电容式液位传感器设计说明

1、城建学院安全检测与监控课程设计班级0232131学号023213128姓名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11.1设计原理1第二部分：单元电路设计22.1传感器设计22. 1. 1传感器原理22. 1.2传感器的组成22. 1.3测量原理32.2将电容转化成电信号部分42.3电信号放大电路设计42.4 A/D转换器设计52.5控制电路的设计72.6显示电路设计82.7软件系统的设计10第三部分：元器件清单14第一部分：方案论证1.1设计原理本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极 的覆盖面积随被

2、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和单片机连接以 驱动数码管。1.2.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，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

3、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

4、，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行液位测量。被测液休绝缘导图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II二0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CO ,根据文献得到电容量 为：(1)式中，CO为电容量，单位为F ； eo为容器气体的等效 介电常数，单位为F/ m

5、； 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II时，不锈钢管与同 轴绝缘电线之间存在电容CII :2 冗 ( L H)CT*" =+耳 n(Rl/RO) n(R/ RO)=_0込+ 2兀'£ -切丿Hn(Rl/RO) n(R/ RO)(9)式中，£为容器气体的等效介电常数，单位为F/m。因此，当传感器液位由零增加到II时，其电容的变化量AC可由式(1)和式(2)得0=6- 6 = (3)由式可知，参数£ 0 , e , Rl , R0都是定值。所以电容的变化量AC与液位变化量II呈近似线性关系。因为参

6、数£ 0 , £ , Rl , RO , L 都是定值，由式(2)变形可得:CII = aO + bO II ( aO和bO为常数) (4)o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 o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0、30mv之间，太小不易测量， 所以要通过放大电路进行放大，如图2-3所示，采用最基本的比例运 算反放大电路

7、.要将30mV电压放大成5V,根据公式U=- (R1/R2) Uo,所以选择Rl=500K,R2=3K, R4二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R3二R5二1K,R6二R3/R5。2.4 A/D转换器设计本设计采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式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。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

8、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，E0C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0E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转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的 +5V供电，片带有锁存功能的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lOOus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

9、电路1$19/ :1 丿焉X >1帧0 mi阳 Hz PU 皿H2H1H0RUT AXBP DD 13DItT7HP -O- O- IT；OEr bIPg2Q%g5ogRso貂fFIgiglgi102S刃s、 n33 h 7対736 7r 7托7过711/匕/I?»f+»f V 11 A TATTENABLEAT Wsi-)AUE琏7XDDAUTVRT>1 LADDAUr 琏5KT叭T>1 2 / 、CUr陀丿>31.1mAT>lftUv&UrVTFxccoa16Vs1D!图2-4 ADC0809与单片机的接口电路2.5控制电路的设计控

10、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?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码一十进制译码驱动显 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 MCI 4499设计的LED显示器动态显示接口电路如图2-6所示。TORESET

11、D3TS05 1DPYxxn ixroRXDINDALE.PPCZN32573354333221 2324丄262728101130-2POOP01P02P03P04P05POOPOTPIOP1IP12P13P14PISPIOP17dVddCebfaSDATAbO3CCLKIVEKBIII1wII；lkQxXDFi"DPT阳打和时力肘币士币 區;0區;0區;口區;0X7 #【g】X7 / 【LEDQXZ_ t 【g夕】XZ_ £ IL£DDPT 7-dpt=qDPY 7-SE<®0.0场CAP©iNPN图2-6 MCI4499设计的LED

12、显示器动态显示接口电路用VICS - 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1/()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MCI 4499 可以驱动4个LED显示器，因此该显示接口只需用一片MCI4499和单 片机连接。图是该动态显示接口的原理图。Pl.O用来向MCI4499发送 数据,Pl. 1用来向MC14499发送时钟脉冲,P1.2用于控制单片机输出数 据向MCI4499串行输入(当Pl. 2 = 0时，允许MCI4499输入

13、数据)。反相 器74LS06作为显示器的位驱动，8个47Q的电阻是LED的限流电阻， 3个5. lkQ的电阻是上拉电阻，使单片机8031输出电平与MC14499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LED显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

14、值， 如果超过了极限值，通过按键UP或DOWN进行液位调节，直至液 位到达正常围；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100cm,对水位进行实测，当无液时的频 率九=279. OKHz, 100cm高液位时齐=3. 312KHz,频率最大时小于单片 机的最高频率测量围，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lo表1液位实际高度与测试结果比较（测试水温20°C）实际 015101520253035424585909510094.98.10110401.3.7际 505560值10.15.21.6.57696570758027.33

15、.41.46.5591测量 00.63.2值73.78.83.88.389值测52.59.65.量708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2O表2修正后液位实际高度与测量结果比较（测试水温2（TC）实际值0151015202530354545测015.210.14.19.24.30.35.39.44.量48571066值实际值测50556065707580859095100量50.54.59.64.70.75.80.85.89.95.99.

16、表2可知，经过修正后，误差小于0. 5cm,分辨率为0. lcnio抽样检测不同水温的不同高度，误差都在1.0cm以，符合设计要求。液位高度与电压变化曲线: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IK250电阻01电阻478电阻5. 1K374LS02274LS041数码管4ADC0809174LS3731NPN4PNP1MCI4499174LS741二极管1电解电容0.015uF1MCS-51 系列的 80511附录一：系统总图nuunnnwTnun-nuun

17、HU0附录二：程序清单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1MOV3011, #8;将8位依次送入MCI4499驱动芯片MOVA, 3011AA：BB：ANLA,#0111;使第一位数码管显示MOVP2. 2,AMOV3011, ARRADJNZ2011, AAMOVP2.4,#lMOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0;将使能端清零，使能端低电平有效MOVP2. 3,#1;将时钟信号置1MOV3011, #8;将8位依次送入MCI4499驱动芯片MOVA, 3011ANLA,#0111;使第二位数码

18、管显示MOV P2.2MMOV3011, ARRADJNZ2011, BBMOVP2.4,#lMOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0;将使能端清零，使能端低电平有效MOVP2. 3,#1;将时钟信号置1MOV3011, #8;将8位依次送入MCI4499驱动芯片MOVA, 3011CC：ANLA,#0111;使第三位数码管显示MOVP2. 2,AMOV3011, ARRADJNZ2011, CCMOVP2.4,#lMOVP2.3,#0ACALLDELAY1MOVP2.4,#0;将使能端清零，使能端低电平有效MOVP2. 3,#1;将时钟信号置1MOV 3011, #8；将8位依次送入MCI4499驱动芯片MOV A, 3011DD：ANL A,#0111；使第四位数码管显示MOV P2.2,AMOV 3011, ARRADJNZ 2011, DDMOVP2.4,#1MOV P2.3,#0ACALL DELAY1RET始 化 程 序晶振：12MHZWATEREQU3211;设定的水位值NUB_VALEQU3411;加1、减1的暂存值WATER_1EQU3611;采集到的水位值ORG003011MOVSP,#60H;设置堆栈值MOVIE, #0011;屏蔽所有的中断信号MOVTC0N,#001IMOVTM0D,#10H;选用TO定时/计数器SETBP2.