傳感器設(shè)計(jì)方案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 利用傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 目錄內(nèi)容摘要.I一、前言.1（一）概述.1（二）發(fā)展趨勢(shì).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(shí)現(xiàn)方式.21、簡(jiǎn)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(jì).3（一） 硬件設(shè)計(jì) .3（二）軟件設(shè)計(jì).7 1、液位控制系統(tǒng)模型框圖.7四、 設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比.7五、 總結(jié).7內(nèi)容摘要技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開(kāi)發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過(guò)程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開(kāi)傳感器,因此,許多國(guó)家對(duì)傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,

2、如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的檢測(cè)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(gè)重要參數(shù)，其測(cè)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(guò)程控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要的研究方向。液位控制是工業(yè)中常見(jiàn)的過(guò)程控制，它對(duì)生產(chǎn)的影響不容忽視。該系統(tǒng)利用了常見(jiàn)的芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了液位控制系統(tǒng)的智能性及顯示功能。電路組成簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，性價(jià)比高，抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，能較好的實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)與控制的功能。能夠廣泛的應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)所。在本設(shè)計(jì)中較好的實(shí)現(xiàn)了水位監(jiān)測(cè)與控制的功能。液位控

3、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(duì)某控制對(duì)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)到所要求的控制精度。本文將利用兩種傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng),并研究其可行性及優(yōu)缺點(diǎn).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(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開(kāi)發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過(guò)程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開(kāi)傳感器,因此,許多國(guó)家對(duì)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(jì)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(cè)量液體與氣體的

4、壓強(qiáng)的傳感器。壓力傳感器工作時(shí)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。超聲波是一種超出人類聽(tīng)覺(jué)極限的聲波即其振動(dòng)頻率高于20 kHz的機(jī)械波。超聲波傳感器在工作的時(shí)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開(kāi)始預(yù)設(shè)定值做比較

5、，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開(kāi)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(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)啟繼電器，控制水泵開(kāi)始上水。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時(shí)，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(hào)后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為05

6、0;V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過(guò)鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。超聲波傳感器液位控制系統(tǒng)，是通過(guò)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(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(guò)鍵盤設(shè)置。此方案選擇單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)鍵盤輸入設(shè)定水位值。超聲波測(cè)距顯示出水位數(shù)值，所測(cè)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(dòng)電機(jī)

7、向水箱注水到設(shè)定值，如果水位低于2厘米，報(bào)警器報(bào)警。 圖2 總體系統(tǒng)框圖（二）液位控制的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于液位進(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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)如下： 1、簡(jiǎn)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。存在問(wèn)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(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。 2、復(fù)雜控制系統(tǒng)控制方式這種控制方式是通過(guò)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(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到單片機(jī)，

8、經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來(lái)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(guò)程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過(guò)線形組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。 對(duì)PID的常規(guī)應(yīng)用中，三個(gè)參數(shù)一般是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用情況或者設(shè)備的自身特征來(lái)進(jìn)行確定，也有通過(guò)以往控制的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行調(diào)試，這樣可以通過(guò)調(diào)試來(lái)改變?nèi)齻€(gè)參數(shù)，以便改變控制器的性能，來(lái)獲得更好的控制效果。如果一個(gè)系統(tǒng)能夠用比較精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行描述，這樣的系統(tǒng)就

9、比較適合用PID算法來(lái)進(jìn)行控制，并且能夠取得比較好的控制效果。PID控制原理在模擬控制系統(tǒng)中，PID控制比較常見(jiàn)。下面便是一種原理框圖，簡(jiǎn)單地說(shuō)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(duì)象組成了整個(gè)系統(tǒng)。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(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開(kāi)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(kāi)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(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)

10、啟繼電器，控制水泵開(kāi)始上水?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(duì)水位的高度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)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(shí)時(shí)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(bào)警系統(tǒng)，如果水位低于2cm，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，提醒設(shè)定水位，通過(guò)矩陣鍵盤輸入水位信息，確定后，系統(tǒng)將自動(dòng)注水入

11、水箱，到達(dá)設(shè)定值則自動(dòng)停止。以達(dá)到能自動(dòng)控制水位的要求。測(cè)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(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在過(guò)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(guò)程中控制的應(yīng)用也起到了使工程流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（一） 硬件設(shè)計(jì) 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(dòng)電路和輸出控制電路等。 （二）軟件設(shè)計(jì) 壓力傳感器液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖7 程序設(shè)計(jì)框圖液位控制系統(tǒng)模型的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖所示。 圖4 壓力傳感器液位控制程序

12、框圖超聲波傳感器液位控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用的是模塊化的思路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離、液晶顯示和蜂鳴器報(bào)警等。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計(jì)算測(cè)量距離、數(shù)據(jù)計(jì)算、蜂鳴器報(bào)警和液晶顯示。圖5 超聲波液位控制程序流程圖超聲波測(cè)距流程圖如下：圖6 超聲波測(cè)距流程四、 設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)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(diǎn)。但是投入式靜壓液位傳感器只有參考大氣壓才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，然而連接電纜中的通氣會(huì)受到環(huán)境的影響，造成氣管內(nèi)壁冷凝，

13、結(jié)露。露水滴到電子器件和傳感器上，會(huì)影響精度或者輸出漂移。同時(shí)，結(jié)露過(guò)快，變送器的使用壽命也會(huì)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(cè)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(dòng)頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小而且方向性好還能夠?yàn)榉瓷渚€定向傳播等優(yōu)點(diǎn)，而且超聲波傳感器的能量消耗緩慢有利于測(cè)距。在中、長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)，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(jì)要求。根據(jù)對(duì)以上兩種傳感器性能的比較，考慮到靈敏度和經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jì)是我所做的最綜合的一個(gè)題目，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)，第一步是按照設(shè)計(jì)要求來(lái)確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個(gè)電子元件的功能及題目的要求一一進(jìn)行篩選，最終確定用那些元件