原油罐液位實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、密 級(jí)學(xué) 號(hào)02031086畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）院（系、部）： 信息工程學(xué)院姓 名： 徐燕華年 級(jí)： 2002級(jí)專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師： 王 偉教師職稱(chēng)： 講 師2006 年 6 月 23 日·北京聲 明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文（畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)），是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究（設(shè)計(jì)）工作的總結(jié)。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。簽 名：徐燕華 日 期：北京石油化工學(xué)院學(xué)位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議論文 基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電

2、路設(shè)計(jì) 系本人在北京石油化工學(xué)院學(xué)習(xí)期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過(guò)論文答辯。本人系作品的唯一作者，即著作權(quán)人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京石油化工學(xué)院學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)”。本人承諾：已提交的學(xué)位論文電子版與印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學(xué)術(shù)聲譽(yù)上的損失由本人自負(fù)。本人完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服務(wù)。公開(kāi)級(jí)學(xué)位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。注：本協(xié)議書(shū)對(duì)于“非公開(kāi)學(xué)位論文”在保密期限過(guò)后同樣適用。院系名稱(chēng)： 信息工程學(xué)院 作者簽名： 徐燕華 學(xué) 號(hào)： 02031086 2006 年 6 月 23 日基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)

3、摘 要精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)易燃易爆液體液位的測(cè)量,是現(xiàn)代測(cè)量科學(xué)的重要課題。 本文設(shè)計(jì)一種利用單片機(jī)與光纖傳感器組成的液位測(cè)量系統(tǒng)。文中完成對(duì)光纖液位檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理、液位顯示等內(nèi)容的理論分析和相關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)。光纖液位計(jì)采用先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)和傳統(tǒng)的力平衡原理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)原油罐液位實(shí)時(shí)檢測(cè)，被測(cè)液位信號(hào)通過(guò)磁力耦合系統(tǒng)和光學(xué)編碼器產(chǎn)生光脈沖信號(hào)，經(jīng)光纜傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，變成電信號(hào)進(jìn)行處理。特別是光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)的判向和脈沖個(gè)數(shù)的如何計(jì)數(shù)作了詳細(xì)地分析。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)全光無(wú)電在線(xiàn)檢測(cè),具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。系統(tǒng)做到了無(wú)電檢測(cè)和傳輸,系統(tǒng)安全、防爆。關(guān)鍵詞

4、： 液位檢測(cè)， 光纖傳感器， 光碼盤(pán)， 單片機(jī)I基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)AbstractMeasurement to the liquid level of the inflammable and explode liquid, is an important subject of modern measuring science.The theoretic analysis and software and hardware design of the measure principle, data acquisition and signal processing and liq

5、uid display of the optical fibre liquid level measuring system is completed in this article. Sensing technologies of advanced optical fiber and principle of traditional power balance are adopted in the optical fiber liquid-level Meter. The liquid-level of oil can be measure real-time by this meter.T

6、he measured signal are changed to light pulses by magnetic force couple system and optics coder, and transmitted by light cable. Then the light signal is tuned into electrical signal by the light-electricity device. Especially the light signal is tuned into electrical signal , pulse signal is judged

7、 the direction by tne electric circurt and counted by the measure electric circuit are maked to explain in the article.The on-line detection with light and without electric power in the measuring field has been completed in the system. The excellent stability and anti-jamming capability may be provi

8、ded by it. Liquid-level signals is measured and transmitted as the mode of no- electricity in the system. The system is safety and flameproof.Key words：liquid level measurement，the optical fibre spreads a feeling machine，the light code dish，single chip microcomputer.II基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)目 錄第一章 緒論.11.1

9、光纖液位測(cè)量技術(shù)概況.21.2 國(guó)內(nèi)外液位傳感器的現(xiàn)狀.31.3傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用.51.4研究的基本方向和本論文的任務(wù).6第二章 總體方案的設(shè)計(jì).72.1系統(tǒng)原理的分析.72.2器件的選擇.82.3光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)的處理.13第三章 檢測(cè)電路設(shè)計(jì).153.1光電轉(zhuǎn)換及放大電路.153.2整形及方向判別電路.16第四章 信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì).204.1脈沖的計(jì)數(shù).204.2液位顯示部分.224.3轉(zhuǎn)換程序.25第五章 總 結(jié).285.1結(jié)論.285.2對(duì)該系統(tǒng)研究的展望.28 參考文獻(xiàn).29 致謝.30 附錄.31III基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)第一章 緒 論光纖是二十世紀(jì)人類(lèi)的一項(xiàng)重

10、要發(fā)明，它的出現(xiàn)對(duì)人類(lèi)進(jìn)入信息時(shí)代具有不可估量的作用。光纖的發(fā)明及發(fā)展與人們對(duì)通信系統(tǒng)不斷提高信息傳輸容量的要求有密切的關(guān)系。1966年，任職于英國(guó)國(guó)際電話(huà)電報(bào)公司的華裔科學(xué)家高餛博士，發(fā)表了一篇名為光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)的論文，開(kāi)創(chuàng)性地指出，可以用玻璃做光學(xué)纖維傳送訊號(hào)，從此開(kāi)始了光纖通信的革命。人們對(duì)光通信的需求極大地促進(jìn)了光纖的研究和生產(chǎn)，光纖的應(yīng)用也已不再局限于通信領(lǐng)域，光纖技術(shù)正滲透到許多領(lǐng)域中，如科學(xué)研究、工業(yè)控制、交通、能源、建筑以及軍事等等，其發(fā)展方興未艾，前景廣闊。1本章簡(jiǎn)要介紹光纖傳感、光纖光柵及其傳感技術(shù)的發(fā)展概況和應(yīng)用，液位測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，最后簡(jiǎn)要介紹本文的主要工作。

11、1.1液位測(cè)量技術(shù)概況液位傳感器是指檢測(cè)液體高度信息的儀器，液位測(cè)量技術(shù)在工程領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。在一般的生產(chǎn)工藝加工過(guò)程中，通常只需要對(duì)物料的表面位置進(jìn)行記錄和儲(chǔ)存，以作為確保生產(chǎn)工藝、安全等方面的需要。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，必須首先對(duì)液位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，以保證自動(dòng)化生產(chǎn)能夠自動(dòng)控制在最佳狀態(tài)。在現(xiàn)代化的企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行各種綜合控制與管理的普及，控制系統(tǒng)的智能化、統(tǒng)一化，要求測(cè)量的對(duì)象要廣、測(cè)量的精度要高、可靠性要好、實(shí)用性要強(qiáng)、且適用于特殊測(cè)量環(huán)境等，這些對(duì)液位測(cè)量技術(shù)也提出了更高的要求。尤其是當(dāng)液面具有波動(dòng)和存在氣泡，或液面高度隨時(shí)間改變的

12、動(dòng)態(tài)測(cè)量，或被測(cè)介質(zhì)具有粘滯性、導(dǎo)電性，或需要考慮容器的密封性以及介質(zhì)是否含有腐蝕物、毒性和易爆性等情況下，選擇合適的液位測(cè)量技術(shù)就顯得尤為重要。2目前國(guó)內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的液位測(cè)量方法有19種以上，主要有以下幾大類(lèi):1）機(jī)械浮子類(lèi)液位計(jì)測(cè)量原理是利用傳動(dòng)裝置把與液位同高度的浮子高度信息轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)或連續(xù)信號(hào)，轉(zhuǎn)換器是一些機(jī)械舌簧、磁鐵、電子或光電設(shè)備。此類(lèi)液位計(jì)可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，其問(wèn)題是積聚在傳動(dòng)機(jī)械臂上的污物(如水垢沉積)會(huì)限制浮子運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生故障。1基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)2）電子類(lèi)液位傳感器測(cè)量原理是把液位的變化轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)的變化，利用一定的測(cè)量電路將電參數(shù)檢測(cè)出來(lái)

13、，從而達(dá)到測(cè)量液位的目的。其中最常用且最成熟的是電容式液位傳感器。電容式液位計(jì)它是利用空氣和液體作電容器兩極極板間的電介質(zhì)，將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化，用電子學(xué)方法測(cè)量電容值，從而探測(cè)液體高度信息。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，而且量程廣，適合于測(cè)量各種介質(zhì)(導(dǎo)電介質(zhì)、非導(dǎo)電介質(zhì))的液位，但是要求液體具有相同、穩(wěn)定的介電常數(shù)，需要有溫度的補(bǔ)償。尤其用長(zhǎng)電纜連接時(shí)，對(duì)電纜中的干擾和寄生電容很敏感，精度較差，且對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)或粘性介質(zhì)，誤差較大、易受干擾，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。電阻式液位計(jì)探測(cè)器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻值大得多，通過(guò)電子學(xué)方法測(cè)量液體容器底部與頂部之間的電阻，從中可探知液位信息。其測(cè)量

14、精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染和沉積物，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出，在直流工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電解，響應(yīng)速度慢。3）熱學(xué)式液位計(jì)由熱敏電阻發(fā)出的信號(hào)可用來(lái)指示這類(lèi)元件是否浸在液體中。它結(jié)構(gòu)小，適用于圓筒容器、玻璃柱、管道等，但這種方法僅能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，而不能用于液位的連續(xù)測(cè)量。4）雷達(dá)液位傳感器雷達(dá)傳感器就是利用發(fā)射一反射一接收的原理來(lái)測(cè)量距離的，因此可用于有毒、有害的惡劣環(huán)境下。雷達(dá)液位傳感器的傳輸信號(hào)是一種特殊形式.的電磁波，其物理特性與可見(jiàn)光相似。雷達(dá)信號(hào)是否可以被反射取決于被測(cè)介質(zhì)的導(dǎo)電性和被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)兩個(gè)因素。所有導(dǎo)電介質(zhì)都能很好地反射雷達(dá)信號(hào)，導(dǎo)電性不太好的介質(zhì)也能被很準(zhǔn)確地測(cè)量。雷達(dá)

15、波不易受干擾，巨能穿透塑料容器或玻璃容器進(jìn)行測(cè)量，無(wú)需在容器上開(kāi)孔，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，即使在飛灰、粉塵強(qiáng)烈并有很強(qiáng)旋渦的環(huán)境下也能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。然而雷達(dá)傳感器的測(cè)量信號(hào)運(yùn)行時(shí)間極短，這給信號(hào)分析處理提出了極高的要求，造成它的價(jià)格昂貴、技術(shù)實(shí)施困難。5）超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器發(fā)展很快、應(yīng)用也很廣泛，常用于測(cè)量明渠液位及開(kāi)口容器內(nèi)液位。由超聲換能器發(fā)射的超聲脈沖經(jīng)空氣在被測(cè)介質(zhì)上反射，再返回接收換能器，測(cè)量該超聲脈沖往返時(shí)間，就能得到超聲換能器輻射面到被測(cè)液面的距離。根據(jù)換能器安裝高度，就能得出液位高度。但聲波傳播速度多受環(huán)境因素影 2基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)響，其測(cè)量信號(hào)的可

16、靠性較差，誤差較大，校正補(bǔ)償復(fù)雜。6）同位素/放射性液位傳感器它是利用放射性同位素射線(xiàn)(如a射線(xiàn)、p射線(xiàn)、Y射線(xiàn))的穿透和反射能力，當(dāng)a射線(xiàn)、p射線(xiàn)、Y射線(xiàn)到達(dá)被測(cè)液體時(shí)，通過(guò)檢測(cè)其透射或反射射線(xiàn)信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)達(dá)到測(cè)量液位的目的。射線(xiàn)的強(qiáng)度會(huì)隨液位的高度變化而變化，在放射線(xiàn)輻射源與檢測(cè)器之間有吸收物質(zhì)時(shí)，檢測(cè)器的輸出與液位的高度有關(guān)，通過(guò)對(duì)被測(cè)物質(zhì)吸收能量大小的檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，即可得出被測(cè)液位的高度。由于放射性射線(xiàn)本身的特點(diǎn)所決定，它可以用于腐蝕性、有毒性、大粘性和易燃易爆的場(chǎng)合。而且介質(zhì)對(duì)丫射線(xiàn)的吸收只與介質(zhì)密度有關(guān)，因此它可以測(cè)量不同密度的液體分界面、氣體與固體或液體與固體的分界面。但

17、射線(xiàn)易受到衰減，檢測(cè)信息的能量易于損失，測(cè)量精確度不理想，有輻射作用，對(duì)人體有害等。7）液壓類(lèi)液位計(jì)此類(lèi)液位計(jì)可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。氣泡式液位計(jì)將被測(cè)液位值轉(zhuǎn)換為空氣壓力值，測(cè)定該壓力值后，利用該被測(cè)壓力與液位高度成正比的原理測(cè)量液位。壓力式傳感器它是利用液面高度變化時(shí)容器底部或側(cè)面某點(diǎn)上的壓力也隨之而變化的原理來(lái)設(shè)計(jì)的。在測(cè)量開(kāi)放的容器時(shí)，大多采用直接測(cè)量底部某點(diǎn)壓力來(lái)測(cè)量。這類(lèi)液位傳感器的精度主要受到壓力表精度的限制，同時(shí)還要求被測(cè)液體的密度是已知的，而且要求液體的密度要恒定不變。8）光學(xué)液位計(jì)光學(xué)液位計(jì)主要是光纖液位傳感器，它結(jié)合了光纖作為敏感器件的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)全光

18、無(wú)電，安全性能好，同時(shí)調(diào)制方法多種多樣，是一種新型的液位傳感器。3光學(xué)液位計(jì)，它利用浮子的磁耦合原理來(lái)設(shè)計(jì)，經(jīng)光碼盤(pán)對(duì)光纖的檢測(cè)，再經(jīng)由放大整形電路，以及光電轉(zhuǎn)換來(lái)形成規(guī)則的脈沖信號(hào)，最后由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)液位顯示。本文主要采用這個(gè)方案來(lái)設(shè)計(jì)。此方案設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，測(cè)量精度比較高，也非常適合目前我國(guó)的生產(chǎn)力狀況。1.2國(guó)內(nèi)外液位傳感器的現(xiàn)狀對(duì)于液位測(cè)量傳感器的研究，國(guó)外的液位測(cè)量技術(shù)起步較早且投入資金雄厚，發(fā)展非常迅速。到目前為止國(guó)外許多公司都研制出很多功能齊全、自動(dòng)化智能程度高、精度高的測(cè)量體系與產(chǎn)品系列。如美國(guó)DREXELBROOK公司研制的 3基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)Universa

19、ll II TM連續(xù)液位變送器(其精度可達(dá)0.1，量程最大15米，4-20mA電流輸出，上下限位報(bào)警，疊加智能通訊協(xié)議HART, Honeywell等)。美國(guó) Milltronics公司研制的多量程超聲波液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量液位、液位差的能力，其采用的非接觸式超聲波傳感器，可監(jiān)視30cm到14m范圍的液位變化。典型的產(chǎn)品還有美國(guó)Foxboro公司、Texas儀器公司、Varec公司、Rosemount公司以及Moore公司生產(chǎn)的HTG靜壓式計(jì)量系統(tǒng)，所用傳感單元是高精度的壓力變送器，將其放在油罐的底部，通過(guò)檢測(cè)液體的壓力獲得其它參數(shù)的信息。還有其它國(guó)家和公司研制的液位傳感器等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工

20、業(yè)、食品等行業(yè)，并大量地進(jìn)入我國(guó)液位測(cè)量領(lǐng)域4。在我國(guó)，液位傳感器的研制開(kāi)發(fā)技術(shù)比較落后，在液位測(cè)量技術(shù)、測(cè)量方法上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其它發(fā)達(dá)國(guó)家。對(duì)于新型的光纖液位傳感器，1990年國(guó)內(nèi)公開(kāi)了一項(xiàng)傳感器專(zhuān)利，是一種浮子式光電型編碼帶液位計(jì)，它利用與浮子同步運(yùn)動(dòng)的一條絕對(duì)式光電型編碼帶和透射式光纖信號(hào)檢測(cè)頭作為檢測(cè)液位高度的傳感器。1991年南京航空學(xué)院研制的一種光纖液位傳感器，是利用光纖構(gòu)成的一種小型化開(kāi)關(guān)式傳感器。2004年清華大學(xué)光纖傳感中心與總后合作研制開(kāi)發(fā)的光纖油罐液位與溫度測(cè)量系統(tǒng)，己經(jīng)安裝運(yùn)行。從總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)研制的測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度不高，精度、可靠性、功能等多方面都不如國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品

21、，這都不能滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用光纖作為傳感材料的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，隨著光纖在通訊技術(shù)中的不斷應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且當(dāng)光波在光纖中傳播時(shí)，表征光波特征的參量，如相位、振幅、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等會(huì)因外界因素如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、位移等的作用，直接或間接的發(fā)生改變，因此可以將光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種待測(cè)量(物理量、化學(xué)量和生物量等)，這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感技術(shù)一問(wèn)世就受到極大重視，在眾多領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導(dǎo)，推動(dòng)著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。光纖傳感器最早出現(xiàn)于1977年美國(guó)海軍研究所(NRL)執(zhí)行的光纖傳感器系

22、統(tǒng) (FOSS)計(jì)劃。此后，光纖傳感器和光纖傳感技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展1980年，美國(guó)開(kāi)始研制現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)，此計(jì)劃是采用光纖譯碼的光纖傳感器系統(tǒng)替代直升機(jī)駕駛員的控制。另外，其對(duì)光纖陀螺儀的研制也取得巨大的成果。美國(guó)也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國(guó)家，如應(yīng)用光纖傳感器監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測(cè)橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化，檢測(cè)肉 4基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)類(lèi)和食品的細(xì)菌和病毒等。日本和西歐各國(guó)也高度重視并投入大量經(jīng)費(fèi)開(kāi)展光纖傳感器的研究與開(kāi)發(fā)。日本在八十年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)劃”，90年代，由東芝、日本電氣等15家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開(kāi)發(fā)出1

23、2種具有一流水平的民用光纖傳感器，其產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上具有廣闊發(fā)展前景。西歐各國(guó)的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究、開(kāi)發(fā)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，其中包括英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)電訊公司、法國(guó)的湯姆遜公司和德國(guó)的西門(mén)子公司等。5我國(guó)光纖傳感器的研究工作開(kāi)展得較晚。從1983年國(guó)家科技新技術(shù)局在杭州召開(kāi)的第一次光纖傳感器全國(guó)性會(huì)議的二十余年間，我國(guó)己經(jīng)有上百家單位在光纖傳感器這一領(lǐng)域開(kāi)展工作。從“七五”規(guī)劃中，國(guó)家電子部提出并成功開(kāi)展的12項(xiàng)光纖傳感器項(xiàng)目，到國(guó)家科委在“八五”攻關(guān)項(xiàng)目中開(kāi)展的光纖傳感器項(xiàng)目，再到國(guó)防科工委“十五”國(guó)防預(yù)研的光纖傳感器項(xiàng)目等，這些項(xiàng)目的成功完成使中國(guó)的光纖傳感器研究水平達(dá)到一個(gè)新的高

24、度。目前，我國(guó)的光纖傳感器研究大多數(shù)集中于大專(zhuān)院校和科研單位，仍然未完成由實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)品化的過(guò)渡。光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器和分布式光纖溫度傳感器是光纖傳感研發(fā)水平的代表產(chǎn)品，這幾種光纖傳感器我國(guó)要落后10年。3作為被測(cè)量信號(hào)載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)。與傳統(tǒng)的機(jī)械、電子傳感器相比較，光纖傳感器具有下列優(yōu)點(diǎn): (1)靈敏度高。(2)抗電磁干擾，電絕緣性好。(3)工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大。(4)耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定。(5)安全性能好。(6)傳輸損耗小，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。(7)測(cè)量范圍廣，可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)力、應(yīng)變、電壓、電流、液位等物理量。(8)適合于易燃、易爆、空間

25、受?chē)?yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。 目前，從文獻(xiàn)資料中可以看到光纖傳感器的研究有如下的發(fā)展趨勢(shì) (1)繼續(xù)深入研究傳感器的理論和技術(shù)，解決實(shí)用化問(wèn)題，探索新原理、新技術(shù)的光纖傳感器。隨著光纖傳感器基本原理的研究日益深入，強(qiáng)度、相位調(diào)制的傳感器更趨完善，而對(duì)波長(zhǎng)調(diào)制傳感器如光纖光柵傳感器的研究則更加深入。傳感器用于實(shí)際測(cè)量的主要問(wèn)題是長(zhǎng)時(shí)間漂移效應(yīng)，人們對(duì)此進(jìn)行了深入研究，提出了許多解決辦法。漂移效應(yīng)來(lái)自光纖傳輸線(xiàn)路的衰減、禍合器等無(wú)源器 5基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)件特性不完善、光源輸出不穩(wěn)定及探測(cè)器的響應(yīng)等。為了從技術(shù)上解決漂移問(wèn)題，國(guó)外對(duì)光纖傳感頭的固有調(diào)制形式進(jìn)行了研究。例

26、如，采用參考光路引入?yún)⒖夹盘?hào)可解決由于光學(xué)結(jié)構(gòu)的漂移特性對(duì)測(cè)量的影響，對(duì)于不同調(diào)制方法的傳感器有著不同的參考光路。多樣化的補(bǔ)償技術(shù)，使光纖傳感器能夠獲得長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性，這樣，就可以使光纖傳感器實(shí)用化。(2)對(duì)波分復(fù)用、時(shí)分多路復(fù)用光纖傳感器陣列的研究，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、多變量同時(shí)測(cè)量的智能化遙測(cè)，是發(fā)展的重點(diǎn)。單一光纖傳感器的研究已進(jìn)入到實(shí)用化階段，但它無(wú)法適用于多參數(shù)、多變量的測(cè)量。近年來(lái)，光纖智能結(jié)構(gòu)、光纖埋覆技術(shù)、波長(zhǎng)編碼信息解調(diào)以及單一光纖的陣列多功能檢測(cè)是傳感系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。(3)深入研究檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)的目的是把光纖傳感器的輸出光信號(hào)轉(zhuǎn)換為正比信號(hào)場(chǎng)變化的一個(gè)電信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度調(diào)制

27、型傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單。相位、偏振和波長(zhǎng)調(diào)制型的傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常將工作參量轉(zhuǎn)換光強(qiáng)度再進(jìn)行檢測(cè)。新型的光纖光柵傳感器，由于其工作參量的變化更加微小，帶來(lái)了更高復(fù)雜度的檢測(cè)系統(tǒng)。1.4研究的基本方向和本論文的任務(wù)綜上所述，為了更好的滿(mǎn)足石化行業(yè)生產(chǎn)和管理的需要，促進(jìn)油庫(kù)管理中的生產(chǎn)和安全問(wèn)題，本文提出利用浮子的光纖液位傳感本質(zhì)防爆等的一系列優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)和研究基于光線(xiàn)傳感技術(shù)的油庫(kù)區(qū)液位檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)監(jiān)測(cè)油面的液位高度，而且具有適時(shí)性、可靠性、安全性、準(zhǔn)確性、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn).因此,采用光纖傳感器作為本系統(tǒng)的測(cè)量子系統(tǒng)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。研制和開(kāi)發(fā)基于光纖傳感技術(shù)的儲(chǔ)油液位檢測(cè)功能的油

28、罐庫(kù)區(qū)自動(dòng)付油管理系統(tǒng)也顯得非常必要。其測(cè)量原理是:被測(cè)液位變化帶動(dòng)光碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng),對(duì)兩路光纖探頭分別發(fā)出的兩束紅外光進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制后的兩組光脈沖信號(hào)沿光纜傳輸給二次儀表。通過(guò)測(cè)量脈沖數(shù)即可測(cè)出液位高度,而檢測(cè)兩路脈沖的相位即可判斷液位是增加還是減少6 。其測(cè)量精度達(dá)到±2mm 。本文主要完成以幾點(diǎn)工作：1）檢測(cè)電路硬件的設(shè)計(jì)：完成檢測(cè)所需光電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及探測(cè)機(jī)理的分析；2）顯示電路硬件的設(shè)計(jì)：完成以單片機(jī)等為核心的信號(hào)處理及顯示硬件電路的設(shè)計(jì)；3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言完成相關(guān)信號(hào)處理運(yùn)算等軟件的設(shè)計(jì)。6基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)第二章 總體方案的設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)原理的

29、分析本設(shè)計(jì)包括磁浮子液位跟蹤與力平衡等傳感器機(jī)械系統(tǒng)、光電信號(hào)處理及顯示電路，微機(jī)接口電路等。7其中浮子液位計(jì)是利用磁耦合原理，通過(guò)浮子里的磁鐵和由不銹鋼做成的管子里的磁鐵相互作用，由油面液位的升降帶動(dòng)浮子的升降，進(jìn)而帶動(dòng)光碼盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)光脈沖信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換電路則是將光碼盤(pán)產(chǎn)生的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便能成為單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)。主要用光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器來(lái)完成。在得到電信號(hào)后，由于各種原因，如信號(hào)比較微弱，或者很不規(guī)則，致使單片機(jī)無(wú)法讀數(shù)。所以這里采用防放大整形電路。使信號(hào)成為規(guī)則的矩形波，脈沖強(qiáng)度也能在單片機(jī)中讀出來(lái)。由于液位有上升，有下降，因此得到的電信號(hào)也應(yīng)該有正反向。這里采用了光電編

30、碼其作為判向電路。這是本文設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)之一。具體設(shè)計(jì)思路和原理將在下面會(huì)闡述。有了正反脈沖信號(hào)作基礎(chǔ)，最后的任務(wù)就是通過(guò)數(shù)碼管把液位的高度顯示出來(lái)。這是最后也是最關(guān)鍵的一步。在第四章中會(huì)具體講述。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖如下2-1所示該系統(tǒng)的測(cè)量原理是利用力平衡原理和先進(jìn)的光傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位檢測(cè)。油罐液位上、下變化時(shí)，跟蹤液位變化的浮球帶動(dòng)與重錘和繩索連接的精確計(jì)量變徑輪旋轉(zhuǎn)。通過(guò)磁力耦合帶動(dòng)光學(xué)編碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，光學(xué)編碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度和方向 7基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)表示出液位變化的高度和變化方向（升或降）。其原理圖如下2-2所示1測(cè)量浮球 2測(cè)量鋼絲繩 3重錘 4重錘鋼絲繩5光纖傳感器

31、6光纖 7光電變送器 8二次儀表9電源圖2-2 光線(xiàn)液位檢測(cè)原理圖22器件的選擇2.2.1浮子的選擇浮子式液位計(jì)的理論基礎(chǔ)是阿基米德定理，即浸于液體中的物體所受的液體浮力等于該物體所排出的同體積液體的重量。磁耦合浮子的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。8基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)圖2-3 浮子結(jié)構(gòu)圖圖中1為起密封作用的非導(dǎo)磁的隔離鋼管，并作為不銹鋼浮子上下運(yùn)動(dòng)的滑道，2為管內(nèi)的圓柱形磁鐵，與纏繞在傳感卷筒上的鋼索相連，3為不銹鋼浮子，4為浮子內(nèi)的圓環(huán)形耦合磁鐵。在磁力作用下，磁鐵2與磁鐵4始終保持一定的相對(duì)位置，浮子隨著液位變化而上下滑動(dòng)，浮子上的磁鐵吸引著管內(nèi)的磁鐵，使管內(nèi)的磁鐵也上下移動(dòng)，這樣，

32、就將浮子隨液位變化而產(chǎn)生的位移傳遞出去，通過(guò)繞在卷筒上的鋼索及平衡錘的作用，帶動(dòng)卷筒隨液位的升降而正反轉(zhuǎn)動(dòng)。如果在平衡錘上制作刻線(xiàn)，便可在為其導(dǎo)向的鋼管窗口的標(biāo)尺上直接讀出液位的高低，此時(shí)，垂直標(biāo)尺的液位刻度正好與液位的實(shí)際高低相反，即刻線(xiàn)指到下部時(shí)，正好液位是在高處；傳感卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)同軸的光碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，使得分別正對(duì)光碼盤(pán)兩圈孔的兩組光纖產(chǎn)生光脈沖信號(hào)輸出，從而使液位與光脈沖建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。耐腐蝕的不銹鋼浮子和隔離管子結(jié)合可以應(yīng)用于很多的檢測(cè)場(chǎng)合，尤其應(yīng)用于密閉容器，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，即密閉方式簡(jiǎn)單和密閉效果可靠，而且檢修傳感器時(shí)，只要浮子和管子不壞，傳感器的其它所有部件都可方便地從管頂卸

33、下，而不致影響工藝設(shè)備的密封，也不影響生產(chǎn)的進(jìn)行。2.2.2光纖傳感器光纖傳感器構(gòu)成儀器的核心部分。它主要由磁輪、光學(xué)編碼盤(pán)和光纖探頭組成。光學(xué)編碼盤(pán)是一個(gè)沿圓周編有信息碼的薄盤(pán)。材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，8它與磁輪同軸，密封在光盤(pán)室中，完全與外界隔離。光纖探頭示意圖如圖。9基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)1 入射光 2.回射光 3.光碼盤(pán)圖2-4 光線(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)圖由入射光經(jīng)透鏡聚焦后變?yōu)槠叫泄猓缓笤俳?jīng)光學(xué)編碼盤(pán)另側(cè)一個(gè)透鏡聚焦耦合進(jìn)入回光光纖內(nèi)。當(dāng)光學(xué)編碼盤(pán)在二透鏡中間旋轉(zhuǎn)時(shí)，即可調(diào)制回光信號(hào)。當(dāng)被測(cè)液面變化時(shí)，光學(xué)編碼盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，兩光纖探頭分別發(fā)出的兩束紅外光被調(diào)制，調(diào)制后的兩組光信

34、號(hào)通過(guò)光纜傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器和二次儀表。之所以采用兩路光纖探頭，是因?yàn)椴粌H要記錄被測(cè)液位變化的大小，而且要判斷液位變化的方向。下圖給出了光纖探頭與光學(xué)編碼盤(pán)相互位置示意圖。9圖2-5 光線(xiàn)探頭位置示意圖10基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)當(dāng)光學(xué)編碼盤(pán)如圖順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A、B 光纖探頭的信號(hào)變化遵循“A 探頭先有光，B 探頭后有光；A、B探頭同時(shí)有光；A 探頭先無(wú)光，B 探頭后無(wú)光；A、B 探頭同時(shí)無(wú)光”的規(guī)律進(jìn)行。當(dāng)光學(xué)編碼盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則A、B 探頭的信號(hào)變化則遵循“B 探頭先無(wú)光，A 探頭后無(wú)光；B、A 探頭同時(shí)無(wú)光；B探頭先有光，A 探頭后有光；B、A 探頭同時(shí)有光”的規(guī)律進(jìn)行。這樣將被

35、測(cè)液位的變化轉(zhuǎn)變成光脈沖信號(hào)。經(jīng)光纖傳感器產(chǎn)生的調(diào)制回光脈沖見(jiàn)圖。圖中Ip表示光脈沖強(qiáng)度。圖2-6 A,B脈沖示意圖2.2.3 光碼盤(pán)數(shù)值設(shè)計(jì)在盤(pán)上等角距開(kāi)有兩圈小孔，內(nèi)外相鄰兩孔的孔距錯(cuò)開(kāi)半個(gè)孔寬，這樣設(shè)計(jì)的目的是使兩個(gè)輸出信號(hào)的相位差90o。使用兩個(gè)輸出信號(hào)是為了判斷光碼盤(pán)的轉(zhuǎn)角大小與轉(zhuǎn)動(dòng)方向，亦即液位的升降變化。設(shè)計(jì)中適當(dāng)?shù)卦龃蠊獯a盤(pán)的直徑、增加光碼盤(pán)的小孔數(shù)可以相應(yīng)地提高測(cè)量精度，因?yàn)楫?dāng)傳感卷筒的直徑一定時(shí)，光碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，對(duì)應(yīng)的液位升降保持不變，而對(duì)應(yīng)的光脈沖數(shù)增加了，相應(yīng)地測(cè)量精度也就提高了。11基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)圖2-7 光碼盤(pán)2.2.4 傳感卷筒的設(shè)計(jì)傳感卷筒

36、的設(shè)計(jì)也是從測(cè)量的精度和靈敏度方面考慮的。從公式 k=2r/n。中可以看出，縮小傳感卷筒的半徑可以相應(yīng)地提高靈敏度，但是，如果傳感卷筒的半徑設(shè)計(jì)得太小，將會(huì)帶來(lái)別的問(wèn)題，因?yàn)槠浒霃奖容^小時(shí)，依力矩平衡原理，不易于帶動(dòng)光碼盤(pán)隨液位的升降而旋轉(zhuǎn)，而且會(huì)出現(xiàn)鋼索疊繞的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)取k=2，則液位變化2mm產(chǎn)生一個(gè)光脈沖，即液位檢測(cè)信號(hào)的分辨率為2mm。圖2-8 傳感卷筒12基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)2.2.5 平衡卷筒的設(shè)計(jì)平衡卷筒的設(shè)計(jì)主要從機(jī)械方面進(jìn)行考慮，使它能平衡光碼盤(pán)和傳感卷筒跟蹤液位進(jìn)行測(cè)量。為此把它設(shè)計(jì)成與傳感卷筒相仿，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2-9所示：圖2-9 平衡卷筒2.3光電轉(zhuǎn)換

37、器及信號(hào)的處理2.3.1光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及信號(hào)的處理光電轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)的光纖液位計(jì)的光纖傳感器通過(guò)四芯鎧裝光纜相連。其中兩芯用來(lái)傳送紅外發(fā)光二極管LED發(fā)出的連續(xù)穩(wěn)定的光分別給A、B探頭。另外兩芯用來(lái)傳送光纖傳感器輸出的光脈沖回到光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器將光纖傳來(lái)的光脈沖信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變成標(biāo)準(zhǔn)的CMOS. 電壓信號(hào)再給二次儀表。送入二次儀表的液位信號(hào)經(jīng)過(guò)整形和放大處理后，送入單片微型計(jì)算機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)通過(guò)可逆判向、計(jì)數(shù)等處理，由LED顯示液位值。二次儀表還可設(shè)有極限聲光報(bào)警、液位鎖定功能等，同時(shí)，還可通過(guò)RS-232C接口與上位機(jī)通信,實(shí)現(xiàn)罐區(qū)管理與監(jiān)控。信號(hào)處理的功能框圖如圖2-10所示。11 1

38、213基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)圖2-10 信號(hào)處理功能圖14基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)第三章 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.1光電轉(zhuǎn)換及放大電路3.1.1光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路主要是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，由光電管來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此可以在單片機(jī)中加以識(shí)別及顯示。其原理總框圖如下圖3-1所示圖3-1 光電轉(zhuǎn)換遠(yuǎn)離框圖3.1.2放大電路由于經(jīng)光電管輸出采集到的信號(hào)可能比較小，因此在輸出信號(hào)后面加一個(gè)放大電路，由此可把信號(hào)經(jīng)放大再輸入到單片機(jī)，保證單片機(jī)能識(shí)別，可避免由于沒(méi)法識(shí)別而造成的誤差。由于采集到的信號(hào)是幅值約為2V的方波電壓,單片機(jī)無(wú)法對(duì)脈沖高電平進(jìn)行記數(shù),為此這里采用一個(gè)T型放大電路,主要為

39、了用低值電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓增益。13放大電路可采用如圖3-2所示。取R1=R2=R3=5k,R4=12.5k。則得到的增益為(公式31):VoR2+R3+R2R3R45k+5k+5k×5k.5k=2.4 (3-1) ViR15k由此得到的輸出信號(hào)大約在0-4.8V跳變，能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 15基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)圖3-2 放大電路3.2整形及方向判別電路3.2.1整形電路由放大器出來(lái)的脈沖信號(hào)可能不是規(guī)則的矩形波，所以可以在放大電路和后面講到的方向判別電路之間加上一個(gè)整形電路。該整形電路可以用施密特觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)得到規(guī)則的矩形波。由此可以方便單片機(jī)中對(duì)脈沖的計(jì)數(shù).其

40、電路圖如下圖3-3.圖3-3 整形電路16基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)3.2.2光電編碼器及判向電路在位置控制系統(tǒng)中,為了提高控制精度,準(zhǔn)確測(cè)量控制對(duì)象的位置是十分重要的。目前,檢測(cè)位置的方法有兩種。一種方法是使用位置傳感器,測(cè)量到的位移量由變送器經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送至系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。此方法雖然檢測(cè)精度高,但在多路、長(zhǎng)距離位置監(jiān)控系統(tǒng)中,由于其成本昂貴、安裝困難,因此并不適用。另一種方法是使用光電編碼器。光電編碼器是高精度控制系統(tǒng)常用的位移檢測(cè)傳感器。當(dāng)控制對(duì)象發(fā)生位置變化時(shí),光電編碼器便會(huì)發(fā)出A、B 兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號(hào)。正轉(zhuǎn)時(shí)A 超前B 為90

41、6;,反轉(zhuǎn)時(shí)B 超前A 為90°。脈沖的個(gè)數(shù)與位移量成比例關(guān)系,因此,通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)就能計(jì)算出相應(yīng)的位移。該方法不僅使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確,而且成本較低,測(cè)量位移時(shí)經(jīng)常采用這種位置測(cè)量方法。使用光電編碼器測(cè)量位移,準(zhǔn)確無(wú)誤的計(jì)數(shù)起著決定性作用。由于在位置控制系統(tǒng)中,光碼盤(pán)既可以正轉(zhuǎn),又可以反轉(zhuǎn),所以要求計(jì)數(shù)器既能實(shí)現(xiàn)加計(jì)數(shù),又能實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。相應(yīng)的計(jì)數(shù)方法可以用軟件實(shí)現(xiàn),也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。使用軟件方式對(duì)光電編碼器的脈沖進(jìn)行方向判別和計(jì)數(shù)降低了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性,尤其當(dāng)使用光電編碼器的數(shù)量較多時(shí),且其可靠性也不及硬件電路。但其外圍電路比較簡(jiǎn)單,所以在計(jì)數(shù)頻率不高的情況下,使用軟件計(jì)數(shù)仍有一定的

42、優(yōu)勢(shì)。對(duì)編碼器中輸出的兩路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)主要分兩個(gè)步驟:首先要對(duì)編碼器輸出的兩路脈沖進(jìn)行鑒相,即判別光碼盤(pán)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn);其次是進(jìn)行加減計(jì)數(shù),正轉(zhuǎn)時(shí)加計(jì)數(shù),反轉(zhuǎn)時(shí)減計(jì)數(shù)。光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式，通常使用的是增量型，它的使用原理是：它有相差90的A相和B相二個(gè)輸出信號(hào)。從二個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判別移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，圖3-4是方向判別的基本電路給出了光電編碼器實(shí)際使用的鑒相電路，該電路用1 個(gè)D 觸發(fā)器和2 個(gè)與非門(mén)組成,當(dāng)光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí), A 相超前B 相90°,D 觸發(fā)器輸出Q(W1) 為高電平,Q(W2) 為低電平,與非門(mén)N1 打開(kāi), 計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)(W3

43、) 輸出。此時(shí),與非門(mén)N2 關(guān)閉,其輸出為高電平(W4) 。當(dāng)光電編碼器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí), A 相比B 相延遲90°,D 觸發(fā)器出Q(W1) 為低電平,Q(W2) 為高電平,與非門(mén)N1 關(guān)閉,其輸出為高電平(W3) ;此時(shí),與非門(mén)N2 打開(kāi),計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)(W4)輸出。14圖3-4作為實(shí)際使用的電路，該電路的缺點(diǎn)是有時(shí)會(huì)誤記脈沖造成誤差。例如 ，在A、B通道的一方處于“H”或“L”狀態(tài)（即處于照光或遮光狀態(tài)），而另一通道信號(hào)在“H”和“L”電平間往復(fù)地變化，此時(shí)雖未發(fā)生編碼器（光碼盤(pán)）o 17基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)沿某一方真正意義的角位移，但會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)檢出脈沖。這現(xiàn)象往往出現(xiàn)在

44、當(dāng)移動(dòng)方向發(fā)生變化和靜止時(shí)的振動(dòng)以及手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)位置等場(chǎng)合。圖3-7示出基本電路發(fā)生誤計(jì)數(shù)時(shí)的時(shí)間關(guān)系，示出編碼器從逆方向移動(dòng)停止順?lè)较蛞苿?dòng)的波形。但在停止位置近旁，B通道為“H”狀態(tài)，A通發(fā)生“H”和“L”轉(zhuǎn)換的振動(dòng)。這時(shí)A通道的H和L是同一點(diǎn)，還是連續(xù)地產(chǎn)生“向下”脈沖，好比是反方向移動(dòng)狀態(tài)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)軟件來(lái)解決。圖3-4判向電路圖3-5 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)各管腳波形圖18基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)圖3-6 逆方向旋轉(zhuǎn)個(gè)管腳波形圖其A和B通道產(chǎn)生的光脈沖如下圖3-7所示圖3-7脈沖波形示意圖19基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)第四章 信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由上一章我們知道，在得到了我們想要

45、的脈沖波形后，接下來(lái)要解決的問(wèn)題就是如何脈沖計(jì)數(shù)以及通過(guò)單片機(jī)顯示油面液位的高度。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常工作于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，用于各種檢測(cè)或控制。在實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能、盡量降低成本之外，還要強(qiáng)調(diào)以下幾項(xiàng)性能要求。1.可靠性高2.適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境3.具有完善的輸入/輸出通道和實(shí)時(shí)控制能力4.易于操作和維護(hù)5.具有一定的可擴(kuò)展性4.1脈沖的計(jì)數(shù)4.1.1 用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)方法很多，有純軟件計(jì)數(shù)，用外接計(jì)數(shù)芯片計(jì)數(shù)。也能用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)計(jì)數(shù)。但是用純軟件計(jì)數(shù)雖然電路簡(jiǎn)單,但是計(jì)數(shù)速度慢,難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求,而且容易出錯(cuò)；用外接加減計(jì)數(shù)芯片的方法,雖然速度快,但硬件電路復(fù)雜。所以本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部

46、的計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)加減計(jì)數(shù)。單片機(jī)8051 片內(nèi)有2 個(gè)16 位定時(shí)器(定時(shí)器0 和定時(shí)器1) ,單片機(jī)8052還有一個(gè)定時(shí)器(定時(shí)器2) ,這3 個(gè)定時(shí)器都可以作為計(jì)數(shù)器使用。但單片機(jī)8051 內(nèi)部的計(jì)數(shù)器是加1 計(jì)數(shù)器,所以不能直接應(yīng)用,必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)能浖幊虂?lái)實(shí)現(xiàn)其“減”計(jì)數(shù)功能。15這里把經(jīng)過(guò)判向電路之后的脈沖即方向控制脈沖(DIR) W3接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0端,另外一個(gè)方向控制脈沖W4接到另一個(gè)計(jì)數(shù)器T1端 ,相對(duì)外部計(jì)數(shù)芯片來(lái)說(shuō),使用這種方法時(shí)電路相對(duì)要簡(jiǎn)單得多。系統(tǒng)工作時(shí),當(dāng)光碼盤(pán)正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生正向脈沖W3，把W3輸入計(jì)數(shù)器T0，給脈沖計(jì)數(shù)；當(dāng)光碼盤(pán)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反向脈沖W4，把W4輸入計(jì)

47、數(shù)器T1，給脈沖計(jì)數(shù)。這里實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)功能主要是通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于光碼盤(pán)只能產(chǎn)生一路脈沖，所以當(dāng)反向脈沖輸入時(shí)，正向脈沖輸入為0，因此只要把正向脈沖減反向脈沖的個(gè)數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)的功能。16下面是軟件編程思路(在C 語(yǔ)言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能) 。計(jì)數(shù)程序流程圖如下：20基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)圖4-1 計(jì)數(shù)流程圖主程序流程圖如下：計(jì)數(shù)程序如下：void service-int0( )21基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì) TR0 = 0 ;/ / 停止計(jì)數(shù)TH0 = 0 ;TL0 = 0 ;/ / 把計(jì)數(shù)器0賦初始值,TR0 = 1 ;/ / 開(kāi)始計(jì)數(shù)void service-i

48、nt1( ) TR1 = 0 ;/ / 停止計(jì)數(shù)TH1 = 0 ;TL1 = 0 ;/ /把計(jì)數(shù)器1賦初始值TR1 = 1 ;/ / 開(kāi)始計(jì)數(shù)void shuju_test() delay(500);DATE1=TH0*256+TL0;DATE2=TH1*256+TL1;yewei=(DATE1-DATE2)*2 ; / /實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)主程序如下：#include<stdio.h>#include<reg51.h>int code zxm=0xc0,0x0f9,0x0a4,0xb0,0x099,0x092, 0x082,0x0f8,0x80,0x90 ;/ /字型碼表格i

49、nt yewei;int DATE1=0;int DATE2=0;int wanwei;int qianwei;int baiwei;int shiwei;int gewei;void shuju_test();void service-int1();void service-int0();void shuju_test();22基于光纖的液位檢測(cè)及其顯示電路設(shè)計(jì)void BCDzhuanhuan();void display();void delay();void main()TMOD = 0X55 ;/ / T0,T1 為16 位計(jì)數(shù)方式service-int0();service-int

50、1();while(1)shuju_test();/ /調(diào)用數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)BCDzhuanhuan();/ /調(diào)用轉(zhuǎn)換程序display();/ /調(diào)用顯示程序此方法采用中斷的形式進(jìn)行計(jì)數(shù),硬件電路比較簡(jiǎn)單,程序也不復(fù)雜,執(zhí)行速度較快。4.2液位的顯示在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 常用的顯示器有:發(fā)光二極管顯示器,簡(jiǎn)稱(chēng)LED;液晶顯示器,簡(jiǎn)稱(chēng)LCD;熒光管顯示器.近年來(lái)也開(kāi)始使用簡(jiǎn)易的CRT顯示一些漢字及圖形.前三種顯示器都有兩種顯示結(jié)構(gòu):段顯示和點(diǎn)陣顯示.而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示,此外還有共陽(yáng)極和陰極之分17。發(fā)光二極管是由半導(dǎo)體發(fā)光材料做成的PN結(jié),只要在發(fā)光二極管兩端通過(guò)正向電流5至