1、 1*学校课 程 设 计 论 文论文题目：数字液位计系 部 自动控制系专 业 生产过程自动化班 级 学生姓名 学 号 成 绩2011年 12月 22日2目录第 1 章 选题背景及设计指导思想1.1 选题背景1,2 指导思想第 2 章 方案论证2.1 设计原理2.2系统框图第 3 章 单元电路设计3.1传感器设计3.2将电容转化成电信号部分3.3 电信号放大电路设计3.4A/D转换器设计3.5 控制软件系电路的设计3.6 显示电路设计3.7 软件系统的设计3.8 误差分析及结果图第 4 章元器件清单第 5 章 心得体会参考文献附录一：系统总图附录二：程序清单3摘 要：讨论电容式传感器的原理、电容
2、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
3、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1.1 课题背景本专业开设了传感器及传感器技术，自动控制原理，单片机，电机拖动，计算机控制技术等课程。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
4、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4等知识。进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，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 2.5 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2.1 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
5、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5一片MC14499和单片机连接以驱动数码管。2.2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
6、 ， 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 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
7、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3.1传感器设计3.1.1传感器原理6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3-1-2 为传感
8、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 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。
9、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 :7（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度H 成线性关系。由此, 只要测出电容值便能计算出水位。3.2 将电容
10、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3.3 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.8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=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。3.4 A/D转换器设计本设计
11、采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD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。ADC0809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。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上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，EOC变为高电平，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OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上.ADC0809转换是采
12、用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，9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3.5 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3
13、-5所示。101 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 20-May-2010 Sheet of File: F:protel.ddb Drawn By:EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSE
14、N 29ALE/P30TXD 11RXD 10U?8051MG?MOTOR ACQ?PNPD?DIODEVssVss220VKA+5V图3-5 控制电路电路图3.6 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MC14499来完成与单片机系统的显示接口较为简单可靠。用MC14499设计的LED显示器动态显示接口电路如图3-6所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate:
15、 20-May-2010 Sheet of File: F:protelMC14499LED.ddbDrawn By:EA/VP 31X1 19X2 18RESET 9RD 17WR 16INT0 12INT1 13T0 14T1 15P10 1P11 2P12 3P13 4P14 5P15 6P16 7P17 8P0039 P0138P0237 P0336P0435 P0534P0633 P0732P2021 P2122P2223 P2324P2425 P2526P2627 P2728PSEN29 ALE/P30TXD11 RXD10U?8051ENBCLKbgfeVdddcbaDATAOSCVssU?MC14499R?RESR?RES?RESR?RESR?RES?RES?RES?RES?RES?RES?RESa bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGa bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGa bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGa bfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGQ?NPNQ?NPNQ?NPNQ?NPNVSS0.015FCAPVSSVSS+5V5.1k3478
