03-2007、04、133 毕业设计（论文）开题答辩 2007、04、14-2007、04、154 完成设计任务 2007、04、16-2007、05、255 撰写毕业论文 2007、06、03-2007、06、096 准备毕业设计答辩 2007、06、11-2007、06、157 毕业设计答辩 2007、06、18-2007、06、22八参考文献1 何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社，1990.2 李建忠.单片机原理及应用.西安:西安电子科技大学出版社，2006.3 李广娣 .单片机基础. 北京:北京航空航天大学出版社，2000.5304 李军.贺庆之.检测技术与仪表.北京:轻工业出版社，1989.1881905 王孙武.电子测量仪