完整word版,傳感器設(shè)計方案

1、利用傳感器實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計方案目錄內(nèi)容摘要一 、 前 言 1（一）概述 1（二）發(fā)展趨勢 1二、液位控制系統(tǒng)分析 2（一）液位控制系統(tǒng)的工作原理 2（二）液位控制的實現(xiàn)方式21、簡單的機(jī)械式控制方式22、復(fù)雜控制系統(tǒng)控制方式3三、液位控制系統(tǒng)的設(shè)計3（一） 硬件設(shè)計3（二）軟件設(shè)計71、液位控制系統(tǒng)模型框圖74、 設(shè)計方案優(yōu)缺點對比75、 總結(jié) 7內(nèi)容摘要傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項技術(shù)都把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的

2、發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的檢測和控制技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。液位作為化工等許多工業(yè)生產(chǎn)中的一個重要參數(shù)，其測量和控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此液位控制成為過程控制領(lǐng)域中的一個重要的研究方向。液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。該系統(tǒng)利用了常見的芯片，設(shè)計并實現(xiàn)了液位控制系統(tǒng)的智能性及顯示功能。電路組成簡單，調(diào)試方便，性價比高，抗干擾性好等優(yōu)點，能較好的實現(xiàn)水位監(jiān)測與控制的功能。能夠廣泛的應(yīng)用于工業(yè)場所。在本設(shè)計中較好的實現(xiàn)了水位監(jiān)測與控制的功能。液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的系統(tǒng)， 液位控制一般是指對某控制對象的液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，以達(dá)到所要求的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到所要求的

3、控制精度。本文將利用兩種傳感器實現(xiàn)液位控制系統(tǒng), 并研究其可行性及優(yōu)缺點 .關(guān)鍵詞：傳感器；傳感器技術(shù)；液位控制系統(tǒng)；單片機(jī)；PID;矩陣鍵盤； 直流電機(jī)；LCD上位機(jī)一、前言傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)（計算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器） 之一。（一）概述壓力傳感器是用于測量液體與氣體的壓強(qiáng)的傳感器。壓力傳感器工作時將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出。超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于20kHz 的機(jī)

4、械波。超聲波傳感器在工作的時候就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波時，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去，當(dāng)接收超聲波時，超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到單片機(jī)控制芯片。二、液位控制系統(tǒng)分析隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使我們對單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控

5、制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。（一）液位控制系統(tǒng)的工作原理壓力傳感器液位控制系統(tǒng)是以單片機(jī)芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：水箱（水塔）液位發(fā)生變化時，引起連接在水箱（水 塔）底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的 空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該信號經(jīng)過運算放大 電路放大后變成幅度為05 V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換 器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機(jī)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行 處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時

6、數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤 設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報警值。該系統(tǒng)控制系統(tǒng)特點是直 觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。圖1 控制器原理框圖超聲波傳感器液位控制系統(tǒng)，是通過超聲波傳感器采集水位信 息，然后送單片機(jī)處理。若當(dāng)前水位低于設(shè)定置，通過電機(jī)驅(qū)動水泵 繼續(xù)注水，電機(jī)采用算法控制。水位信息顯示于液晶屏，設(shè)定值可通 過鍵盤設(shè)置。此方案選擇單片機(jī)作為控制核心，通過鍵盤輸入設(shè)定水位值。超聲波測距顯示出水位數(shù)值，所測得的水位數(shù)值在LCD液晶屏上顯示。如果水位低于設(shè)定值，則控制中心驅(qū)動電機(jī)向水箱注水到設(shè)定值， 如 果水位低于2厘米，報警器報警。圖2總體系統(tǒng)框圖（二）液位控制的實現(xiàn)方式對于液

7、位進(jìn)行控制的方式有很多， 而應(yīng)用較多的主要有2種，一 種是簡單的機(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：1、簡單的機(jī)械式控制方式其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡 單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機(jī)進(jìn)行通信較難實現(xiàn)。2、復(fù)雜控制系統(tǒng)控制方式這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運算和給定參量的比較， 進(jìn)行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸

8、入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱 液位的目的。PID 控制是在連續(xù)生產(chǎn)過程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過線形組合構(gòu)成控制量，對控制對 象進(jìn)行控制。對 PID 的常規(guī)應(yīng)用中，三個參數(shù)一般是根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的使用情況或者設(shè)備的自身特征來進(jìn)行確定，也有通過以往控制的經(jīng)驗來進(jìn)行調(diào)試，這樣可以通過調(diào)試來改變?nèi)齻€參數(shù)，以便改變控制器的性能，來獲得更好的控制效果。如果一個系統(tǒng)能夠用比較精確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行描述， 這樣的系統(tǒng)就比較適合用PID 算法來進(jìn)行控制，并且能夠取得比較好的控制效果。PID 控制原理在模

9、擬控制系統(tǒng)中，PID 控制比較常見。下面便是一種原理框圖，簡單地說明了PID 控制的主要原理。從圖中， 可以看出，由控制器和被控制的對象組成了整個系統(tǒng)。PID控制器輸出值圖3 PID原理圖最終形成的方案是壓力傳感器液位系統(tǒng)選擇利用單片機(jī)為控制核心，不使用PID控 制，設(shè)計一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征， 要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī) 控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。 檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止 上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵 開始上水。現(xiàn)場實時顯示測量

10、值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。超聲波傳感器液位系統(tǒng)由單片機(jī)及超聲波模塊、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動模塊、液晶顯示屏、矩陣鍵盤等構(gòu)成的液位控制系統(tǒng)。其中超聲 波模塊負(fù)責(zé)對水位的高度進(jìn)行測量，并將測量的水位信息傳送到單片 機(jī)進(jìn)行處理，由單片機(jī)將之與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差， 使用PID算 法控制電機(jī)抽水。如當(dāng)前水位低于設(shè)定水位，則單片機(jī)控制直流電機(jī)抽水進(jìn)入水箱。水位信息實時顯示在LCD12864液晶屏上，直至水位達(dá)到設(shè)定值為止。設(shè)定值可以由矩陣鍵盤輸入。系統(tǒng)中設(shè)置了報警系統(tǒng)，如果水位低于2cm,報警系統(tǒng)啟動，提醒設(shè)定水位，通過矩陣鍵盤輸入水位信息，確定后，系統(tǒng)將自動注水入水箱，到達(dá)設(shè)定值則自動停止。 以達(dá)到

11、能自動控制水位的要求。測量到的水位亦能送到上位機(jī)顯示以及上位機(jī)能輸入設(shè)定水位。三、液位控制系統(tǒng)的設(shè)計隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 計算機(jī)控制技術(shù)在過程控制中占有十分重要的地位。眾所周知 , 控制系統(tǒng)已被廣泛使用, 在其研究與發(fā)展上也已趨于完善, 在工業(yè)生產(chǎn)過程中控制的應(yīng)用也起到了使工程流程正常運轉(zhuǎn)。（一） 硬件設(shè)計液位控制系統(tǒng)的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器、直流電機(jī)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動電路和輸出控制電路等。（二）軟件設(shè)計壓力傳感器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計液位控制系統(tǒng)模型的軟件設(shè)計 框圖如圖所示。開始報警提力為田水柒M鼠值幅1Y、報警描示一丈閉水泵K閉水架停止供水測諭值，己設(shè)定上

12、限、卜以高度、凰設(shè)初始他弟小海位高世a動水落州純化水圖4壓力傳感器液位控制程序框圖超聲波傳感器液位控制系統(tǒng)程序設(shè)計采用的是模 塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計和編寫程序，程序主要由系統(tǒng) 主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化, 超聲波的發(fā)射和接收、計算超聲波發(fā)射點與障礙物之間的距離、液晶顯示和蜂鳴器報警等。系統(tǒng)程序設(shè)計 的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計算測量 距離、數(shù)據(jù)計算、蜂鳴器報警和液晶顯示。圖5超聲波液位控制程序流程圖超聲波測距流程圖如下:圖6超聲波測距流程四、設(shè)計方案優(yōu)缺點對比壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、 便于集成化的優(yōu)點。但是投入式靜壓液位傳感器只有

13、參考大氣壓才能進(jìn)行準(zhǔn)確測量，然而連接電纜中的通氣會受到環(huán)境的影響， 造成氣管 內(nèi)壁冷凝，結(jié)露。露水滴到電子器件和傳感器上，會影響精度或者輸 出漂移。同時，結(jié)露過快，變送器的使用壽命也會大大縮短。此外壓 力傳感器容易受到環(huán)境的影響而造成測量不準(zhǔn)確，并且安裝不方便。超聲波傳感器。超聲波具有振動頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小而 且方向性好還能夠為反射線定向傳播等優(yōu)點，而且超聲波傳感器的能 量消耗緩慢有利于測距。在中、長距離測量時，超聲波傳感器的精度 和方向性都要大大優(yōu)于紅外線傳感器。從安全性，成本、方向性等方 面綜合考慮，超聲波傳感器更適合設(shè)計要求。根據(jù)對以上兩種傳感器性能的比較，考慮到靈敏度和經(jīng)濟(jì)實用 性，可以看出超聲波傳感器方案是比較理想的。五、 總結(jié)本次課程設(shè)計是我所做的最綜合的一個題目，基于單片機(jī)實現(xiàn)液 位控制系統(tǒng)模型設(shè)計的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建， 只有在電路準(zhǔn) 確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。 在做設(shè)計時，第一步是按 照設(shè)計要求來確定該題目可能需要的元器件， 再慢慢根據(jù)個電子元件 的功能及題目的要求一一進(jìn)行篩選， 最終確定