电容式液位传感器课程设计

最好的沉淀整理目录引言 1第1章设计指导思想 21.1指导思想 2第2章方案论证 2设计原理 2系统框图 2第3章 单元电路设计 3传感器设计 3将电容转化成电信号部分 4电信号放大电路设计 5A/D转换器设计 5控制软件系电路的设计 7显示电路设计 7软件系统的设计 8误差分析及结果图 9第4章元器件清单 11第5章小结 12参考文献 13附录一：系统总图 14附录二：程序清单 151摘 要DS1820测量555振荡电路将容量变化转换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、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。1第1章指导思想1,1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（2.51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。图1电容式液位传感器工作图第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0~30mvADC0809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MC14499和单片机连接以驱动数码管。2.2．系统框图2图2电容式液位传感器原理框图被测物理量：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。第三章单元电路设计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,并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。传感器的组成3图3R1图3传感器原理图测量原理由图1H0电容C0（1）式中,C0为电容量,单位为F;ε0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。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:（2）式中,εF/mH时,其电容的变化量ΔC可由式(1)和式(2)得（3）ε0εR1R0都是定值。所以电容的变化量H呈近似线性关系。因为参数εR1R0L(2):CHa0b0Ha0和b0(4)。CHH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Ｃｘ和固定的标准电容Ｃｏ以及运算放大器A组成，4如图4所示。图4运算放大器测量电路原理图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5所示，采用最基本的比例运算反放大电路.图5 比例放大电路30mV5VU=-（R1/R2）Uo,R1=500K,R2=3K，R4=R1//R2,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。A/D转换器设计本设计采用A/D转换器ADC0809。5ADC0809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。ADC0809ALE=1选通8START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/DEOCA/D转换完成，EOCA/D转换结束，结果数据OEADC0809A/D+5V路选0809100usTTLMCS-51可对0-5V行转换。ADC0809与单片机的接口电路图6ADC0809与单片机的接口电路6控制电路的设计2.5m2.5m所示。U?1 P102 P113 P124 P135 P146 P157 P168 P1713 INT112 INT015 T114 T031 EA/VP19 X118 X29 17 RD16 WR8051

P00P01P02P03P04P05P06P0739383938D?373635DIODE343332KA21Q?22PNP220V23Vss24252627MG?P26 P27RXD10TXD11ALE/P30PSEN29

+5V

Vss

MOTR图7控制电路电路图显示电路设计位的LEDI/OBCD器件MC14499MC14499LED显示器动态显示接口所示。7ⅣⅢⅠⅡ图8MC14499设计的LED显示器动态显示接口电路用MCS51I/O8051P1段LED,4MC144994个LED显示器,因此该显示接MC14499P1.0用来向MC14499发送数据,P1.1MC14499,P1.2MC14499P1.20时,允许MC1449974LS068个47ΩLED个5.1kΩ8031MC14499MC14499具有输入自LED显示的数据不会出现闪烁现象。软件系统的设计SET有没有超过默认的极限值，如果超过了极限值，通过按键UPDOWN8显示液位报警显示液位报警是>90%开始20%～80%？初始化取液位值取液位值关闭供水阀>80%20%～80%？否液位值？<20%是打开供水阀显示液位取液位值20%～80%？<10%是5分钟后？报警显示液位<30%>30%报警图9电容式液位传感器软件系统工作图误差分析及结果图数据测试与误差修正L100cmf=279.0KHz,100cm0f=3.312KHzh9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0 1 5值00.63.26.510.700.63.26.510.715.621.927.533.541.946.150556065707580859095100

10 15 20 25 30 35 42 45测量52.7 59.0 65.8 73.3 78.3 83.8 88.9 94.0 值

101.3

104.70cm20cm高端误差为正，90cm110cm。表2修正后液位实际高度与测量结果比较(测试水温20℃)0151015202530350151015202530354545015.210.414.819.524.730.135.039.644.65055606570758085909510050.154.859.864.570.375.480.485.289.395.099.820.5cm0.1cm1.0cm。液位高度与电压变化曲线：图10液位高度与电压变化曲线图10第4章元器件清单表3元器件清单元器件筒式液位传感器参数个数1电解电容160nF1电解电容174nF1NE55323电阻500K1电阻3K1电阻5.5K1电阻1K2电阻5001电阻478电阻5.1K374LS02274LS041数码管4ADC0809174LS3731NPN4PNP1MC14499174LS741二极管1电解电容0.015uF1MCS-51系列的805111第5章小结相当有成就感。某一问题进行探讨和研究的能力。总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会！12参考文献【1】张国雄.测控电路（第三版）.机械工业出版社【2】何道清、张禾.传感器与传感器技术（第二版）.科学出版社【3】胡寿松.自动控制原理（第五版）.科学出版社【4】阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社【5】童诗白、华成英编.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社【6】周兴鹏.检测系统设计[M].南京:东南大学出版社,1998【7】鲍芳,王春茹.新型单片机频率测量系统的研究[J].微机与应用,2001【8】龙北生,任庆凯.电容式智能温度仪的硬件设计[J].长春工程学院学报,2001,2(1)【9】孙汉旭，胡旭辉.超声波波位检测装置的研究.电子产品开发与创新，2004，17（2）【10】黄长艺，卢文祥，熊诗波.机械工程测量与试验技术.机械工业出版社，2004，2：79-82【11】阮亚婕.智能电容式液位计系统设计.仪表技术，2002，613附录一：系统总图JiJi14附录二：程序清单----------------------MC144999显示程序---------------------------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1MOV30H,#88MC14499MOVA,30HAA:ANLA,#01H；使第一位数码管显示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,AAMOVP2.4,#1MOVP2.3,#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1MOV30H,#88MC14499MOVA,30HBB:ANLA,#01H；使第二位数码管显示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,BBMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY115MOVP2.4,#0；将使能端清零，使能端低电平有效MOVP2.3,#1；将时钟信号置1MOV30H,#88MC14499MOVA,30HCC:ANLA,#01H；使第三位数码管显示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,CCMOVP2.4,#1MOVP2.3,#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1MOV30H,#88MC14499MOVA,30HDD:ANLA,#01H；使第四位数码管显示MOVP2.2,AMOV30H,ARRADJNZ20H,DDMOVP2.4,#1MOVP2.3,#0ACALLDELAY1RET 初始化程 晶振：12MHZ16；WATER EQU 32H；设定的水位值NUB_VAL EQU34H；加1、减1的暂存值WATER_1 EQU36H；采集到的水位值WATER_NUM EQU30H；ORG0000HLJMP STARTORG 0030HSTART:MOV SP,#60H；设置堆栈值MOV IE,#00H；屏蔽所有的中断信号MOV TCON,#00H；MOV TMOD,#10H；选用T0定时/计数器SETB P2.1；关水泵电机MOV R0,#20HMOV R1,#20HMOV A,#00HSTART_1:MOV @R0,AINC R0DJNZ R1,START_1START_2:CLR P2.1；开水泵电机MOV WATER,#2.5H；初始水位值设为2.5m 主程 MAIN:ACALL DISPLAY17MOVA,WATER_NUMMOVA,WATER_NUMCJNEA,WATER，MAIN1CLRCMAIN1:JCMIAN2CLRP2.1LJMPMAINMAIN2:CJNE A,WATER,MAIN3CLR CMAIN3:JNC MAIN4SETB P2.1 ；关闭水LJMP MAINMAIN4:CLR P2.1 ；水泵复位LJMP MAIN----------------------A/D转换程序-----------------------------ORG0000HLJMPA/D_ABCD；转主程序ORG0003H；中断服务程序入口地址LJMPINT0F；中