原油罐液位实时检测系统的设计

1、 本文由贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 密 级 学 号 毕 业 设 计（论 文） 基于光纤的液位 检测及其显示电路设计 院（系、部） ： 姓 年 专 名： 级： 业： 信息工程学院 徐燕华 2002 级 电气工程及其自动化 王 指导教师： 教师职称： 伟 师 讲 2006 年 6 月 23 日北京 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文（毕业设计说明书） ，是本人在导师指导 下，独立进行研究（设计）工作的总结。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及 的研究工作做出贡献

2、的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签 名：徐燕华 日 期：2006 年 6 月 23 日 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 系本人在北京石油化 工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石 油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷 版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、 文摘浏览以及全文部分 浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。

3、 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 信息工程学院 作者签名： 徐燕华 学 号： 2006 年 6 月 23 日 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 摘 要 精确地实现对易燃易爆液体液位的测量,是现代测量科学的重要课题。 本文设计一种利用单片机与光纤传感器组成的液位测量系统。 文中完成对光 纤液位检测系统的检测原理、数据采集及信号处理、液位显示等内容的理论分析 和相关的软硬件设计。 光纤液位计采用先进的光纤传感技术和传统的力平衡原理 相结合，实现对原油罐液位实时检测，被测液位信号通过磁力耦合系统和光学编 码器产生光脉冲信号，经光缆传输到光电转换器，变成电信号

4、进行处理。特别是 光信号转换成电信号，对脉冲信号的判向和脉冲个数的如何计数作了详细地分 析。 该系统实现了现场全光无电在线检测,具有很好的稳定性和抗干扰能力。系 统做到了无电检测和传输,系统安全、防爆。 关键词： 液位检测， 光纤传感器， 光码盘， 单片机 I 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 Abstract Measurement to the liquid level of the inflammable and explode liquid, is an important subject of modern measuring science. The theoretic anal

5、ysis and software and hardware design of the measure principle, data acquisition and signal processing and liquid display of the optical fibre liquid level measuring system is completed in this article. Sensing technologies of advanced optical fiber and principle of traditional power balance are ado

6、pted in the optical fiber liquid-level Meter. The liquid-level of oil can be measure real-time by this meter.The measured signal are changed to light pulses by magnetic force couple system and optics coder, and transmitted by light cable. Then the light signal is tuned into electrical signal by the

7、light-electricity device. Especially the light signal is tuned into electrical signal , pulse signal is judged the direction by tne electric circurt and counted by the measure electric circuit are maked to explain in the article. The on-line detection with light and without electric power in the mea

8、suring field has been completed in the system. The excellent stability and anti-jamming capability may be provided by it. Liquid-level signals is measured and transmitted as the mode of no- electricity in the system. The system is safety and flameproof. Key words：liquid level measurement，the optical

9、 fibre spreads a feeling machine， the light code dish，single chip microcomputer. II 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 目 录 第一章 绪论1 1.1 光纤液位测量技术概况2 1.2 国内外液位传感器的现状3 1.3 传感技术的发展及应用.5 1.4 研究的基本方向和本论文的任务6 第二章 总体方案的设计.7 2.1 系统原理的分析7 2.2 器件的选择8 2.3 光电转换器及信号的处理13 第三章 检测电路设计15 3.1光电转换及放大电路15 3.2 整形及方向判别电路16 第四章 信号处理系统的设计20

10、4.1 脉冲的计数20 4.2液位显示部分22 4.3 转换程序25 第五章 总 结28 5.1 结论28 5.2 对该系统研究的展望28 参考文献29 致谢30 附录31 III 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 第一章 绪 论 光纤是二十世纪人类的一项重要发明， 它的出现对人类进入信息时代具有不 可估量的作用。 光纤的发明及发展与人们对通信系统不断提高信息传输容量的要 求有密切的关系。1966 年，任职于英国国际电话电报公司的华裔科学家高馄博 士，发表了一篇名为光频率的介质纤维表面波导的论文，开创性地指出，可 以用玻璃做光学纤维传送讯号，从此开始了光纤通信的革命。人们对光通信的需 求极大

11、地促进了光纤的研究和生产，光纤的应用也已不再局限于通信领域，光纤 技术正渗透到许多领域中，如科学研究、工业控制、交通、能源、建筑以及军事 等等，其发展方兴未艾，前景广阔。1 本章简要介绍光纤传感、光纤光栅及其传感技术的发展概况和应用，液位测 量技术的发展，最后简要介绍本文的主要工作。 1.1 液位测量技术概况 液位传感器是指检测液体高度信息的仪器， 液位测量技术在工程领域有着极 为广泛的应用。在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进 行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。随着生产自动化程度 的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够 自

12、动控制在最佳状态。在现代化的企业生产过程中，采用计算机控制系统对生产 进行各种综合控制与管理的普及，控制系统的智能化、统一化，要求测量的对象 要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、且适用于特殊测量环境等， 这些对液位测量技术也提出了更高的要求。尤其是当液面具有波动和存在气泡， 或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘滞性、导电性，或需要考 虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况下，选择合适的 液位测量技术就显得尤为重要。2 目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法有 19 种以上，主要有以下 几大类: 1）机械浮子类液位计 测量原理是利用传动装置把与液位同高

13、度的浮子高度信息转换成脉冲信号 或连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、电子或光电设备。此类液位计可以 进行连续测量， 其问题是积聚在传动机械臂上的污物(如水垢沉积)会限制浮子运 动，从而产生故障。 1 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 2）电子类液位传感器 测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化， 利用一定的测量电路将电 参数检测出来，从而达到测量液位的目的。其中最常用且最成熟的是电容式液位 传感器。 电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质， 将液位变 化转换成静电电容变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。它 结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各

14、种介质(导电介质、非导电介 质)的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。尤 其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介 质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。 电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多， 通过 电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息。其测量 精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错误的输出，在 直流工作时会产生电解，响应速度慢。 3）热学式液位计 由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。它结构小，适 用于圆筒容器、玻璃柱、管道等，但这种方

15、法仅能进行点测量，而不能用于液位 的连续测量。 4）雷达液位传感器 雷达传感器就是利用发射一反射一接收的原理来测量距离的， 因此可用于有 毒、有害的恶劣环境下。雷达液位传感器的传输信号是一种特殊形式.的电磁波， 其物理特性与可见光相似。 雷达信号是否可以被反射取决于被测介质的导电性和 被测介质的介电常数两个因素。所有导电介质都能很好地反射雷达信号，导电性 不太好的介质也能被很准确地测量。雷达波不易受干扰，巨能穿透塑料容器或玻 璃容器进行测量，无需在容器上开孔，能实现非接触测量，即使在飞灰、粉尘强 烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量。 然而雷达传感器的测量信号运行时 间极短，这给信号分析处理

16、提出了极高的要求，造成它的价格昂贵、技术实施困 难。 5）超声波液位传感器 超声波液位传感器发展很快、应用也很广泛，常用于测量明渠液位及开口容 器内液位。由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收 换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距 离。根据换能器安装高度，就能得出液位高度。但声波传播速度多受环境因素影 2 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 响，其测量信号的可靠性较差，误差较大，校正补偿复杂。 6）同位素/放射性液位传感器 它是利用放射性同位素射线(如 a 射线、p 射线、Y 射线)的穿透和反射能力， 当 a 射线、p 射线、Y 射线到达

17、被测液体时，通过检测其透射或反射射线信号的 强度来达到测量液位的目的。 射线的强度会随液位的高度变化而变化， 在放射线辐射源与检测器之间有吸 收物质时，检测器的输出与液位的高度有关，通过对被测物质吸收能量大小的检 测，再经过信号转换，即可得出被测液位的高度。 由于放射性射线本身的特点所决定，它可以用于腐蚀性、有毒性、大粘性和 易燃易爆的场合。而且介质对丫射线的吸收只与介质密度有关，因此它可以测量 不同密度的液体分界面、 气体与固体或液体与固体的分界面。 但射线易受到衰减， 检测信息的能量易于损失，测量精确度不理想，有辐射作用，对人体有害等。 7）液压类液位计 此类液位计可以进行连续测量。 气泡

18、式液位计将被测液位值转换为空气压力值，测定该压力值后，利用该被 测压力与液位高度成正比的原理测量液位。 压力式传感器它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随 之而变化的原理来设计的。在测量开放的容器时，大多采用直接测量底部某点压 力来测量。这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制，同时还要求被测 液体的密度是已知的，而且要求液体的密度要恒定不变。 8）光学液位计 光学液位计主要是光纤液位传感器，它结合了光纤作为敏感器件的优点，尤 其是在复杂的应用场合，测量现场全光无电，安全性能好，同时调制方法多种多 样，是一种新型的液位传感器。3 光学液位计，它利用浮子的磁耦合原理来设计，经光

19、码盘对光纤的检测，再 经由放大整形电路，以及光电转换来形成规则的脉冲信号，最后由单片机来实现 液位显示。本文主要采用这个方案来设计。此方案设计比较简单，测量精度比较 高，也非常适合目前我国的生产力状况。 1.2 国内外液位传感器的现状 对于液位测量传感器的研究，国外的液位测量技术起步较早且投入资金雄 厚，发展非常迅速。到目前为止国外许多公司都研制出很多功能齐全、自动化智 能程度高、精度高的测量体系与产品系列。如美国 DREXELBROOK 公司研制的 3 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 Universall II TM 连续液位变送器(其精度可达 0.1，量程最大 15 米，4-20mA

20、电流输出，上下限位报警，叠加智能通讯协议 HART, Honeywell 等)。美国 Milltronics 公司研制的多量程超声波液位监测系统具有测量液位、液位差的能 力，其采用的非接触式超声波传感器，可监视 30cm 到 14m 范围的液位变化。典 型的产品还有美国 Foxboro 公司、Texas 仪器公司、Varec 公司、Rosemount 公 司以及 Moore 公司生产的 HTG 静压式计量系统， 所用传感单元是高精度的压力变 送器，将其放在油罐的底部，通过检测液体的压力获得其它参数的信息。还有其 它国家和公司研制的液位传感器等产品，广泛应用于工业、食品等行业，并大量 地进入我国

21、液位测量领域4。 在我国，液位传感器的研制开发技术比较落后，在液位测量技术、测量方法 上均远远落后于其它发达国家。对于新型的光纤液位传感器，1990 年国内公开 了一项传感器专利，是一种浮子式光电型编码带液位计，它利用与浮子同步运动 的一条绝对式光电型编码带和透射式光纤信号检测头作为检测液位高度的传感 器。1991 年南京航空学院研制的一种光纤液位传感器，是利用光纤构成的一种 小型化开关式传感器。2004 年清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光 纤油罐液位与温度测量系统，己经安装运行。从总体来看，国内研制的测量系统 的自动化程度不高，精度、可靠性、功能等多方面都不如国外同类产品，这都不

22、能满足现代生产的需要。 1.3 光纤传感技术的发展及应用 光纤作为传感材料的应用是传感材料的重大突破，随着光纤在通讯技术中的 不断应用，人们发现光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波在光纤中传 播时，表征光波特征的参量，如相位、振幅、偏振态、波长等会因外界因素如温 度、压力、电场、磁场、位移等的作用，直接或间接的发生改变，因此可以将光 纤用作传感元件来探测各种待测量(物理量、化学量和生物量等)，这就是光纤传 感器的基本原理。光纤传感技术一问世就受到极大重视，在众多领域得到研究与 应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。 光纤传感器最早出现于 1977 年美国海军研究所(NRL)执

23、行的光纤传感器系统 (FOSS)计划。 此后， 光纤传感器和光纤传感技术在世界范围内得到迅猛发展 1980 年，美国开始研制现代数字光纤控制系统，此计划是采用光纤译码的光纤传感器 系统替代直升机驾驶员的控制。 另外， 其对光纤陀螺仪的研制也取得巨大的成果。 美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家， 如应用光纤传感器监测电力系 统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉 4 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 类和食品的细菌和病毒等。 日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤 传感器的研究与开发。 日本在八十年代便制定了 “光控系统应用计划” 90 年代，

24、， 由东芝、日本电气等 15 家公司和研究机构，研究开发出 12 种具有一流水平的民 用光纤传感器，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。西欧各国的大型企业和 公司也积极参与了光纤传感器的研究、开发和市场竞争，其中包括英国的标准电 讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。5 我国光纤传感器的研究工作开展得较晚。从 1983 年国家科技新技术局在杭 州召开的第一次光纤传感器全国性会议的二十余年间， 我国己经有上百家单位在 光纤传感器这一领域开展工作。从“七五”规划中，国家电子部提出并成功开展 的 12 项光纤传感器项目，到国家科委在“八五”攻关项目中开展的光纤传感器 项目，再到国防科工委“十

25、五”国防预研的光纤传感器项目等，这些项目的成功 完成使中国的光纤传感器研究水平达到一个新的高度。目前，我国的光纤传感器 研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。 光纤陀螺、光纤水听器和分布式光纤温度传感器是光纤传感研发水平的代表产 品，这几种光纤传感器我国要落后 10 年。3 作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤， 具有一系列独特的 性质。与传统的机械、电子传感器相比较，光纤传感器具有下列优点: (1)灵敏度高。 (2)抗电磁干扰，电绝缘性好。 (3)工作频带宽，动态范围大。 (4)耐腐蚀，化学性能稳定。 (5)安全性能好。 (6)传输损耗小，可实现远

26、距离测量和控制。 (7)测量范围广，可测量温度、压强、应力、应变、电压、电流、液位等物 理量。 (8)适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。 目前，从文献资料中可以看到光纤传感器的研究有如下的发展趋势 (1)继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，探索新原理、新 技术的光纤传感器。 随着光纤传感器基本原理的研究日益深入，强度、相位调制的传感器更趋完 善，而对波长调制传感器如光纤光栅传感器的研究则更加深入。 传感器用于实际测量的主要问题是长时间漂移效应， 人们对此进行了深入研 究，提出了许多解决办法。漂移效应来自光纤传输线路的衰减、祸合器等无源器 5 基于光纤的液

27、位检测及其显示电路设计 件特性不完善、 光源输出不稳定及探测器的响应等。 为了从技术上解决漂移问题， 国外对光纤传感头的固有调制形式进行了研究。例如，采用参考光路引入参考信 号可解决由于光学结构的漂移特性对测量的影响， 对于不同调制方法的传感器有 着不同的参考光路。 多样化的补偿技术， 使光纤传感器能够获得长时间的稳定性， 这样，就可以使光纤传感器实用化。 (2)对波分复用、时分多路复用光纤传感器阵列的研究，实现多参数、多变 量同时测量的智能化遥测，是发展的重点。 单一光纤传感器的研究已进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数、多变 量的测量。近年来，光纤智能结构、光纤埋覆技术、波长编码信息解调

28、以及单一 光纤的阵列多功能检测是传感系统的研究热点。 (3)深入研究检测系统。检测系统的目的是把光纤传感器的输出光信号转换 为正比信号场变化的一个电信号，一般来说，强度调制型传感器的检测系统最为 简单。相位、偏振和波长调制型的传感器的监测系统常将工作参量转换光强度再 进行检测。新型的光纤光栅传感器，由于其工作参量的变化更加微小，带来了更 高复杂度的检测系统。 1.4 研究的基本方向和本论文的任务 综上所述，为了更好的满足石化行业生产和管理的需要，促进油库管理中的 生产和安全问题，本文提出利用浮子的光纤液位传感本质防爆等的一系列优点， 设计和研究基于光线传感技术的油库区液位检测系统。 该系统能自

29、动监测油面的 液位高度，而且具有适时性、可靠性、安全性、准确性、易于维护等优点.因此, 采用光纤传感器作为本系统的测量子系统具有无可比拟的优越性。 研制和开发基 于光纤传感技术的储油液位检测功能的油罐库区自动付油管理系统也显得非常 必要。 其测量原理是:被测液位变化带动光码盘的转动,对两路光纤探头分别发出 的两束红外光进行调制。调制后的两组光脉冲信号沿光缆传输给二次仪表。通过 测量脉冲数即可测出液位高度,而检测两路脉冲的相位即可判断液位是增加还是 减少6 。其测量精度达到2mm 。 本文主要完成以几点工作： 1）检测电路硬件的设计：完成检测所需光电信号转换电路的设计及探测机 理的分析； 2）显

30、示电路硬件的设计：完成以单片机等为核心的信号处理及显示硬件电 路的设计； 3）系统软件设计采用 C 语言完成相关信号处理运算等软件的设计。 6 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 第二章 总体方案的设计 2.1 系统原理的分析 本设计包括磁浮子液位跟踪与力平衡等传感器机械系统、光电信号处理及显 示电路，微机接口电路等。7 其中浮子液位计是利用磁耦合原理，通过浮子里的磁铁和由不锈钢做成的管 子里的磁铁相互作用，由油面液位的升降带动浮子的升降，进而带动光码盘的转 动，产生一个光脉冲信号。 光电转换电路则是将光码盘产生的光信号转换成电信号，以便能成为单片机 能够识别的信号。主要用光电转换转换器来完成

31、。 在得到电信号后，由于各种原因，如信号比较微弱，或者很不规则，致使单 片机无法读数。所以这里采用防放大整形电路。使信号成为规则的矩形波，脉冲 强度也能在单片机中读出来。 由于液位有上升，有下降，因此得到的电信号也应该有正反向。这里采用了 光电编码其作为判向电路。这是本文设计中的一个重点之一。具体设计思路和原 理将在下面会阐述。 有了正反脉冲信号作基础，最后的任务就是通过数码管把液位的高度显示出 来。这是最后也是最关键的一步。在第四章中会具体讲述。 本设计系统原理框图如下 2-1 所示 浮 子 液 位 计 光电 转换 放大 整形 判 向 电 路 可 逆 计 数 接口 上位微机 光电 转换 放大

32、 整形 图 2-1 系统原理框图 该系统的测量原理是利用力平衡原理和先进的光传感技术实现对液位检测。 油罐液位上、下变化时，跟踪液位变化的浮球带动与重锤和绳索连接的精确计量 变径轮旋转。通过磁力耦合带动光学编码盘旋转，光学编码盘旋转的角度和方向 7 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 表示出液位变化的高度和变化方向（升或降）。其原理图如下2-2所示 1测量浮球 5光纤传感器 9电源 2测量钢丝绳 6光纤 3重锤 7光电变送器 4重锤钢丝绳 8二次仪表 图2-2 光线液位检测原理图 22器件的选择 2.2.1浮子的选择 浮子式液位计的理论基础是阿基米德定理， 即浸于液体中的物体所受的液体 浮力等

33、于该物体所排出的同体积液体的重量。 磁耦合浮子的结构如图2-3所示。 8 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 图2-3 浮子结构图 图中 1 为起密封作用的非导磁的隔离钢管，并作为不锈钢浮子上下运动的滑 道，2 为管内的圆柱形磁铁，与缠绕在传感卷筒上的钢索相连，3 为不锈钢浮子， 4 为浮子内的圆环形耦合磁铁。在磁力作用下，磁铁 2 与磁铁 4 始终保持一定的 相对位置，浮子随着液位变化而上下滑动，浮子上的磁铁吸引着管内的磁铁，使 管内的磁铁也上下移动，这样，就将浮子随液位变化而产生的位移传递出去，通 过绕在卷筒上的钢索及平衡锤的作用，带动卷筒随液位的升降而正反转动。如果 在平衡锤上制作刻线，

34、便可在为其导向的钢管窗口的标尺上直接读出液位的高 低， 此时， 垂直标尺的液位刻度正好与液位的实际高低相反， 即刻线指到下部时， 正好液位是在高处；传感卷筒转动时带动同轴的光码盘旋转，使得分别正对光码 盘两圈孔的两组光纤产生光脉冲信号输出， 从而使液位与光脉冲建立起一一对应 的关系。耐腐蚀的不锈钢浮子和隔离管子结合可以应用于很多的检测场合，尤其 应用于密闭容器，具有很强的优势，即密闭方式简单和密闭效果可靠，而且检修 传感器时， 只要浮子和管子不坏， 传感器的其它所有部件都可方便地从管顶卸下， 而不致影响工艺设备的密封，也不影响生产的进行。 2.2.2 光纤传感器 光纤传感器构成仪器的核心部分。

35、它主要由磁轮、光学编码盘和光纤探头组 成。光学编码盘是一个沿圆周编有信息码的薄盘。材质为1Cr18Ni9Ti，8它与磁 轮同轴，密封在光盘室中，完全与外界隔离。光纤探头示意图如图。 9 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 1 入射光 2.回射光 3.光码盘 图 2-4 光线传感器结构图 由入射光经透镜聚焦后变为平行光， 然后再经光学编码盘另侧一个透镜聚焦 耦合进入回光光纤内。当光学编码盘在二透镜中间旋转时，即可调制回光信号。 当被测液面变化时，光学编码盘随之转动，两光纤探头分别发出的两束红外光被 调制，调制后的两组光信号通过光缆传输到光电转换器和二次仪表。之所以采用 两路光纤探头，是因为不仅要

36、记录被测液位变化的大小，而且要判断液位变化的 方向。下图给出了光纤探头与光学编码盘相互位置示意图。9 图2-5 光线探头位置示意图 10 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 当光学编码盘如图顺时针转动时A、B 光纤探头的信号变化遵循“A 探头先 有光，B 探头后有光；A、B探头同时有光；A 探头先无光，B 探头后无光；A、B 探头同时无光”的规律进行。当光学编码盘逆时针旋转时，则A、B 探头的信号 变化则遵循“B 探头先无光，A 探头后无光；B、A 探头同时无光；B探头先有光， A 探头后有光；B、A 探头同时有光”的规律进行。这样将被测液位的变化转变 成光脉冲信号。 经光纤传感器产生的调制回

37、光脉冲见图。 图中Ip表示光脉冲强度。 Ip B A t 光码盘顺时针转 Ip B A t 图2-6 A,B脉冲示意图 光码盘逆时针转 2.2.3 光码盘数值设计 在盘上等角距开有两圈小孔，内外相邻两孔的孔距错开半个孔宽，这样设计 的目的是使两个输出信号的相位差90o。使用两个输出信号是为了判断光码盘的 转角大小与转动方向，亦即液位的升降变化。设计中适当地增大光码盘的直径、 增加光码盘的小孔数可以相应地提高测量精度，因为当传感卷筒的直径一定时， 光码盘旋转一周时，对应的液位升降保持不变，而对应的光脉冲数增加了，相应 地测量精度也就提高了。 11 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 0.5 2

38、0 0 图2-7 光码盘 2.2.4 传感卷筒的设计 传感卷筒的设计也是从测量的精度和灵敏度方面考虑的。 从公式 k=2r/n。 中可以看出，缩小传感卷筒的半径可以相应地提高灵敏度，但是，如果传感卷筒 的半径设计得太小， 将会带来别的问题， 因为其半径比较小时， 依力矩平衡原理， 不易于带动光码盘随液位的升降而旋转，而且会出现钢索叠绕的问题。本设计取 k=2，则液位变化2mm产生一个光脉冲，即液位检测信号的分辨率为2mm。 25 115 图2-8 传感卷筒 12 124 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 2.2.5 平衡卷筒的设计 平衡卷筒的设计主要从机械方面进行考虑， 使它能平衡光码盘和传

39、感卷筒跟 踪液位进行测量。为此把它设计成与传感卷筒相仿，其设计结构如图 2-9 所示： 25 115 图2-9 平衡卷筒 2.3光电转换器及信号的处理 2.3.1光电转换结构及信号的处理 光电转换器与现场的光纤液位计的光纤传感器通过四芯铠装光缆相连。 其中 两芯用来传送红外发光二极管LED发出的连续稳定的光分别给A、B探头。另外两 芯用来传送光纤传感器输出的光脉冲回到光电转换器。 光电转换器将光纤传来的 光脉冲信号进行光电转换变成标准的CMOS. 电压信号再给二次仪表。 送入二次仪 表的液位信号经过整形和放大处理后，送入单片微型计算机。在单片机内通过可 逆判向、计数等处理，由LED显示液位值。

40、二次仪表还可设有极限声光报警、液 位锁定功能等， 同时， 还可通过RS-232C接口与上位机通信,实现罐区管理与监控。 信号处理的功能框图如图2-10所示。11 12 13 124 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 显示电路 A 相脉冲 光 电 转 换 脉冲信号 放 大 整 形 单 片 机 B 相脉冲 通讯接口 电源 键盘 二次仪表部分 图2-10 信号处理功能图 14 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 第三章 检测电路设计 3.1光电转换及放大电路 3.1.1光电转换电路 光电转换电路主要是将光信号转变成电信号，由光电管来实现，由此可以在 单片机中加以识别及显示。其原理总框图如下图3-1

41、所示 发光二极管 光纤 光纤 光电管 放大 输出 图 3-1 光电转换远离框图 3.1.2 放大电路 由于经光电管输出采集到的信号可能比较小， 因此在输出信号后面加一个放 大电路，由此可把信号经放大再输入到单片机，保证单片机能识别，可避免由于 没法识别而造成的误差。 由于采集到的信号是幅值约为 2V 的方波电压,单片机无 法对脉冲高电平进行记数,为此这里采用一个 T 型放大电路,主要为了用低值电 阻 来 实 现 电 压 增 益 。 13 放 大 电 路 可 采 用 如 图 3-2 所 示 。 取 R1=R2=R3=5k ,R4=12.5k。则得到的增益为(公式 31): Vo R2 + R3

42、+ R2 R3 R4 5k + 5k + 5k 5k 12.5k = = = 2.4 Vi R1 5k (3-1) 由此得到的输出信号大约在 0-4.8V 跳变，能够为单片机计数器进行计数。 15 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 图 3-2 放大电路 3.2 整形及方向判别电路 3.2.1 整形电路 由放大器出来的脉冲信号可能不是规则的矩形波， 所以可以在放大电路和后 面讲到的方向判别电路之间加上一个整形电路。 该整形电路可以用施密特触发器 来实现得到规则的矩形波。由此可以方便单片机中对脉冲的计数.其电路图如下 图 3-3. 图 3-3 整形电路 16 基于光纤的液位检测及其显示电路设计

43、3.2.2 光电编码器及判向电路 在位置控制系统中,为了提高控制精度,准确测量控制对象的位置是十分重 要的。目前,检测位置的方法有两种。一种方法是使用位置传感器,测量到的位移 量由变送器经A/ D 转换成数字量,送至系统进行进一步处理。此方法虽然检测精 度高,但在多路、长距离位置监控系统中,由于其成本昂贵、安装困难,因此并不 适用。另一种方法是使用光电编码器。光电编码器是高精度控制系统常用的位移 检测传感器。当控制对象发生位置变化时,光电编码器便会发出A、B 两路相位差 90的数字脉冲信号。正转时A 超前B 为90,反转时B 超前A 为90。脉冲的 个数与位移量成比例关系,因此,通过对脉冲计数

44、就能计算出相应的位移。 该方法 不仅使用方便、测量准确,而且成本较低,测量位移时经常采用这种位置测量方 法。 使用光电编码器测量位移,准确无误的计数起着决定性作用。由于在位置控 制系统中,光码盘既可以正转,又可以反转,所以要求计数器既能实现加计数,又 能实现减计数。相应的计数方法可以用软件实现,也可以用硬件实现。 使用软件方式对光电编码器的脉冲进行方向判别和计数降低了系统控制的 实时性,尤其当使用光电编码器的数量较多时,且其可靠性也不及硬件电路。 但其 外围电路比较简单,所以在计数频率不高的情况下,使用软件计数仍有一定的优 势。对编码器中输出的两路脉冲进行计数主要分两个步骤:首先要对编码器输出

45、 的两路脉冲进行鉴相,即判别光码盘是正转还是反转;其次是进行加减计数,正转 时加计数,反转时减计数。 光电编码器分为绝对式和增量式，通常使用的是增量型，它的使用原理是： 它有相差90 的A相和B相二个输出信号。从二个输出信号的相位关系（超前或滞 后）可判别移动或转动的方向，图3-4是方向判别的基本电路给出了光电编码器 实际使用的鉴相电路，该电路用1 个D 触发器和2 个与非门组成,当光电编码器 顺时针旋转时, A 相超前B 相90,D 触发器输出Q(W1) 为高电平,Q(W2) 为低 电平,与非门N1 打开, 计数脉冲通过(W3) 输出。 此时,与非门N2 关闭,其输出为 高电平(W4) 。当

46、光电编码器逆时针旋转时, A 相比B 相延迟90,D 触发器出 Q(W1) 为低电平,Q(W2) 为高电平,与非门N1 关闭,其输出为高电平(W3) ;此时, 与非门N2 打开,计数脉冲通过(W4)输出。14 图 3-4 作为实际使用的电路，该电路的缺点是有时会误记脉冲造成误差。例 如 ，在 A、B 通道的一方处于“H”或“L”状态（即处于照光或遮光状态） ，而 另一通道信号在“H”和“L”电平间往复地变化， 此时虽未发生编码器 （光码盘） o 17 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 沿某一方真正意义的角位移，但会产生移动检出脉冲。这现象往往出现在当移动 方向发生变化和静止时的振动以及手动对

47、准位置等场合。 3-7 示出基本电路发 图 生误计数时的时间关系，示出编码器从逆方向移动停止顺方向移动的波形。 但在停止位置近旁，B 通道为“H”状态，A 通发生“H”和“L”转换的振动。这 时 A 通道的 H 和 L 是同一点，还是连续地产生“向下”脉冲，好比是反方向移动 状态。这个问题可以通过软件来解决。 图 3-4 判向电路 A B W1 W2 W3 W4 图 3-5 顺时针旋转各管脚波形图 18 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 A B W1 W2 W3 W4 图 3-6 逆方向旋转个管脚波形图 其 A 和 B 通道产生的光脉冲如下图 3-7 所示 逆方向 A 通道 顺方向 B 通道

48、 正向脉冲 逆向脉冲 图 3-7 脉冲波形示意图 19 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 第四章 信号处理系统的设计 由上一章我们知道，在得到了我们想要的脉冲波形后，接下来要解决的问题 就是如何脉冲计数以及通过单片机显示油面液位的高度。 单片机应用系统通常工作于现场环境，用于各种检测或控制。在实现测控功 能、尽量降低成本之外，还要强调以下几项性能要求。 1.可靠性高 2.适应现场环境 3.具有完善的输入/输出通道和实时控制能力 4.易于操作和维护 5.具有一定的可扩展性 4.1 脉冲的计数 4.1.1 用单片机内部计数器实现可逆计数 计数方法很多，有纯软件计数，用外接计数芯片计数。也能用单片

49、机内部定 时器来计数。 但是用纯软件计数虽然电路简单,但是计数速度慢,难以满足实时性 要求,而且容易出错； 用外接加减计数芯片的方法,虽然速度快,但硬件电路复杂。 所以本设计采用单片机内部的计数器来实现加减计数。单片机8051 片内有2 个 16 位定时器(定时器0 和定时器1) ,单片机8052还有一个定时器(定时器2) ,这3 个定时器都可以作为计数器使用。但单片机8051 内部的计数器是加1 计数器, 所以不能直接应用,必须经过适当的软件编程来实现其“减”计数功能。15 这里把经过判向电路之后的脉冲即方向控制脉冲(DIR) W3接到单片机的计 数器T0端,另外一个方向控制脉冲W4接到另一

50、个计数器T1端 ,相对外部计数芯片 来说,使用这种方法时电路相对要简单得多。系统工作时,当光码盘正转，产生正 向脉冲W3，把W3输入计数器T0，给脉冲计数；当光码盘反转，产生反向脉冲W4， 把W4输入计数器T1，给脉冲计数。这里实现减计数功能主要是通过软件编程来实 现。由于光码盘只能产生一路脉冲，所以当反向脉冲输入时，正向脉冲输入为0， 因此只要把正向脉冲减反向脉冲的个数，就能实现减计数的功能。16下面是软 件编程思路(在C 语言环境下实现计数功能) 。 计数程序流程图如下： 20 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 图4-1 计数流程图 主程序流程图如下： 计数程序如下： void serv

51、ice-int0( ) 21 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 TR0 = 0 TH0 = 0 TL0 = 0 TR0 = 1 ;/ / 停止计数 ; ;/ / 把计数器0赋初始值, ;/ / 开始计数 void service-int1( ) TR1 = 0 TH1 = 0 TL1 = 0 TR1 = 1 void shuju_test() ;/ / 停止计数 ; ;/ /把计数器1赋初始值 ;/ / 开始计数 delay(500); DATE1=TH0*256+TL0; DATE2=TH1*256+TL1; yewei=(DATE1-DATE2)*2 ; / /实现减计数 主程序如下：

52、#include #include int code zxm=0xc0,0x0f9,0x0a4,0xb0,0x099,0x092, 0x082,0x0f8,0x80,0x90 int int int int int int int int yewei; DATE1=0; DATE2=0; wanwei; qianwei; baiwei; shiwei; gewei; ;/ /字型码表格 void void void void shuju_test(); service-int1(); service-int0(); shuju_test(); 22 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 void

53、 void void BCDzhuanhuan(); display(); delay(); void main() TMOD = 0X55 ;/ / T0,T1 为16 位计数方式 service-int0(); service-int1(); while(1) shuju_test();/ /调用数据计数 BCDzhuanhuan();/ /调用转换程序 display();/ /调用显示程序 此方法采用中断的形式进行计数,硬件电路比较简单,程序也不复杂,执行速 度较快。 4.2液位的显示 在单片机系统设计中, 常用的显示器有:发光二极管显示器,简称LED;液晶 显示器,简称LCD;荧光管

54、显示器.近年来也开始使用简易的CRT显示一些汉字及图 形.前三种显示器都有两种显示结构:段显示和点阵显示.而发光二极管显示又分 为固定段显示和可以拼装的大型字段显示,此外还有共阳极和阴极之分17。 发光二极管是由半导体发光材料做成的PN结,只要在发光二极管两端通过正 向电流5至20毫安就能达到正常发光。 而LED数码管显示块是由发光二极管显示字 段的显示器件。在单片机应用中通常使用七段LED。这种显示块有共阳极和共阴 极两种，这里采用共阴极接法。其原理图如下4-3所示 23 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 43 显示原理图 24 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 所采用的显示程序流程图为

55、： 语言环境下实现显示功能） （C 开 始 显示万位 延时 2ms 显示十位 延时 2ms 显示千位 延时 2ms 延时 2ms 显示个位 显示百位 延时 2ms 结 44 显示程序流程图 束 其显示程序如下所示： void display() P2=0x0f ;/ /选通万位 P1=zxmwanwei ;/ /给出万位字型码 delay(200) ;/ /调用延时 P2=0x1e ;/ /选通千位 P1=zxmqianwei-0x80; / /小数点 delay(200) ;/ /调用延时 25 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 P2=0x1d ;/ /选通百位 P1=zxmbaiwei ;/ /给出百位字型码 delay(200) ;/ /调用延时 P2=0x1b ;/ /选通十位 P1=zxmshiwei ;/ /给出十位字型码 delay(200) ;/ /调用延时 P2=0x17 ;/ /选通个位