电容式液位传感器设计

1、河南城建学院安全检测与监控课程设计班 级 0232131学号023213128姓名 李保林专业安全工程课程名称安全检测与监控指导教师 祁林 王曦市政与环境工程学院2014年12月26日第一部分：方案论证1.1.1设计原理 1.第二部分：单元电路设计2.2.1 传感器设计 2.2.1.1 传感器原理2.2.1.2 传感器的组成 2.2.1.3 测量原理3.2.2 将电容转化成电信号部分 4.2.3 电信号放大电路设计 4.2.4 a/d转换器设计 5.2.5 控制电路的设计7.2.6 显示电路设计8.2.7 软件系统的设计.10第三部分：元器件清单.14i第一部分：方案论证1.1设计原理本设计采

2、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adc0809转换成数字量，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 mc14499单片机连接 以驱动数码管。12系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位第i页传感器：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

3、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。第二部分：单元电路设计2.1 传感器设计2.1.1 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

4、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。2.1.2 传感器的组成图2-1-2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图2-1-2传感器原理图2.1.3 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：=2工用上° _ u1r

5、l/ r0)(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 :fl - h)亡、=+ln(rl/ ro) inf 1/ ro)一囱.f e - & j目= +inrm/rojin 1/衣。,(2)式中，£为容器内气体的等效介电常数，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ac可由式(1)和式(2)得ct>(3)由式可知，参数e 0，&, r1 , r0都是定

6、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度h成线 性关系。由此，只要测出电容值便能计算出水位。2.2 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c x和固定的标准 电容c。以及运算放大器 a组成，如图2-2所示。图2-2运算放大器测量电路原理图2.3 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

7、进行放大，如图 2-3所示，采用最基本的比例运 算反放大电路.图2-3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=r1/r2,后边的是一个反相器，把第一个运 放得到的电压反相成正的，其中 r3=r5=1k,r6=r3/r5。2.4 a/d转换器设计本设计采用a/d转换器adc0809adc080晁cmos片型逐次逼近式a/d转换器，由于输出级有8 位三态输出锁存器，因而0809的数据输出端可以直接与单片机的数据 总线连接。adc080的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1将地址 存入地址锁存器中。此地址经译

8、码选通 8路模拟输入之一到比较器。 start升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动a/d转换，之后eoc 输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eocs为高电 平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中 断申请。当o酶入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输 出到数据总线上.adc080皴换是采用逐次比较的方法完成 a/d转换的，由单一的 +5vft电，片内带有锁存功能的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完成一次车换需要100us左右，输出具 有ttle态锁存缓冲器，可直接连到 mcs-5的数据总线上，通过适当 的

9、外接电路，0809可对0-5v的模拟信号进行转换。adc0809w单片机的接口电路第12页¥ii i*hrit c斯即科两亚葩popvp p p p p p p p:二rsi+imhle4 mumajjch1audb呼£ect阴£?呼5jyf%24 .ii* *31豆un丁12li图2-4 adc080%单片机的接口 电路2.5 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2.5m水位时，电动机停转，水泵停止对水 罐供水；当水位低于2.5m水位时，电动机起转，水泵开始对水罐供水。 其电路图如图2-5所示。u?o

10、r ac图2-5控制电路电路图2.6 显示电路设计发现需要4位的leh可满足本设计白显示精度要求，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bc码一十进制译码驱动显 示器件mc14499完成与单片机系统的显示接口较为简单可靠。用 mc1449设计的leds示器动态显示接口电路如图2-6所示。39383736135343332212223,242526281030-29 gp00p10p01p11p02p12p03p13p04p14p05p15p06p16p07p17p20int1p21int0,p22p23t1,p24t0

11、,p25p26ea/vp,p27x1x2rxdreset,txdale/p -rd-psenwr-805 1u?i-«.8-13151431191817ofpu?dcbavssdpydatosciv田ic14499+5v1 q x3r?47。x 8vddefclkds?ds?ds?dpyaaabbccddeeffgdpy 7-segdpy 7-segg benbi ndpyledgnf g b哥mng ledgngdpy 7-segdpy 7-seg0.015 capq?npnq?npnq?npnq?npnf g , e ledgnvss234图2-6 mc1449股计的le虚示器动

12、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和单片机连接。图是该动态显示接口的原理图。p1.0用来向mc14499发送数据,p1.1用来向mc1449发送时钟脉冲,p1.2用于控制单片机输出数据向mc1449串行输入（当p1.2 = 0时，允许mc1449输入数据）。反相器74ls06乍为显

13、示器的位驱动，8个47q的电阻是led的限流电阻，3个5.1k q的电阻是上拉电阻，使单片机8031输出电平与mc1449输入 电平相兼容。由于mc14499具有输入自动锁存功能，而串行输入一帧 数据又需要一定的时间，所以leds示的数据不会出现闪烁现象。2.7 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 u

14、p或down进行液位调节，直至液 位到达正常范围；没有超过极限值就正常显示。数据测试与误差修正在实际设计中，取l为100cmi对水位进行实测，当无液时的频 率f0=279.0khz, 100cm高液位时储=3.312khz,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。第ii页表1液位实际高度与测试结果比较（测试水温20c）实际 0151015202530354245值测量 00.63.2 6.5 10.7 15.6 21.9 27.5 33.5 41.9 46.1值实际 5055606570 7580859095100值测10

15、1. 104.量 52.7 59.0 65.8 73.3 78.3 83.8 88.9 94.0 98.137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（测试水温20c）实际0151015202530354545值测015.210.414.8 19.5 24.730.135.0 39.644.6m值实际 50556065707580859095100值测量 50.1 54.8 59.8 64.5 70.3 7

16、5.4 80.4 85.2 89.3 95.0 99.8值由表2可知，经过修正后，误差小于 0.5cm,分辨率为0.1cm。抽样检测不同水温的不同高度，误差都在1.0cm以内，符合设计要求。液位高度与电压变化曲线:第19页第三部分：元器件清单元器件参数个数筒式液位传感器1电解电容160nf1电解电容174nf1ne55323电阻500k1电阻3k1电阻5.5k1电阻1k250电阻01电阻478电阻5.1k374ls02274ls041数码管4adc0809174ls3731npn4pnp1mc14499174ls741二极管1电解电容 0.015uf1mcs-51 系列的 80511附录一：系

17、统总图1mud0三上二1-一no ，jjjjldlj no /ujujlec附录二：程序清单mc144999tot显 示 程 序mc14499xs:movp2.4,#0;将使能端清零，使能端低电平有效movp2.3,#1;将时钟信号置1mov30h,#8;将8位依次送入mc14499!区动芯片mova,30haa:anl a,#01h;使第一位数码管显示mov p22amov 30h,arr adjnz 20h,aamov p2.4,#1mov p2.3,#0mov p2.4,#0mov p2.3,#1mov 30h,#8mov a,30hbb:anl a,#01hacall delay1;将

18、使能端清零，使能端低电平有效;将时钟信号置1;将8位依次送入mc14499!区动芯片;使第二位数码管显示mov p22amov 30h,arr adjnz 20h,bbmov p2.4,#1mov p2.3,#0acall delay1mov p2.4,#0mov p2.3,#1mov 30h,#8mov a,30hcc:anl a,#01hmov p2.2,amov 30h,arr adjnz 20h,ccmov p2.4,#1mov p2.3,#0acall delay1mov p2.4,#0;将使能端清零，使能端低电平有效;将时钟信号置1;将8位依次送入mc1449ss区动芯片;使第三位

19、数码管显示;将使能端清零，使能端低电平有效;将时钟信号置1mov p2.3,#1将8位依次送入mc1449ss区动芯片第24页mov a,30hdd:;使第四位数码管显示anl a,#01hmov p22amov 30h,arr adjnz 20h,ddmov p2.4,#1mov p2.3,#0acall delay1ret初 始 化 程 序晶振：12mhz*water equ 32h;设定的水位值nub_valequ 34h;力口 1、减1的暂存值water_1equ 36h;采集至u的水位值water_num equ 30horg0000hljmp startorg 0030hstart:mov sp,#60hmov ie,#00hmov tcon,#00hmov tmod,#10hsetb p2.1mov r0,#20hmov r1,