电容式液位传感器课程设计-21

1、传感器课程设计液位智能仪目录第 1 章 选题背景及设计指导思想 2选题背景 21,2 指导思想 2第 2 章 方案论证 2设计原理 3系统框图 3第 3 章 单元电路设计 3传感器设计 4将电容转化成电信号部分 5电信号放大电路设计 5D转换器设计 6控制软件系电路的设计 7显示电路设计 8软件系统的设计 10误差分析及结果图 16第 4 章元器件清单 17第 5 章 小结 18参考文献 19附录一：系统总图 20附录二：程序清单 21摘 要： ：讨论电容式传感器的原理、电容频率转换电路、精确测量频率量 的频率测量法 , 及利用DS1820 测量温度和用单片机进行温度补偿的方法。设 计并制作了

2、圆柱形电容器，利用 555 振荡电路将容量变化转换成频率的变化， 并利用单片机进行测频，通过软件计算液位高度，减小了电容与频率转换的 线性误差，具有温度软件补偿功能。通过实验测试，该装置的测量精度优于 1cm。关键词： 电容式液位计；频率转换；频率测量引言液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测传感器较 多，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其 需要设计完成，其结构、量程和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为 复杂，制造成本偏高；市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧 式等，多数成品价格惊人。以上液位计多数输出为模拟量电流或电压，有些 为机械指针

3、读数，不能用于远程监视；普遍适用于静止液面，在波动液面易 引起读数的波动；也有用电容法测液位的系统，此法是一种简单易行的方案。 本文利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出一种智能液位检测装置。第 1 章 选题背景及设计指导思想课题背景本学期开设了测控电路，传感器及传感器技术，自动控制原理，单片机，电机拖动等课程。本课程设计是在学完这么多课的基础上，为了能更好的掌握这些课的内容，把理论应用于实际而提出来的。旨在发挥我们的设计，创新意识。通过本课程设计可以掌握和巩固传感器的基本设计方法，工业水位 的测量方法，放大电路的设计，单片机的基本应用，显示电路的连接等知识。 进一步加强对课堂理论知识的理解与

4、综合应用能力，从而提高我们解决问题 的能力和创造发明能力。1,2 指导思想使用电容式液位传感器，设计传感器放大电路，将液位信号转变为标准电信号，将液位值显示出来（液位高度米， 显示精度 1 厘米）。再设计控制电路， 控制料罐的进口阀门开度， 使其能够稳 定在设定的高度值。具体要求1）设计以测量显示部分电路为 主；2）要绘制原理框图；3）绘制原理电路；4）要有必要的计算及元件选择说明；5）提供元件清单。第 2 章方案论证设计原理本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极的覆盖 面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液 位测量。由于从传感器得出的电压一般在

5、030mv之间，太小不易测量，所以 要通过放大电路进行放大。从放大电路出来的是模拟量，因此送入 ADC080转9 换成数字量， ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。通过单片机控制水 泵的运转。显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。该显示接口用一片 MC1449和9 单片机连接以驱动数码管。系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。 传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电 量的变换。 传感器的精度直接影响到整个系统的性能， 所以是系统中一个 重要的部件。放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量， 通常要进行放大，滤波等环节的预处

6、理来完成。A/D 转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐 次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一 般都采用单片机。显示设备：在此用到 8 段数码管。控制设备：控制电动机的运行或关闭。第三章单元电路设计传感器设计3.1.1 传感器原理电容式液位传感器系统 ; 它利用被测体的导电率 , 通过传感器测量电路 将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化 , 再由单片机进行测量并转 换成相应的液位高度进行显示 , 该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。3.1.2 传感器的组成图3

7、-1-2 为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管 （ 半径 为R1 ） 、同轴绝缘导线 （半径为R0 ） 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形 电容器构成。该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化 而变化 , 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。图3-1-2 传感器原理图3.1.3 测量原理由图1 可知, 当可测量液位 H = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容 C0 , 根据文献得到电容量为 :(1)式中, C0 为电容量, 单位为F ; 0 为容器 内气体的等效介电常数 ,单位为 F/ m; L 为液位最大高度 ; R1 为不锈

8、钢管半 径;R0 为绝缘导线半径 , 单位为m。当可测量液位)为 H 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容 CH :式中 , 为容器内气体的等效介电常数(2)单位为F/ m。因此, 当传感器内液位由零增加到 H 时, 其电容的变化量 C 可由式 (1) 和式(2) 得3)由式可知, 参数0 , , R1 , R0 都是定值。所以电容的变化量 C 与液 位变化量H 呈近似线性关系。因为参数 0 , , R1 , R0 , L 都是定值 , 由 式(2) 变形可得 :CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 为常数) (4) 。可见, 传感器的 电容量值 CH 的大小与电容器浸入液体的深

9、度 H 成线性关系。由此 , 只要测出 电容值便能计算出水位。将电容转化成电信号部分采用运算法测量电路来转化。该电路由传感器和固定的标准电容以及运算放大器 A 组成，如图 3-2 所示。图 3-2 运算放大器测量电路原理图电信号放大电路设计由于从传感器得出的电压一般在 030mv之间，太小不易测量，所以要通 过放大电路进行放大，如图 3-3 所示，采用最基本的比例运算反放大电路图 3-3 比例放大电路要将30mV电压放大成5V，根据公式U=-（R1/R2）Uo, 所以选择R1=500K,R2=3K， R4=R1ADC080转9换是采用逐次比较的方法完成 A/D转换的，由单一的 +5V供电，片内

10、带有锁存功能的 8路选一的模拟开关，由 A，B，C引脚 的编码来确定所选通道。 0809完成一次转换需要 100us左右，输出具有 TTL三 态锁存缓冲器， 可直接连到 MCS-51的数据总线上， 通过适当的外接电路， 0809 可对0-5V的模拟信号进行转换。ADC0809与单片机的接口电路图 3-4 ADC0809 与单片机的接口电路控制电路的设计控制电路在这里起到非常重要的作用，在水位测量中测量到水罐中水位的高度，当水位高于水位时，电动机停转，水泵停止对水罐供水；当水位低于水位时，电动机起转，水泵开始对水罐供水。其电路图如图 3-5 所示U?391P10P002P11P01383P12P

11、02374P13P0336535P14P046P15P0534733P16P06832P17P0713INT1P20211222INT0P2123P2215T124P231425T0P2426P25P2631EA/VP2728P2719X118X29RXD10RESET11TXD171630RDWRALE/PPSEN29805 1图 3-5 控制电路电路图显示电路设计发现需要 4位的LED足可满足本设计的显示精度要求 ,为了减少所需的 I/O 数量,降低成本 ,采用动态显示控制方式。通过对显示接口电路的综合分析 , 发 现测距仪利用串行输入 BCD码十进制译码驱动显示器件 MC1449来9 完

12、成与单 片机系统的显示接口较为简单可靠。用 MC1449设9 计的 LED显示器动态显示接 口电路如图 3-6 所示。3837363534333221222324252627281011302939P00P10P01P11P02P12P03P13P04P14P05P15P06P16P07P17P20INT1P21INT0P22P23T1P24T0P25P26EA/VPP27X1X2RXDRESETTXDALE/PRDPSENWRU?11312151431191817160.015CAPVSSVSSU?dVddcebfagDAT AbOSCCLKENBVssMC14499k 3+5VDS?aDP

13、Y2 b a34cdf g6fee d7gLEDgnDPY 7-SEGR?478DS?DS?DS?aaabbb4567567567efffLEDgnLEDgngggDPY 7-SEGDPY 7-SEGeeeeDPYcdf gQ?NPNQ? NPNDPYcdf gQ? NPNDPYLEDgncdf g bDPY 7-SEGQ?NPNVSS2 3 4 5图3-6 MC14499设计的 LED显示器动态显示接口电路用MCS - 51系列单片机作为控制核心的水位测量计 , 其数据输出既可以通 过单片机的通用 I/O 口输出,也可以通过单片机的串口用串行方式输出。这里 假设使用的单片机是 8051 ,单

14、片机的P1口为数据输出口 , 显示器采用共阴极 8 段LED, 显示位数为 4位,由于一片MC14499 可以驱动4 个LED 显示器,因此该 显示接口只需用一片 MC1449和9 单片机连接。图是该动态显示接口的原理图。 用来向MC14499发 送数据,用来向MC1449发9 送时钟脉冲 ,用于控制单片机输 出数据向MC1449串9 行输入（当 = 0 时,允许MC1449输9 入数据） 。反相器74LS06 作为显示器的位驱动 , 8 个47的电阻是 LED 的限流电阻 , 3 个的电阻是上 拉电阻,使单片机8031输出电平与MC1449输9 入电平相兼容。由于 MC14499具 有输入自

15、动锁存功能 , 而串行输入一帧数据又需要一定的时间 ,所以LED显示的数据不会出现闪烁现象。软件系统的设计软件主要由主程序、 定时中断程序、 外中断程序组成。 其中主程序完成 参数的初始化 ,中断的管理 ,结果的显示等工作。主程序流程图如下：程序 运行开要初始化各种参数，可以默认液位设定值等，之后如果要进入液位 设定的话就按 SET按键进入液位设定模式，然后进行比较，看当前的液位 有没有超过默认的极限值，如果超过了极限值，通过按键UP或 DOW进N 行液位调节，直至液位到达正常范围；没有超过极限值就正常显示。在实际设计中 , 取 L 为 100cm，对水位进行实测，当无液时的频率 f0 =,

16、100cm高液位时 fh =,频率最大时小于单片机的最高频率测量范围 , 频率最小时 也不至于降低测频精度。经过测试，实际高度与测试结果如表1。表 1 液位实际高度与测试结果比较 （ 测试水温 20）际 0 1 5 10 15 20 25 30 35 42 45值测量0值实际 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100测值由上表中可知 , 测量结果是一条波动曲线 , 在 0cm、20cm处误差较小，为 两线的交点，低误差为负，高端误差为正， 90cm 以后误差逐渐减小，预计在 110cm处达到交点。经分段修正后，测量结果如表 2。表2 修正后液位实际高度与测量结果比较

17、（测试水温 20）实际 0 1 5 10 15 20 25 30 35 45 45值测量 0 1值实 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100值测量值由表 2 可知，经过修正后，误差小于，分辨率为。抽样检测不同水温的 不同高度，误差都在以内，符合设计要求。液位高度与电压变化曲线：第 4 章 元器件清单元器件筒式液位传感参数个数器1电解电容160nF1电解电容174nF1NE55323电阻500K1电阻3K1电阻1电阻1K250电阻01电阻478电阻374LS02274LS041数码管4ADC0809174LS3731NPN4PNP1MC14499174LS741二极管

18、1电解电容1MCS-51系列的 80511第 5 章 小结一个多星期的课程设计就在忙碌中匆匆度过，对于这次的测控电路课程 设计，总的来说基本完成了课设的任务要求，从这次的课程设计当中也学会 了许多的东西，在平时当中我们设计的的程序比较简单，趋于理论化，而这 次的课程设计题目趋于生活的实际，做起来有较大的兴趣。由于平时在实验 室做实验时，有较多的外接硬件供使用，程序就相对简单一些，而这次的课 程设计没有外加的硬件设施，全由汇编语言控制执行，开始时觉得无从下手， 经过多方面的搜索资料，慢慢有了头绪，并且发现要用到的知识并非所想象 中的那么难以理解，经过一番自学，逐一的弄明白，使自己对这次设计有了

19、很大的帮助。通过将要实现的任务分成多块，然后分而治之，最终将各分功 能进行合并，最终获得成功，完成之时，相当有成就感。在我们平时的学习期间，我们所学的知识都是书本上的一些不大灵活的 东西, 而且学习期间的这种考核是单科进行，主要是考查我们对本门学科所学 知识的记忆程度和理解程度。但我认为这种实践性课程设计则不同，它不是 单一地对我们进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查我们运用所学知 识对某一问题进行探讨和研究的能力。整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切 实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的 专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进

20、一步消化、加深和巩固所 学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次， 在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识， 又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种 自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。在 此我感谢老师对我的帮助和鼓励！总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会！参考文献【1】张国雄 .测控电路（第三版） . 机械工业出版社【2】何道清、张禾 .传感器与传感器技术（第二版） . 科学出版社【3】胡寿松 .自动控制原理（第五版） . 科学出版社【4】阎石 . 数字电子技术基础（第

21、五版） . 北京：高等教育出版社【5】童诗白、华成英编 . 模拟电子技术基础（第四版） . 北京：高等教育出版 社【6】周兴鹏 . 检测系统设计 M . 南京:东南大学出版社 ,1998【7】 鲍芳 ,王春茹 . 新型单片机频率测量系统的研究J .微机与应用,2001【8】 龙北生 ,任庆凯. 电容式智能温度仪的硬件设计 J . 长春工程学院 学报,2001 ,2 （1）【 9】孙汉旭，胡旭辉 . 超声波波位检测装置的研究 . 电子产品开发与创新， 2004，17（2）【10】黄长艺，卢文祥，熊诗波 .机械工程测量与试验技术 . 机械工业出版社，2004，【11】2：79-822002，6阮亚

22、婕 . 智能电容式液位计系统设计 .仪表技术，附录：系统总图附录二：程序清单MC144999显示程序MC14499XS:MOV,#0；将使能端清零，使能端低电平有效MOV,#1；将时钟信号置 1MOV30H,#8；将 8 位依次送入 MC14499驱动芯片MOVA,30HAA:ANLA,#01H；使第一位数码管显示MOV ,AMOV 30H,A RR ADJNZ 20H,AAMOV ,#1MOV ,#0ACALL DELAY1MOV,#0；将使能端清零，使能端低电平有效MOV,#1；将时钟信号置 1MOV30H,#8；将 8 位依次送入 MC14499驱动芯片MOVA,30HBB:ANLA,#

23、01H；使第二位数码管显示MOV,AMOV30H,ARR ADJNZ 20H,BBMOV,#1MOV,#0ACALL DELAY1MOV,#0；将使能端清零，使能端低电平有效MOV,#1；将时钟信号置 1MOV30H,#8；将 8 位依次送入 MC14499驱动芯片MOVA,30HCC:ANLA,#01H；使第三位数码管显示MOV ,AMOV 30H,A RR ADJNZ 20H,CCMOV ,#1MOV ,#0ACALL DELAY1MOV,#0；将使能端清零，使能端低电平有效MOV,#1；将时钟信号置 1MOV30H,#8；将 8 位依次送入 MC14499驱动芯片MOVA,30HDD:ANLA,#01H；使第四位数码管显示MOV,AMOV30H,ARRADJNZ20H,DDMOV,#1MOV,#0ACALL DELAY1RET 初始化程序 晶振： 12MHZWATEREQU32H；