液位测量控制系统

福建电力职业技术学院 课 程 设 计

课程名称： 传感器与检测技术课设 题目： 液位测量控制系统 专业班次： 姓 名： 学 号： 指导教师：

学 期： 2011-2011学年 第一学期 摘要 II 摘 要

在工业领域中，液位测量是一项重要的研究方法，有利于工业技术的进步和经济效益的提高，液位测量在许多控制领域已较为普遍。各种类型的液位测量传感器较多，按原理分为浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其需要设计而成，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，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；也有用电容法测量液位的系统，电容式传感器

具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等特点，因此适用于测量液位，是一种简单易行的方案。

本文利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出液位测量装置。 关键词： 液位测量、传感器、单片机 - 1 - 目 录 摘

要 . .................................................................................................................................... I I

第一章 设计方

案 ................................................................................................................... 2

1.1 设计原

理 ................................................................................................................... 2

1.2 系统框

图 ................................................................................................................... 2

第二章 传感器原

理 . ............................................................................................................... 3

2.1传感器概

述................................................................................................................. 3

2.2 电容式传感器原

理 ..................................................................................................... 3

第三章 电路设

计 ................................................................................................................... 4

3.1 电容式液位

计 ............................................................................................................ 4

3.2测量原

理 .................................................................................................................... 4

第四章 电信号放大电路设

计 . ................................................................................................. 6

4.1 电容测量电路设

计.................................................................................................... 6

4.2 放大电路.................................................................................................................. 6

第五章 A/D转换电路及单片机接

口 ........................................................................................ 7

5.1 A/D转换器设

计 . ....................................................................................................... 7

5.2 与单片机的接口电

路 ................................................................................................ 7

5.3控制电路的设

计.......................................................................................................... 8

5.4 显示电路设计........................................................................................................... 8

第六章 软件系统的设

计 . .......................................................................................................10

第七章 小

结 ......................................................................................................................... 11

参考文

献 ................................................................................................................................12

2

第一章 设计方案 1.1 设计原理

电容式液位传感器的工作原理取决于液体类型。对于导电液体，为了避免短路，两个传感器电极中至少有一个是绝缘的。在气—液分界面以下，液体表现为导体，因此，电容的电解质仅仅是绝缘电极。在气—液分界面以上，电解质就是绝缘电极与电极之间的空气，因而产生更小的电容。另一方面，对于非导电液体，电极不需要绝缘。在气—液分界面以下，电解质是液体（其介电常数高于空气）。而分界面以上，则是空气。对于两种类型的液体，随着液位的升高，在气液分界面以下的电极的面积也就增加，进而导致电容增大。

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。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算和调剂等。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。

1.2 系统框图 控制设备 ↓

被测物理量→传感器→放大、整形、滤波→A/D转换器→单片机

↓ 显示设备

这个是图，图标题呢？ - 3 -

第二章 传感器原理 2.1传感器概述

在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具。传感器一般由敏感元件、转换元件和信号调理与转换电路组成，它是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

2.2 电容式传感器原理

电容式液位传感器系统，利用了被测体的导电率。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。

4

第三章 电路设计 3.1

电容式液位计

图3—1电容式液位计结构 图3—2电容式液位计原理图

如图3—2为电容式液位计结构原理图。如图所示的液位计主要由细长的不锈钢管（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

3.2测量原理

由上图可知，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C 。=2πε。L/ln(R1/R0————（1）式

（1） 式中，C 。为电容量（单位为F ）， ε。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

CH=2πε。（L —H ）/ln(R1/R0+2πεH/ln(R1/R0

=2πε。L/ln(R1/R0+2π（ε—ε。）H/ln(R1/R0————（2）式

式中，ε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ΔC 可由式(1 和式(2 得

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∆C=CH—C 。=2π（ε—ε。）H/ln(R1/R0———— （3）式

由上式可知, 参数ε。 ，ε，R1 ，R0 都是定值。所以电容的变化量ΔC 与液位变化量H 呈近似线性关系。因为参数ε。，ε， R1 ，R0 ，L 都是定值，由式(2变形可得：CH = a。+ b。H ( a。和b 。为常数 ———— (4 式

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。

图3—3 液位高度与电容变化曲线 6

第四章 电信号放大电路设计 4.1 电容测量电路设计

图4—1 运算放大器测量电路原理图

如图所示，本设计采用运算法测量电路来转化，该电路由传感器Cx 、固定的标准电容C 。和运算放大器A 组成。

4.2 放大电路

由于传感器得出的电压一般在0~30mv之间，不易测量，所以要通过放大电路进行放大，本设计采用最基本的比例运算反放大电路。

图4—2 比例放大电路

要将30mv 电压放大成5v ，根据公式U=—（R1/R2）U 。，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。

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第五章 A/D转换电路及单片机接口 5.1 A/D转换器设计

本设计采用的是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转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，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。

5.2

与单片机的接口电路

图5—1 ADC0809与单片机的接口电路 8

5.3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。其电路图如下图所示

图5—2 控制电路原理图 5.4 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下图所示。

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图5—3 动态显示接口电路

用MCS - 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I/O口输出，也可以通过单片机的串口用串行方式输出。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MC14499可以驱动4个LED 显示器，因此该显示接口只需用一片MC14499和单片机连接。图5—3是该动态显示接口的原理图。 P1.0用来向MC14499 发送数据，P1.1用来向MC14499发送时钟脉冲，P1.2用于控制单片机输出数据向MC14499串行输入(当P1.2 = 0时，允许MC14499输入数 据 。反相器74LS06作为显示器的位驱动，8 个47Ω的电阻是LED 的限流电阻，3个5.1k Ω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。

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第六章 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，直至液位到达正常范围；没有超过极限值就正常显示。

图6-1主程序流程图 - 11 - 第七章 小结

课程设计已经步入尾声，一星期的时间对我们来说有些仓促，虽然课题贴近生活，能够提高我们的兴趣，但要从之前的理论知识一下子应用在实际实验上，对我们还是有一定的挑战的。不过，在透彻理解了课题以后，经过多方面的搜索资料，慢慢有了头绪，并且发现要用到的知识并非所想象中的那么难以理解，通过自学，逐一的弄明白，通过将要实现的任务分成多块，最终将各分功能进行合并，最终获得成功。在我们平时的学习期间，我们所学的知识都是书本上的一些不大灵活的东

西, 而且学习期间的这种考核是单科进行，主要考查我们对本门学科所学知识的记忆程度和理解程度。但我认为这种实践性课程设计则不同，它不是单一地对我们进行某一学科已学知 识的考核，而是着重考查我们运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知 识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。

12 参考文献

[1]王幸之编.AT89系列单片机原理及接口技术. 北京航天航空出版社,2006 [2]郑晓峰编. 电子技术基础. 中国电力工业出版社,2010 [3]谢志萍编. 传感器与检测技术. 电子工业出版社，2011

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对学生设计过程、设计质量的评分依据 总评成绩 指 导 教 师 意 见 及 成 绩 评 定 指导教师（签名） ： 年 月 日 教 及 教研室主任（签名） ： 定 意 见 年 （系公章） 月 日 14