高精度液位测量系统

1、 编号 08032130328 潍坊学院毕毕 业业 设设 计计 技技 术术 报报 告告 课题名称： 高精度数字液位测量系统设计研究 学生姓名: 郝云飞 学 号: 08032130328 专 业: 08 级自动化 班 级: 五班指导教师: 姜述凤 2012 年 5 月 潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）1中文摘要中文摘要 液位测量广泛应用于各种场所，如:敞口池子、水渠、水井、化学品罐、储罐，被测介质有清水、污水、泥浆、酸碱液、化学试剂、润滑油、重油、石油等。液位测量方法有很多种。我们根据使用的场合不同，需要采用不同的测量方法。液位测量系统的硬件设计。主要包括电源、信号的接口

2、和预处理电路，单片机系统、按键和数码显示电路等。根据系统需要，结合硬件设计了部分软件，实现了系统的测量功能。 实验结果表明，该测量系统技术上是可行的，它是将传统的传感方式与先进的电子技术相结合，具有简单实用，适用范围广等特点，同时能够实现大量程、高精度、分辨率测量。关键字关键字：液位测量；传感器；单片机 潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）2ABSTRACTThe liquid level meaure widely applies to each kind of place,for example:the opening pool,the canal,the water

3、well,the chemical pot,the storage tank.The medium measured may be the clear water,the sewage,the mud,the acid and alkali loquid,the chemical ragfent,the lnbricating oil,the heavy ole,the petroleum and so on.There are many different methods in liquid lever measure system.We need to use the different

4、measuring technique according to the different situation. Design the hardware of the liquid level measurement system.It mainly designs the power source, the electric circuit of signal connection and pretreatment, the monolithic integrated circuit system, the electric circuit of pressed key and the n

5、umerical codes howing,and so on.According to the systematic need,designs partial software which unified the hardware,realized the system survey function.The experimental result indicates the measure technology is feasible in this measurement system. This system unifies the traditional biography feel

6、ing way and the advanced electronic technology.Its characteristic is simple,practical,and is broad in the applicable scope, and so on. Simultaneously can realize the great measuring range,the high accuracy and the high resolution survey.Keywords liquid level measure;sensor;Monolithic integrated circ

7、uit潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）3目录目录第一章 绪论.51.1 模拟传感器与智能数字传感器 .51.2 液位传感器发展状况 .71.3 研究意义及主要研究内容 .7第二章 液位测量系统的设计方案.82.1 设计方案的选定 .82.2 扩散硅压阻式压力传感器简介 .92.2.1 扩散硅压力传感器工作原理.92.2.2 扩散硅压力传感器技术特点.112.3 数字式液位测量仪的总体结构设计 .11第三章 扩散硅压阻式压力传感器的非线性补偿技术.133.1 压力传感器的温度补偿方法概述 .133.2 扩散硅压力传感器温度补偿算法 .143.2.1 插值法.143.2.2

8、 曲面拟合法.153.3 多项式曲线拟合法 .153.3.1 补偿原理.153.3.2 补偿步骤.153.3.3 实现方法.17第四章 数字式液位测量仪的硬件设计.184.1 数字式液位测量仪的硬件框图 .184.2 MCS-51 系列的 8051 单片机.184.2.1 MCS-51 系列的 8051 单片机的选用.184.2.2 MCS-51 系列的 8051 的特性.214.2.3 A/D 转换.224.3 七段显示译码器 .25潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）44.4 压力传感器与恒流源的选取 .254.4.1 压力传感器的选用.254.4.2 恒流源电路设计

9、.264.5 温度信号的提取 .274.6 放大偏移电路的功能 .284.7 除法电路 .294.8 电源电路的设计 .29第五章 数字式液位测量仪的软件设计.305.1 数据采集程序 .305.1.1 压力信号的获取.305.1.2 温度信号的获取.305.2 数据处理程序 .31第六章 总结.33参考文献.34附 录.35致 谢.36潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）5第一章第一章 绪论绪论1.11.1 模拟传感器与智能数字传感器模拟传感器与智能数字传感器新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，信息社会的表征是社会活动和生产活动的信息化，其基本活动形式是信息的获取，传

10、递，处理和控制。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然科学领域中信息的主要途径和手段。传感器技术是信息社会的关键技术，传感器技术的水平在一定程度上标志着一个国家的科学技术水平。传感器的研究始于二十世纪三十年代，它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。早期设计的传感器是模拟式传感器，现在通常称为传统传感器。这种传感器采用模拟电子电路组成，只能进行信号调理。这就决定了传感器存在着输入输出特性具有一定的非线性、复合灵敏度难以克服而使分辨率不高等问题，导致传感器性能不稳定、可靠性差、精度低。为改善传感器的传输性能，人们应用频率调制技术研制了频率式

11、传感器，如感应同步器等。这种传感器的输出不再是模拟量，而是频率量，它的信号调理与转换电路把由传感元件获得的电参量转换为某种周期信号即频率量输出。频率量传输具有较强的抗干扰性，提高了信噪比，用于计算机测控系统中时可以取消模数转换，通过测频率、测周期方法转换为数字量，容易由计算机实现。但频率量转换为数字量需要较长的时间，频率量的传输同样要求单独的信号线，系统没有得到简化。自动控制系统应用计算机作为控制核心后，为提高系统的整体性能，人们在发展传感器和数字化信息采集系统方面开展了大量的研究工作，主要体现在以下两方面：一是大力改进传统传感器的性能，采用高精度、高稳定度的元器件以及各种校正电路，使传感器特

12、性得到了一定的改善；二是采用数字化仪表作为传感器与计算机之间的接口，它将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的预处理后再传送给计算机。这样，虽然在一定程度上满足了计算机测控系统对信息采集系统高精度和数字化的要求，但由于未把传感器与数字化仪表作为一个整体设计，致使以下一些问题仍未解决：(1)为提高传感器性能而对元器件的要求提高，电路复杂化，使传感器成本增加，可靠性下降；(2)数字化仪表的采用增加了信息采集系统的体积，并使系统的结构更为复杂；(3)仪表对传感器无法进行管理，难以实现传感器的在线潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）6自动标定、自动校准和在线故障检测等智能化特

13、性。随着高性能计算机测控系统的发展，当系统对传感器提出数字化、智能化要求后，传统传感器已不再与系统相适应。控制系统要求传感器输出数字信号，并具备较强的信息处理和自我管理能力，以实现信息的采集与信息的预处理，减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性，而计算机则着重于信息的高层次加工和处理，便于在现有硬件条件下大幅提高系统的性能，简化系统的结构。智能传感器系统就是为了更好地适应计算机测控系统的发展而提出的一个新的研究方向。在结构上，智能传感器系统将传感器、信号调理电路、微控制器及数字信号接口组合为一整体，其框图如图1.1所示。图中的传感元件将被测非电量转换为电信号，信号调理电路对传感

14、器输出的电信号进行调理并转换为数字信号后送入微控制器，由微控制器处理后的测量结果经数字信号接口输出。在智能传感器系统中不仅有硬件作为实现测量的基础，更有强大的软件支持来保证测量结果的正确性和高精度，以数字信号形式作为输出易于和计算机测控系统接口，并具有很好的传输特性和很强的抗干扰能力。传感器信号调理电路微控制器被测量数字信号接口图1.1 智能传感器系统框图智能传感器与传统传感器相比，具有如下特点：（1）精度高智能传感器可以用多个功能来保证它的高精度，如：通过自动校零调整零点；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过对采集数据进行滤波以消除随机误差的影响。（2）高可靠性与高稳定性智能传感器

15、能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移，如：对温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移进行补偿；能自动改换量程；能进行系统的自我检验。（3）高信噪比与高的分辨率智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过数字滤波去除输入数据中的噪声；通过数据融合技术消除多参数状态下复合灵敏度的影响，从而保证对特定参数测量的分辨能力。潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）71.21.2 液位传感器发展状况液位传感器发展状况液位测量是是一门测量气-液、液-液或液-固分界面位置的测量技术。它包括对测量对象(被测介质及其容器、环境条件)、测量方法和测量仪表的研究。对被测介质的研究，

16、主要是要了解它的电导率、密度、介电常数、声速、声阻抗、粘度、逆光性能、表面张力系数、流动情况以及液体表面的一些特性。还要研究被测对象的工况，如压力、温度、湿度及其变化情况、辐照情况、腐蚀情况，液体容器的几何形状和液体的相对位置及变化规律等。液位检测包括液位、液位差、相界面的连续测量、定点信号报警、控制，多点测量以及液位巡回检测等方面的技术。目前使用的液位传感器分为两种：开关式和连续式。开关式传感器主要是用于获得特殊位置的液位值。连续式传感器运用于测量一定范围内的液位值。连续液位测量是对液位连续地进行测量，它广泛地应用于石油、化工、食品加工等诸多领域，具有非常重要的意义。常用的连续式液位传感器有

17、：（1）玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法。这4种方法都是人工测量方法，具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。（2）吹气法、差压法、HTG法；这3种方法都是利用液体的压力差来测量液位的。（3）浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；以上5种方法都是利用浮力原理来工作的。1.31.3 研究意义及主要研究内容研究意义及主要研究内容计算机测控系统，特别是基于现场总线的多传感器计算机测控系统可极大地提高测控系统的自动化水平和智能水平，降低系统造价，它要求其信息采集装置是数字化、智能化的，具有高性能、低成本和较强的信息处理能力。智能传感器系统就是为了适应这类系统的发展而提出和发展起来的一个

18、新的研究方向。随着测控系统向基于现场总线的多传感器计算机测控系统发展，现有的传统位移传感器已无法满足要求，而集信息采集、信息预处理和数字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能位移传感器系统成为生产实践发展的迫切需求。然而，由于智能传感器系统的研究起步较晚，其理论和实践远未成熟，离实际应用需求差距很大。因此，研究开发高性能的智能液位传感器对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）8第二章第二章 液位测量系统的设计方案液位测量系统的设计方案2.12.1 设计方案的选定设计方案的选定差压法：该方

19、法的工作原理如图2.1所示。1、2-阀门；3-差压变送器。对于开口容器或常压容器,阀门1及气相引压管道可以省掉。压力差与液位的关系为 （2.1gHPPP12）123H气P图2.1差压法原理式（2.1）中：-变送器正、负压室压力差；、-引压管压力；H-液位。P2P1P差压变送器将压力差变换为420 mA的直流信号。如果压力处于测量范围下限时对应的输出信号大于或小于4 mA,则都需要采用调整迁移弹簧等零点迁移技术,使之等于4 mA。双差压法：该方法的工作原理如图2.2所示。其中差压传感器1用于测量未知液位高度产生的差压,即密闭容器底部和液面上方的压力差H （2.2）gHPPP12差压传感器2差压传

20、感器11P1P3P2P液体Hh潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）9图2.2 双差压法测量液位的原理差压传感器2用于测量已知液位高度产生的差压,即容器底部和液面下方取压h点的压力差 ghPPPk31（2.3） 由上两式可得 （2.4hPPHkH.）（-容器内被测液面高度； -液面下方两固定取压点间的垂直距离） 。Hh由上式可见,双差压法可消除液位密度变化对液位测量的影响。但是双差压法需要实现两个差压的除法运算。方案的比较与选定：普通差压法测量液位的原理：只有在液体密度恒定不变的条件下,差压才与液位高度呈线性正比关系,才可通过测量差压间接地获PHP取液位值。但液体密度是液体组

21、份和温度的多元函数。当液体组份和温度变化H导致密度改变时,即使液位高度没有变化,也将使差压信号改变,此时若还按HP原先的液体密度从差压信号计算出液位,显然将导致测量误差,严重时会造PH成操作人员的错误判断。为此,本文提出采用两个差压传感器，即采用双差压法。2.22.2 扩散硅压阻式压力传感器简介扩散硅压阻式压力传感器简介从差压法测量原理可以看出，只要能测出压力差，就能计算出液位高度。根据本设计的需要，选用的压力传感器是扩散硅压力传感器，它属于压阻式压力传感器。这种压力传感器精度高，工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。2.2.12.2.1 扩散硅压力传感器工作原理扩散

22、硅压力传感器工作原理压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的器件。硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时，其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化（G因子突变） 。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯登电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一块硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）10转换检测于一体的扩散硅传感器。有压力作用时，膜片产生相应的弹性形变，应变电阻由于单晶硅压阻

23、效应使其阻值发生相应的改变，电桥失去平衡，输出电压与膜片上感受的压力成比例，从而实现了对压力的测量。电桥一般采用恒压源或恒流源方式供电。压力传感器等效电路如图2.3所示，电阻、为电桥的四个桥臂1R2R3R4R电阻。iU1R3R2R3RoutU图2.3 扩散硅压力传感器等效电路桥电桥输出电压为 （2.5)(.43214231RRRRRRRRUUinout）半导体压敏电阻具有各向异性的特性，设计使电桥电阻、具有正增量，电1R3R阻、具有负增量，再设计成各个桥臂电阻相等，并且变化量也相等，则对上2R4R式微分并求增量，整理后得出 （2.6inoutURRU4）其中，。)(414321RRRRR432

24、1RRRRR从式(2.5)得知电桥输出电压与输入电压成正比关系，是恒定电压。outUinUinU扩散硅压力传感器是利用半导体平面工艺在硅杯对应的表面上做成阻值相等的四个P型电阻并联接成惠斯登电桥，利用硅材料的压阻效应，通过惠斯登电桥进行压电转换及测量。电桥平衡条件是相对桥臂电阻之积相等，即，此时电4231RRRR桥输出。而实际上四个扩散应变电阻很难做到，这样必然存在0outU4231RRRR着一个零点误差。另一方面，当温度变化时，由式（2.6）可以看出，由于R不等于零，所以也不为零。outU硅压力传感器满量程输出G与压力为满量程时应变电阻的最大变化量成正maxR潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊

25、学院本科毕业设计（论文）11比，即与扩散硅P型电阻的压阻系数成正比，而压阻系数随温度的上升而减小，则灵敏度必然随温度的上升而下降，引起灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数用下式表示 （2.7） )(12121TTGGGrrr式（2.7）中为温度下满量程输出，为温度下满量程输出，表示1TG1T2TG2T温度变化1时满量程输出的相对变化量。灵敏度温度系数主要是由压阻系数随温度变化而决定的。2.2.22.2.2 扩散硅压力传感器技术特点扩散硅压力传感器技术特点扩散硅压力传感器技术特点 ：（1）灵敏度高扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高5080倍，它的满量程信号输出在80100mV左右。对接口电路适配性

26、好，应用成本相应较低。由于它输入激励电压低，输出信号大，且无机械运动件损耗，因而分辨率极高。（2）精度高扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，无机械运动件连接转换环节，所以不重复性和迟滞误差很小。由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好。因此综合精度很高。（3）可靠性高扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级，膜片最大位移量在微米数量级，且无机械磨损，无疲劳，无老化。平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高。（4）频响高由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高，一般在50kHz。制造过程采用了集成工艺，膜片的有效面积可以很小，配以刚性结构前置安装特殊设计，使传感器频率响应很高，使用

27、带宽可达零频至100 kHz。2.32.3 数字式液位测量仪的总体结构设计数字式液位测量仪的总体结构设计在第一章中讨论了智能型传感器的一般原理及其特点和功能，也简述了它相对于传统型传感器的优点。 。但是，尽管知道智能型液位传感器是在传统型液位传感器潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）12加上微处理器基础产生的，但仍然要剖析其内部总体设计指导思想以有利于进行各个组成部分的设计和制造及其接口电路设计。这一节主要阐述一下智能型数字液位传感器的总体设计思想。数字式液位测量仪的系统框图如图2.4所示恒流源压力传感器压力传感器温度传感器DC/DC 变换电源输入放大电路放大电路除去电路A

28、/D单片机74LS245显示器电阻器电阻器图2.4 数字式液位测量仪的系统框图根据设计要求，数字式液位测量仪采用低价格、小体积、具有高性能价格比的8位单片微控制器（单片机）控制，用以实现传感信息的预处理、数字通讯和智能化管理；采用进口扩散硅压力传感元件进行压力检测，模数转换采用16位以上精度的A/D转换器以保证数字液位变送器具有较高的精度；电路板设计尺寸很小使之能与传感元件组成一体化结构，从而使整个数字式液位测量仪的结构小巧。数字式液位测量仪特点：（1）压力传感元件与控制运算电路采用一体化设计，模拟信号走线很短并由其本身的金属外壳屏蔽，提高了抗干扰能力。而一体化设计方案又使体积缩小。（2）采用

29、不锈钢隔离膜片的传感元件，将传感元件与被测介质隔离开来，可测量腐蚀性介质，可靠性高，使用寿命长。（3）采用软件实现温度补偿，克服了温度变化对测量的影响，从而保证了变送器测量精度。（4）系统、全面的抗干扰和系统自诊断设计，保证了系统的稳定性和可靠性。（5）优良的上位机管理功能使它具备了灵活的适应能力，扩大适用范围，方便使用和维护。潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）13第三章第三章 扩散硅压阻式压力传感器的非线性补偿技术扩散硅压阻式压力传感器的非线性补偿技术扩散硅压力传感器具有滞后和蠕变小、灵敏度高、量程适应性广、性能稳定的优点，应用潜力很大。但是，作为一种半导体材料，硅的载

30、流子迁移率、电阻率、压阻系数和PN结特性等全部是温度函数，所以从原理上讲，扩散硅压力传感器的技术参数存在温漂是必然的。但从实际应用角度看，又希望传感器输出参数仪与压力有线性关系而与温度无关。所以寻找简单而又有效的温度补偿办法是改善扩散硅压力传感器性能的关键之一。3.13.1 压力传感器的温度补偿方法概述压力传感器的温度补偿方法概述扩散硅压力传感器的温度补偿一般分内补偿和外补偿。内补偿通过传感器的设计、制造工艺，封装材料、形式来减小零点和满量程的温度系数，特别是通过控制扩散阻条的掺杂浓度，使传感器的满量程温度系数控制在0.75%FS/全温区，在一般应用中做到满量程免补偿。由于内补偿有局限性，所以

31、必须进行外补偿。外补偿的形式多样，归纳一下大致有三种方法：（1）通过在测量桥路上串连或并联固定(热敏)电阻或其它电路网络的方法进行补偿，数字液位变送器采用的扩散硅压力传感器就采用了这类外补偿方法，其补偿后零点和满量程的温度系数最大为0.75%FS/70（070） 。这种方法简单易行，但很明显，其补偿效果不能达到较高的要求，并且有一定的温度范围。（2）采用压阻式传感器专用信号调理芯片（SSC） 。压阻式传感器专用信号调理芯片（SSC）的温度补偿方法与单片机的智能多点补偿类似，通过温度传感器检测环境温度，温度值经AD转换作为地址指针，储存在存贮器中此地址的零点和满量程的温度修正系数经DA转换成模拟

32、量，修正传感器输出信号中零点和满量程的温度漂移。这类芯片的存贮器的类型有ROM、EPROM（SCA2095）、EEPROM（MAX1457）型；有片外，也有集成在片内（SCA2095）的。温度传感器有的集成在片内，有的外接，还有的利用扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温度。这种方法在模拟域对传感器补偿，克服了通过单片机智能补偿带来的量化声和低频响，响应时间可达1ms。（3）通过单片机的智能多点补偿。随着计算机技术的发展，变送器内置微处理器技术变得越来越成熟，使对扩散硅压力传感器的离散性和非线性及温度特性进行潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）14专门的补偿成为可能。

33、这种新的补偿技术可以减小误差，每个压力芯片在它的整个压力范围和温度范围内。这种扩散硅压力传感器在整个压力和温度范围内，精度可达（0.05%0.1%）FS。本设计采用的Nova Sensor公司的NPI系列的扩散硅压力传感器，应用了Senstable温度补偿工艺技术，将温度补偿的电阻环路制作在混合陶瓷基片上，在070的温度补偿范围内，可以提供的温度误差最大为0.75%。从这个指标看，这不能满足要求，因此还要采取其它的补偿措施。综合各种方法，研制的数字液位变送器采用了智能多点补偿法进行温度补偿。3.23.2 扩散硅压力传感器温度补偿算法扩散硅压力传感器温度补偿算法压力传感器的温度补偿的实现是在数字

34、式液位测量仪中，晶振的频率较低，因此希望补偿算法计算比较简单，能尽快算完；另外，参数要少，便于标定时修改。在对传感器数据进行分析和处理时，面临的问题是在对传感器进行标定和测试时得到的数据是一系列离散的测量值，如何寻找一个解析函数来描述这一系列测量值是十分关键的。对于这个问题常用的有插值法、曲线拟合法、曲面拟合法和神经网络等几种方法。3.2.13.2.1 插值法插值法插值法是预先将一系列的实验数据装入一个参数表内，获得测量数据后，根据数据与参数的对比进行处理。按插值的方法可以分为线性插值、最近插值、最佳均方逼近插值等，在单片机中，一般采用线性插值法。线性插值就是将测量数据按量程分为若千段，然后把

35、相邻两分段点用直线连起来，用直线来描述数据曲线。用计算机实现线性插值的基本步骤为：（1）测出传感器变化曲线，必要时可多次测量；)(xfy （2）对曲线进行分段，选取多个插值基点；)(xfy （3）确定各插值点，值，并存放在存储器中；ixiy（4）计算；ixx （5）找出 x 所在的区间（，）并计算出该段的斜率；ix1ixik（6）计算结果。)(iiixxkyy插值法优点处理速度快，算法简单；缺点是如果选择的插值基点多则需要占用较大的存储空间，如果插值基点少则精度可能不够。对于数字式液位变送器来说，可以提供较大的存储空间，但如果想重新标定变送器，则修改起来比较复杂。潍坊学院本科毕业设计（论文）潍

36、坊学院本科毕业设计（论文）153.2.23.2.2 曲面拟合法曲面拟合法两个信息的融合算法可以有多种，曲面拟合算法是其中之一，也就是二维回归分析法。扩散硅压力传感器的输出电压是压力和温度的二元函数，也可以说，压力（p）是压力传感器的输出电压（u）和温度（t）的二元函数),(tufp 可以用二维回归方程来拟合这个函数关系piqjjiijTUaTUP1111),(即：.21322231122111TaUTaUaTaUaaP曲面拟合在阶数(p，q)较低的时候，参数较少，但拟合的精度较差，不能满足要求；在阶数较高的时候，拟合的精度有所提高，但仍有部分不能满足对误差的要求，参数的个数也增加较多，计算复杂

37、度增加。3.33.3 多项式曲线拟合法多项式曲线拟合法3.3.13.3.1 补偿原理补偿原理对应不同的工作温度，传感器有不同的输入（P）-输出（U）特性。如果能够确定工作温度为T时相应的P-U特性，并按其反非线性读取被测量P，从原理上不存在温度引入的误差。问题的困难在于通过标定实验只能在有限数量的几个温度值条件下标定输入-输出特性。通过曲线拟合法，可以找出在工作温度范围内非标定条件下的任一温度T状态的输入（U）-输出（P）特性。3.3.23.3.2 补偿步骤补偿步骤（1）利用标定实验数据将不同工作温度条件下获得的输入（U）-输出（P）特性用一维多项式方程iT表示为：温度：1T.51541431

38、32121110UkUkUkUkUkkP温度： 2T.5254243232222120UkUkUkUkUkkP潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）16温度： （3.l）iT.5544332210UkUkUkUkUkkPiiiiii利用标定数据求解各种温度条件下多项式方程的系数，采用多项式曲线拟合可以得到各阶系数，则式（3.l）各方程就可确定。（2）建立系数k的曲线拟合方程式（3.l）中各个系数k随温度而变化的规律通常不是线性的，故也可用一维多项式方程表示为常数项系数： 40302000TETDTCTBAkO一次项系数：413121111TETDTCTBAk平方项系数： 42

39、3222222TETDTCTBAk立方项系数：433323333TETDTCTBAk四次方项系数: 443424444TETDTCTBAk五次方项系数： （3.2453525555TETDTCTBAk）利用实验标定数据，可以求解出（3.2）式中各个系数：，；，；，；，；，。从而方程组1A.5A0B.5B0C.5C0D.5D0E.5E（3.2）就被确定。（3）确立工作温度T时的U-P特性的曲线拟合方程得到工作温度T的数值后将该值代入方程（3.2）中可计算出该工作温度状态下的各项系数：，。从而确立了工作温度T时的U-P特0k1k2k3k4k5k性的一维多项式方程式为 （3.3）5544332210

40、)(UkUkUkUkUkkTP根据式（3.3） ，可由读入的传感器的输出值U解得被测量P。这样的设计实现比较容易，优点是参数较少，但在实际应用中，发现步骤（1）中P与U的关系较有规律，拟合曲线的精度较好。但步骤（2）中的系数k的曲线拟合中，有两个问题，一是数据量较少，二是数据的规律性差，这造成拟合精度差，不能满足要求。因此，在本次设计中，采用的是多项式曲线拟合加上线性插值的方法。用多项式曲线拟合出在不同温度时的输入（U）-输出（P）特性曲线，如果iT温度不等于时，利用和时的两条曲线，通过线性插值法获得温度()mnT TTTmTnT潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）17为时

41、的输出压力值。T3.3.33.3.3 实现方法实现方法当通过实验得到各温度下压力P与传感器输出U的数据点后，借助MatLab软件可以很方便的求出各系数。（1）求ijk本次设计用最小二乘法来进行多项式拟合。在MatLab中，用函数polyfit（ ）对一组数据进行定阶数的多项式拟合，其基本用法如下：，用最小二乘法对输入的数据x和y用n阶多项),(nyxpolyfitp 式进行逼近，函数返回多项式的系数，为一个长度为n+1的向量，包含多项式的系数。例如，在温度为时，实验得到传感器输出，。1T,.,21nuuux .,21nhhhy 取5阶就可以获得足够的精度。则通过，就可得到，)5 ,(yxpol

42、yfitp 10k，。11k12k13k14k15k（2）将各温度下的存入数字液位传感器中。ijk（3）当数字液位传感器采集到当前温度和压力传感器输出U后，()mnT TTT利用和时的两条多项式拟合曲线，计算出当压力传感器输出为U时的和，mTnTmPnP则通过线性插值获得压力为：mmnmnmPTTPPTTP)(这样就可以获得温度补偿后的压力值了。潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）18第四章第四章 数字式液位测量仪的硬件设计数字式液位测量仪的硬件设计4.14.1 数字式液位测量仪的硬件框图数字式液位测量仪的硬件框图数字式液位测量仪的硬件设计框图如图4.1所示。LM334NP

43、I-19ANPI-19AMAX5033直流电源LALAMCI4433805174LS245LED 显示器DS18B20电阻器图4.1 数字式液位测量仪的硬件设计框图4.24.2 MCS-51MCS-51 系列的系列的 80518051 单片机单片机4.2.14.2.1 MCS-51MCS-51 系列的系列的 80518051 单片机的选用单片机的选用 数字式液位传感器的体积要求比较严格，因此要求电路简单，元器件要少，所以选用MCS-51系列的8051单片机是理所当然的。 8051单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单

44、元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，图4.2就是8051的内部结构，现在我们分别加以说明：程序存储器中断系统8051串行通信口时钟并行I/O口定时计数器数据存储器数据总线地址总线控制总线图4.2 8051的内部结构（1）中央处理器潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）19中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器（RAM）8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器

45、只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。（3）程序存储器（ROM） 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。（4）定时/计数器（ROM）8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。（5）并行输入输出（I/O）口8051共有4组8位I/O口（P0、 P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可

46、以当同步移位器使用。（7）中断系统 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（8）时钟电路8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图4.3是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：（1）Pin20：接地脚。潍坊学院本科毕业设计

47、（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）20（2）Pin40：正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。（3）Pin19：时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。（4）Pin18：时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(212MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。（5）输入输出（I/O）引脚：Pin39Pin32为P0.0P0.7输入输出脚，Pin1Pin8为P1.0P1.7输入输出脚，Pin21Pin28为

48、P2.0P2.7输入输出脚，Pin10Pin17为P3.0P3.7输入输出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。8051的初始态如表4.1所示。 1P1.01098765432403938373635343332313029282726252423222120191817151614131211RXD/P3.0RSTP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P0.0/AD0VCCGNDXTAL1XTAL2T1/P3.5T0/P3.4TXD/P3.1P0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P2.0/A8

49、P2.7/A15P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.6/A142.3/0PINT3.3/1 PINTPESNVPPEA /PROGALE/7.3/ PRD6.3/ PWR图4.3 MSC-51系列单片机的引脚图表4.1 8051的初始态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTL000HIPxxx00000BXH100HIE0 xx00000BTL100H潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）21TMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBS

50、BUF00HP0-P31111111BPCON0 xxxxxxxB8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，如图4.4所示。此外，还是一复用脚，掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内/pdRESET VCCV部 RAM 的数据不丢失。RESET8051CCV1K9上电自动复位8051RESETCCV22F91K手动复位电路22F图4.4 8051的复位方式（6）Pin29： 当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PCPESN的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。4.2.24.2.2 MCS-51MCS-51

51、 系列的系列的 80518051 的特性的特性MCS-51系列单片机8051其主要功能如下：（1）8位CPU（2）4kbytes 程序（ROM）（3）128bytes的数据存储器（RAM）（4）32条I/O口线（5）111条指令，大部分为单字节指令（6）21个专用寄存器（7）2个可编程定时/计数器（8）5个中断源，2个优先级（9）一个全双工串行通信口潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）22（10）外部数据存储器寻址空间为64kB（11）外部程序存储器寻址空间为64kB（12）逻辑操作位寻址功能（13）双列直插40PinDIP封装（14）单一+5V供电4.2.34.2.3 A

52、/DA/D 转换转换MC14433是采用CMOS工艺制作的位双积分型A/D转换器，由于它外132围元件少，功能较齐全，价格低廉。且位读数精度已足够在单片微机系统、智132能电子仪器仪表及工业生产自动控制装置中使用，因此被广泛应用于各种低速A/D转换中。通常A/D转换需经过采样、保持、量化和编码4个步骤完成。MC14433则是将采样和保持合为一步,量化和编码合为一步来完成的。（1）采样和保持为了使采样输出信号能不失真地代表输入模拟信号,对于一个频率有限的模拟信号,可以由采样定理确定采样频率： （为采样频率, 为输入模拟信max2iiff sfmaxif号所包含的最高频率分量） 。由于采样时间极短

53、,采样输出为一串断续的窄脉冲,而要把一个采样信号数字化需要一定的时间,因此在前后两次采样之间,应将采样的模拟信号暂时存储起来,以便将它们数字化。把每次的采样值存储到下一个脉冲到来之前称为保持。（2）量化和编码采样-保持电路的输出信号虽然已经不是一个平滑、连续变化的电压,但仍是一个模拟量,即它可能是某一区间内的任意一个实数。另一方面,数字量仅能取某一区间的某些特定值,如果该数字量是三位的二进制数,则仅可取000111内的8种可能的值。在A/D转换器中就有一个把采样-保持电路的输出样值电平归化到与之相近的离散电平上去的过程,这就叫量化。量化后的信号,虽然是一个离散量,但为了进行传输和处理还必须用一

54、个二进制代码或其他代码来表示,这就是编码。MC14433属于逐次比较型A/D转换器,它是按串行方式工作的,即转换器输出的各位数码是逐位形成的。它由下列几部分组成的：四位DAC：它的作用是产生一组与输入数码对应的参考电压,送到比较器与FV输入信号进行比较,输入数码为。iVABCQ Q Q潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）23电压比较器:它是将输入信号与3位DAC输出的参考电压进行比较,若,则iFVV比较器输出为0；当时,为1。iFVV模5环形计数器：它的作用是在时钟脉冲CP作用下产生周期性命令信号。J-K触发器：在命令信号作用下,存储每次比较的结果,并向DAC提供数码。逐次

55、比较型ADC,由于转换速度快,分辨率较高,误差较低,因此在这个设计中利用MC14433。A/D转换器选用MC14433,图4.5,它利用动态扫描技术,具有BCD码输出,它是一种并行A/D转换器,其输出的各位数码是一次形成的,所以是转换速度最快的一种A/D转换器。 1AGND10987654322423222120191817161514131211DUCo1Co2C1R1/C1R1REFVXV1CLK0CLKCCVCCVDGNDEDCDRDS4DS3DS2DS1Q0(LSB)Q1Q2Q3(MSB)图4.5 位A/D转换器132在MC14433的基准电压端加了一个调满度电路,它由固定正电压稳压器

56、RV78L02组成。 主要技术性能：MC14433采用24脚双列直插式DIP封装，工作电压范围为：双电源4.58V，或单电源916V。工作温度为-40+85，在电源电压为5V时，典型功耗为8mW。片内具有时钟电路，只要在10、11脚间接一只电阻，就能产生时钟信号。也可以使用外部50200kHz时钟源，这时时钟信号由11脚输入，并将10脚悬空。由于MC14433为CMOS器件，所以输入阻抗甚高，大于100M。片内还有自动极性转换及自动-调零电路，自动调零电容接在7、8脚间.4、5、6脚外接积分电阻和积分电容。3脚输入被测模拟电压信号，输人电压量程为1.999V和199.9mV两档，2脚输入的基准

57、比较电压分别对应为2.000V和200.0mV。基准电压由2.5V精密基准电源MC1403输出，经电位器调整分压后潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）24提供。A/D转换精度为0.05%(11 位二进制数)，对应于50150kHz对钟频率，转换速率为410T/s。转换结果为多路调制的BCD码，由2023脚输出，并由1619脚输出分时选通信号。14脚为转换结束标志输出端，每次转换结束时14脚便输出一个正脉冲。15脚为超量程输出端，当输人的模拟信号电压在量程范围(1.999V或 199.9mV)时，15脚输出高电平。当超出量程范围时，15脚输出跳变为低电平。在单片微机中的应用方

58、法：电子仪器仪表或微型计算机应用于过程控制时，参数往往是一些连续变化的模拟量，因此，必须转换成数字量，才能被计算机读取和处理。图4.6是以MCS-51系列中的8051单片微机为CPU，MC14433为A/D转换器的实际应用电路。前已述及，MC14433的A/D转换结果采用动态扫描输出，一方面由Q4Ql输出4位BCD码，同时由DS4DS1输出4位选通信号。因此，将它们接到8051的Pl口线上，当然.也可以接到8051的其他口线上或扩展的I/O口上。VDD7046C2D3C18051D1MC1403D2MC14433P1.7CPUP1.0CO2CO1VSSVXVAGDRDUVREFEOCSD4SD

59、1CLK1CLK0RC/RQ4_CQ1VSS_ _0INT_VX12+5VR2R1300K470KRP16C3D487654321315914161718192322212010K31013211104521VSSC4+5V-5VF1 . 0F1 . 0F1 . 0F1 . 0图4.6 MC14433与8051的连线图MC14433采用连续转换方式，每次A/D转换结束，14脚便输出一个正脉冲，作为转换结束标志，并经反相器反相后，作为8051外部中断源的中断请求信0INT潍坊学院本科毕业设计（论文）潍坊学院本科毕业设计（论文）25号。由于中断请求是脉冲信号，8051采用跳变触发方式，因此要求输人

60、的负脉冲宽度至少要保持12个时钟周期，即当主频为6MHz时，脉冲宽度应为 2以上，s转换结果才能被CPU正确读取。14脚输出的转换结束脉冲在频率为50kHz时为10，故完全可以满足8051的读取要求。由于MC14433通过DS4DS1选通s输出表示相应的千、百、十、个位的数据已出现在Q4Q1上，所以，在CPU响应中断请求后，可判断送到Pl口上的数据是否有位选通信号，若出现选通信号时，便将Q4Ql输出线上的数据存放在相应的数据区加以保存。4.34.3 七段显示译码器七段显示译码器目前应用的是最常见的显示器件发光二极管LED显示器,它由7个发光二极管(简称LED)构成7个字段,另有一个LED显示小