一种智能液位检测仪的设计

1、一种智能液位检测仪的设计The Design of An Intelligent Liquid Level Instrument r摘要：设计一种多功能智能化液位检测装置，采用ATmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。关键词：智能液位仪；柱形电容；电容频率转换；单片机Abstract: A multiple functions intelligent liquid level instrument i

2、s designed. It employs the ATmega8 as a core of hardware circuit., uses column capacitance as liquid level sensor, utilizes capacitance-frequency conversion principle, and makes use of single chip microcontroller detecting frequency and software calculating liquid level height. This instrument has g

3、etting rid of fluctuation of liquid surface, using software temperature compensastion, linear correction, consumer self correction, communication and selecting multiple liquids, Etc.Keywords: Intelligent liquid level instrument, Column capacitance， Capacitance frequency conversion, Single chip micro

4、controller1引言图1 电容传感器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装置也不少，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式、电容式等1,2,3,4,5，这各种方法都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度各有特色, 适用于各自的场合, 但都是基于固定液箱液位检测而设计。市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，绝大多数价格惊人。以上液位计普遍存在以下缺陷: 1)输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针显示，不能用于远程监视；2)系统普遍适用于静止液面测量，对于行走式的波动液面测量不准；3)一般液位仪在使用一定时间后，由于传感器和电子元件性能变化都会引起精度下降，

5、多数没有自校正功能。为此，设计一种具有远距离监视、用户自校正、能消除液面波动等功能的、智能化程度较高的液位仪。利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出一种能检测多种液体的、适合于运动和静止液箱的智能液位检测仪。2硬件设计本装置硬件电路由AVR单片机Atmega8芯片、RS232接口、数字温度传感器DS18B20、555振荡器、报警、按键和显示等电路组成，如图2所示。单片机采用Atmega8, 其内部有8K的flash和512字节的E2PROM，可以直接写入程序和在线保存用户数据。圆柱形电容传感器采用如图1所示结构，主要由两个金属构成同心圆柱构成，其中1为内筒；2为外筒；3为上下固定端子，在内外筒

6、之间开有小孔，能让水和空气自由流通，但孔较小，对外部波动液面有缓冲作用；4为电容引出屏蔽线，中心接内筒，边线接外筒再接电路板的地，可防止干扰；5为待测液体。图2的555振荡电路的A、B两点按电容传感器，线中心接A，边线接B。其它电路这里不再详述。根据圆柱形电容的理论（下面以水为例进行水位与电容的关系推算）其容量为:C=C1+C2=+ C0+ （1）其中，。振荡频率为：图2 硬件电路原理 Hz （2）由于水的相对介电常数随温度变化比较明显，以20为基准，在0-50之间，可以近似用下在的式子来表示： （3）取电容传感器总长度为L=100cm, 将式（3）代入式（2）可得： cm (4)其中，=，即

7、液位高度为0时的频率，为液位高度不同时的实时频率，T为实时水温，为了简便第二项取。在式（4）中，将相对介电常数换成油或其它液介质介电常数及各自与温度的关系即可得出不同液位的高度公式，这里不再详述。3软件设计根据硬件电路原理，利用单片机测出频率和水温T即可由式（4）利用软件计算得到液位的高度。单片软件如图3至图5所示，图3为系统主程序流程图，图4为液位测量流程图，图5为液位校正流程图。其它测频、测温、通信、显示、按键子模块程序流程图在此不再详述。开始初始化用户校正吗？按 键YN按 键校正液位水位测量油位测量酒精测量图3 主程序测量频率测量液温读取校正频率液位高度换算温度修正线性校正液位显示图4

8、液位测量模块测量频率显示频率保存参考频率吗？写I2CEPROM返 回YN图5 液位校正 由上面的式（4）可知，当传感器和电子元件性能参数变化时，会引起的变化，从而影响高度误差。由此通过用户校正液位，即重新测量液空时的补始频率即可获得液位校正功能。4 数据测试与误差修正在实际设计中, 取L为100cm，对水位进行实测，当无液时的频率=279.0KHz, 100cm高液位时=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。表1 液位实际高度与测试结果比较 (测试水温20)实际值0151015202530354245测量值

9、00.63.26.510.715.621.927.533.541.946.1实际值50556065707580859095100测量值52.759.065.873.378.383.888.994.098.1101.3104.7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20)实际值0151015202530354545测量值015.210.414.819.524.730.135.039.644.6实

10、际值50556065707580859095100测量值50.154.859.864.570.375.480.485.289.395.099.8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。5 结论本文作者主要创新之处是提出一种适合于波动液面液位检测的智能液位仪，具有温度补偿、用户自校正和通信等功能。本文设计了高度为100cm的柱形电容液位检测传感器，电容器具有结构简单，电路实现容易，利用555振荡电路实现了电容到频率的转换，利用程序实现频率到高度转换，理论正确可靠，推算过程合理，利用软件分段修正减小了线性误差。在电容的两端装有液位缓冲器，采用机械的方式减小液面波动。由实验测试可知，本液位检测装置性能稳定，检测可靠，测量精度达到1cm, 分辨率可0.1cm，达到车载式喷雾机液位检测的要求。利用此方案可根据需要设计各种量程的液位检测装置，适用性较广。6参考文献1蔡幼忠. 浮选槽的液位检测控制探讨J. 有色矿山，2002，31(6):35-36.2刘开锋,孔力,程晶晶等.超声波液位测量系统中高速数据采集卡的设计J.微计算机信息(