1、精選優質文檔-傾情為你奉上 目錄引言 1第1章 設計指導思想2 1.1指導思想2第2章 方案論證22.1設計原理22.2系統框圖2第3章 單元電路設計33.1傳感器設計33.2將電容轉化成電信號部分43.3 電信號放大電路設計53.4 A/D轉換器設計53.5 控制軟件系電路的設計73.6 顯示電路設計73.7 軟件系統的設計83.8 誤差分析及結果圖9第4章元器件清單11第5章 小結12參考文獻13附錄一：系統總圖14附錄二：程序清單15 專心-專注-專業摘要 討論電容式傳感器的原理、電容頻率轉換電路、精確測量頻率量的頻率測量法,及利用DS1820 測量溫度和用單片機進行溫度補償的方法。設計

2、并制作了圓柱形電容器，利用555 振蕩電路將容量變化轉換成頻率的變化，并利用單片機進行測頻，通過軟件計算液位高度，減小了電容與頻率轉換的線性誤差，具有溫度軟件補償功能。通過實驗測試，該裝置的測量精度優于1cm。關鍵詞：電容式液位計,頻率轉換,頻率測量 引 言 液位檢測在許多控制領域已較為普遍，各種類型的液位檢測傳感器較多，按原理分有浮子式、壓力式、超聲波式、吹氣式等。各種方式都根據其需要設計完成，其結構、量程和精度適用于各自不同的場合，大多結構較為復雜，制造成本偏高；市面上也有現成的液位計，有投入式、浮球式、彈簧式等，多數成品價格驚人。以上液位計多數輸出為模擬量電流或電壓，有些為機械指針讀數，

3、不能用于遠程監視；普遍適用于靜止液面，在波動液面易引起讀數的波動；也有用電容法測液位的系統，此法是一種簡單易行的方案。本文利用圓柱形電容器原理，結合單片機設計出一種智能液位檢測裝置。第1章 指導思想1,1指導思想使用電容式液位傳感器，設計傳感器放大電路，將液位信號轉變為標準電信號，將液位值顯示出來（液位高度2.5米，顯示精度1厘米）。再設計控制電路，控制料罐的進口閥門開度，使其能夠穩定在設定的高度值。具體要求1）設計以測量顯示部分電路為主；2）要繪制原理框圖；3）繪制原理電路； 4）要有必要的計算及元件選擇說明；5）提供元件清單。圖1電容式液位傳感器工作圖第2章 方案論證2.1設計原理本設計采

4、用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大。從放大電路出來的是模擬量，因此送入ADC0809轉換成數字量，ADC0809連接于單片機，把信號送入單片機。通過單片機控制水泵的運轉。顯示電路連接于單片機用于顯示水位的高度。該顯示接口用一片MC14499和單片機連接以驅動數碼管。2.2系統框圖圖2電容式液位傳感器原理框圖被測物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。傳感器：將輸入的物理量轉換成相應的電信號輸出，實現非電量到電量的變

5、換。傳感器的精度直接影響到整個系統的性能，所以是系統中一個重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉換數字量，通常要進行放大，濾波等環節的預處理來完成。A/D轉換器：實現將模擬量轉換成數字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。單片機：目前的數據采集系統功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機。顯示設備：在此用到8段數碼管。控制設備：控制電動機的運行或關閉。 第三章 單元電路設計3.1傳感器設計3.1.1傳感器原理 電容式液位傳感器系統; 它利用被測體的導電率, 通過傳感器測量電路將液位高度變化轉換成相應的電壓脈沖寬度變化, 再由單片機進

6、行測量并轉換成相應的液位高度進行顯示,該系統對液位深度具有測量、顯示與設定功能, 并具有結構簡單、成本低廉、性能穩定等優點。3.1.2傳感器的組成 圖3 為傳感器部分的結構原理圖。它主要是由細長的不銹鋼管(半徑為R1 ) 、同軸絕緣導線(半徑為R0 ) 以及其被測液體共同構成的金屬圓柱形電容器構成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化, 從而引起對應電容量變化的關系進行液位測量。圖3傳感器原理圖3.1.3 測量原理由圖1 可知, 當可測量液位H = 0 時, 不銹鋼管與同軸絕緣導線構成的金屬圓柱形電容器之間存在電容C0 , 根據文獻得到電容量為: （1）式中, C0 為

7、電容量, 單位為F ; 0 為容器內氣體的等效介電常數,單位為F/ m; L 為液位最大高度; R1 為不銹鋼管半徑;R0 為絕緣導線半徑, 單位為m。當可測量液位）為H 時, 不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH : （2）式中, 為容器內氣體的等效介電常數, 單位為F/ m。因此, 當傳感器內液位由零增加到H 時, 其電容的變化量C 可由式(1) 和式(2) 得 （3）由式可知, 參數0 , , R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量C 與液位變化量H 呈近似線性關系。因為參數0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0

8、 和b0 為常數) (4)。可見, 傳感器的電容量值CH 的大小與電容器浸入液體的深度H 成線性關系。由此, 只要測出電容值便能計算出水位。3.2將電容轉化成電信號部分 采用運算法測量電路來轉化。該電路由傳感器和固定的標準電容以及運算放大器A組成，如圖4所示。圖4 運算放大器測量電路原理圖3.3 電信號放大電路設計由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大，如圖5所示，采用最基本的比例運算反放大電路. 圖5 比例放大電路要將30mV電壓放大成5V，根據公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=500K,R2=3K，R4=R1/R2,后邊的是一個反相器

9、，把第一個運放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=1K,R6=R3/R5。3.4 A/D轉換器設計本設計采用A/D轉換器ADC0809。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉換器，由于輸出級有8位三態輸出鎖存器，因而0809的數據輸出端可以直接與單片機的數據總線連接。ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 A/D轉換，之后EOC輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到A/D轉換完成，EOC變為高電平，指示A/D轉換結束，結果數據已存入鎖存器，這個信號可

10、用作中斷申請。當OE輸入高電平時，輸出三態門打開，轉換結果的數字量輸出到數據總線上.ADC0809轉換是采用逐次比較的方法完成A/D轉換的，由單一的+5V供電，片內帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關，由A，B，C引腳的編碼來確定所選通道。0809完成一次轉換需要100us左右，輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接連到MCS-51的數據總線上，通過適當的外接電路，0809可對0-5V的模擬信號進行轉換。ADC0809與單片機的接口電路圖6 ADC0809與單片機的接口電路3.5 控制電路的設計 控制電路在這里起到非常重要的作用，在水位測量中測量到水罐中水位的高度，當水位高于2.5m水位時，電動機停

11、轉，水泵停止對水罐供水；當水位低于2.5m水位時，電動機起轉，水泵開始對水罐供水。其電路圖如圖7所示。圖7 控制電路電路圖3.6 顯示電路設計發現需要4位的LED足可滿足本設計的顯示精度要求,為了減少所需的I/O數量,降低成本,采用動態顯示控制方式。通過對顯示接口電路的綜合分析,發現測距儀利用串行輸入BCD碼十進制譯碼驅動顯示器件MC14499來完成與單片機系統的顯示接口較為簡單可靠。用MC14499設計的LED顯示器動態顯示接口電路如圖8所示。圖8 MC14499設計的LED顯示器動態顯示接口電路用MCS - 51系列單片機作為控制核心的水位測量計,其數據輸出既可以通過單片機的通用I/O口輸

12、出,也可以通過單片機的串口用串行方式輸出。這里假設使用的單片機是8051 ,單片機的P1口為數據輸出口, 顯示器采用共陰極8段LED, 顯示位數為4位,由于一片MC14499 可以驅動4 個LED 顯示器,因此該顯示接口只需用一片MC14499和單片機連接。圖是該動態顯示接口的原理圖。P1.0用來向MC14499 發送數據,P1.1用來向MC14499發送時鐘脈沖,P1.2用于控制單片機輸出數據向MC14499串行輸入(當P1.2 = 0時,允許MC14499輸入數據)。反相器74LS06作為顯示器的位驅動, 8 個47的電阻是LED 的限流電阻, 3個5.1k的電阻是上拉電阻,使單片機803

13、1輸出電平與MC14499輸入電平相兼容。由于MC14499 具有輸入自動鎖存功能,而串行輸入一幀數據又需要一定的時間,所以LED顯示的數據不會出現閃爍現象。3.7 軟件系統的設計軟件主要由主程序、定時中斷程序、外中斷程序組成。其中主程序完成參數的初始化,中斷的管理,結果的顯示等工作。主程序流程圖如下：程序運行開要初始化各種參數，可以默認液位設定值等，之后如果要進入液位設定的話就按SET按鍵進入液位設定模式，然后進行比較，看當前的液位有沒有超過默認的極限值，如果超過了極限值，通過按鍵UP或DOWN進行液位調節，直至液位到達正常范圍；沒有超過極限值就正常顯示。報警>80%開始初始化取液位值

14、顯示液位值是否打開供水閥取液位值是<20%液位在20%80%？液位在20%80%？液位在20%80%？液位值？關閉供水閥顯示液位值>90%取液位值是顯示液位值<10%報警5分鐘后？>30%<30%報警圖9 電容式液位傳感器軟件系統工作圖3.8 誤差分析及結果圖數據測試與誤差修正在實際設計中, 取L為100cm，對水位進行實測，當無液時的頻率=279.0KHz, 100cm高液位時=3.312KHz,頻率最大時小于單片機的最高頻率測量范圍,頻率最小時也不至于降低測頻精度。經過測試，實際高度與測試結果如表1。表1 液位實際高度與測試結果比較 (測試水溫20)實際值01

15、51015202530354245測量值00.63.26.510.715.621.927.533.541.946.1實際值50556065707580859095100測量值52.759.065.873.378.383.888.994.098.1101.3104.7由上表中可知,測量結果是一條波動曲線, 在0cm、20cm處誤差較小，為兩線的交點，低誤差為負，高端誤差為正，90cm以后誤差逐漸減小，預計在110cm處達到交點。經分段修正后，測量結果如表2。表2 修正后液位實際高度與測量結果比較(測試水溫20)實際值0151015202530354545測量值015.210.414.819.52

16、4.730.135.039.644.6實際值50556065707580859095100測量值50.154.859.864.570.375.480.485.289.395.099.8由表2可知，經過修正后，誤差小于0.5cm，分辨率為0.1cm。抽樣檢測不同水溫的不同高度，誤差都在1.0cm以內，符合設計要求。液位高度與電壓變化曲線：圖10 液位高度與電壓變化曲線圖第4章 元器件清單表3 元器件清單 元器件參數個數筒式液位傳感器1電解電容160nF1電解電容174nF1NE55323電阻500K1電阻3K1電阻5.5K1電阻1K2電阻5001電阻478電阻5.1K374LS02274LS04

17、1數碼管4ADC0809174LS3731NPN4PNP1MC14499174LS741二極管1電解電容0.015uF1MCS-51系列的80511第5章 小結一個多星期的課程設計就在忙碌中匆匆度過，對于這次的測控電路課程設計，總的來說基本完成了課設的任務要求，從這次的課程設計當中也學會了許多的東西，在平時當中我們設計的的程序比較簡單，趨于理論化，而這次的課程設計題目趨于生活的實際，做起來有較大的興趣。由于平時在實驗室做實驗時，有較多的外接硬件供使用，程序就相對簡單一些，而這次的課程設計沒有外加的硬件設施，全由匯編語言控制執行，開始時覺得無從下手，經過多方面的搜索資料，慢慢有了頭緒，并且發現要

18、用到的知識并非所想象中的那么難以理解，經過一番自學，逐一的弄明白，使自己對這次設計有了很大的幫助。通過將要實現的任務分成多塊，然后分而治之，最終將各分功能進行合并，最終獲得成功，完成之時，相當有成就感。在我們平時的學習期間，我們所學的知識都是書本上的一些不大靈活的東西,而且學習期間的這種考核是單科進行，主要是考查我們對本門學科所學知識的記憶程度和理解程度。但我認為這種實踐性課程設計則不同，它不是單一地對我們進行某一學科已學知識的考核，而是著重考查我們運用所學知識對某一問題進行探討和研究的能力。整個設計的過程，同時也是專業知識的學習過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業知識的學習。首先，一個設

19、計是結合科研課題，把學過的專業知識運用于實際，在理論和實際結合過程中進一步消化、加深和鞏固所學的專業知識，并把所學的專業知識轉化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、調查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學過的書本知識，又可以學到許多課堂和書本里學不到的活生生的新知識。此外，我們在這種自己動手的設計中，對所學專業的某一側面和專題作了較為深入的分析。在此我感謝老師對我的幫助和鼓勵！總之，這次的課程設計對我來說說是一個很好鍛煉自己的機會！參考文獻【1】張國雄.測控電路（第三版）.機械工業出版社【2】何道清、張禾.傳感器與傳感器技術（第二版）.科學出版社【3】胡壽松.自動控制原理（第五版）.科學

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21、式液位計系統設計.儀表技術，2002，6附錄一：系統總圖附錄二：程序清單-MC顯示程序-MC14499XS:MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅動芯片MOVA,30HAA:ANLA,#01H；使第一位數碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,AAMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅動芯片MOVA,30HB

22、B:ANLA,#01H；使第二位數碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,BBMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅動芯片MOVA,30HCC:ANLA,#01H；使第三位數碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,CCMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0；將使能端清零，使能端低電平有效MOVP2.3,#1；將時鐘信號置1MOV30H,#8 ；將8位依次送入MC14499驅動芯片MOVA,30HDD:ANLA,#01H；使第四位數碼管顯示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,DDMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1RET-初始化程序-晶振：12MHZ；WATER EQU32H ；設定的水位值NUB_VALEQU34H ；加1、減