開題報告基于光纖傳感器的分布式液位測控系統(tǒng)

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文開題報告 題 目 基于光纖傳感器的分布式液位測控系統(tǒng) 指 導(dǎo) 教 師 高 姬 院（系、部） 電氣與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級 自動化07-3 學(xué) 號 0705010305 姓 名 李 倫 日 期 2010.03.10 教務(wù)處印制一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀選題的目的：本文的目的為設(shè)計一種基于光纖液位傳感器，以單片機(jī)為核心的高精度液位測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)具有性價比高，可靠性和實(shí)時性好，精度高，本質(zhì)安全和易于維護(hù)等特點(diǎn)。選題的意義：近年來,隨著計算機(jī)、光纖、傳感器等高新技術(shù)的不斷發(fā)展,有關(guān)光纖液位傳感系統(tǒng)應(yīng)用于液位測量的報告很多,光纖液位傳感器由于具有無電源、靈敏

2、度高、抗腐蝕和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用。國外已經(jīng)應(yīng)用先進(jìn)的光纖液位測控系統(tǒng),且能滿足測量精度要求,但價格昂貴。所以需要一種新型的，性價比高的光纖液位傳感器測控系統(tǒng)。在目前過程控制領(lǐng)域中液位控制的研究引起廣泛關(guān)注，隨著集成電路規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化,各種復(fù) 雜的液位控制系統(tǒng)已成為的一個研究熱點(diǎn)。單片機(jī)以 其控制精度高, 性能穩(wěn)定、可靠, 設(shè)置操作方便, 造價 低等特點(diǎn), 應(yīng)用到液位系統(tǒng)的控制之中, 不但保證了系 統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性, 而且增強(qiáng)了人機(jī)交互的能力。隨著單片機(jī)和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展, 單片機(jī)的應(yīng)用也 從獨(dú)立的單機(jī)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展, 由PC機(jī)和多臺單片機(jī)構(gòu)成 的多機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)已成為單片

3、機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個方 向。在一個大型的應(yīng)用系統(tǒng)中,通常由單片機(jī)完成數(shù)據(jù) 的采集和上傳, 后臺則通過PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并處 理，在這樣的系統(tǒng)中,單片機(jī)系統(tǒng)一般稱之為下位機(jī), 由PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成的后臺應(yīng)用部 分則統(tǒng)稱為上位機(jī)。二者結(jié)合, 充分發(fā)揮了單片機(jī)在 實(shí)時數(shù)據(jù)采集和微機(jī)對圖形處理、顯示以及數(shù)據(jù)庫管 理上的優(yōu)點(diǎn), 使得單片機(jī)的應(yīng)用已不僅僅局限于傳統(tǒng) 意義上的自動監(jiān)測或控制, 而形成了向以網(wǎng)絡(luò)為核心 的分布式多點(diǎn)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。這樣的發(fā)展結(jié)果，使 PC機(jī)和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信在具體應(yīng)用中的作用越來越重要。研究現(xiàn)狀及趨勢：在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中,液位測量幾乎遍及生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)。

4、在許多生產(chǎn)領(lǐng)域,不但對液位測量精度要求高,還需要測量儀表很好地適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的特殊環(huán)境,例如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)放射性的場合,以及遠(yuǎn)距離傳送和在密閉壓力容器內(nèi)使用等情況。自20世紀(jì)80年代開始,由于微電子計算機(jī)、光纖、超聲波等高科技的迅猛發(fā)展,在液位自動檢測領(lǐng)域出現(xiàn)了種類多樣的測量手段,并且其功能越來越完善,各項性能指標(biāo)越來越易于適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求,趨于自動化、智能化。目前,國內(nèi)已有許多廠家生產(chǎn)光纖液位計,其中武漢中光光電有限公司生產(chǎn)的光纖液位計可在小于0.1液位的變化條件下,觸發(fā)信號輸出,并自動跟蹤光、電信號,經(jīng)過CPU處理后直接輸出標(biāo)準(zhǔn)信號供給二次儀表,實(shí)現(xiàn)對液面連續(xù)自動的高精度控制。南

5、京航空航天大學(xué)研制的光纖液位計,用于液位檢測時精度可達(dá)1,響應(yīng)時間小于0.01,最大可傳輸距離為5。目前市場上出現(xiàn)了許多新的光纖液位計。已用于工業(yè)生產(chǎn)過程的有:(1)雙波紋管結(jié)構(gòu)光纖液位計。該液位計以差動方式工作,采用全光路補(bǔ)償方法和多種溫度補(bǔ)償技術(shù),使得光纖液位計具有自動補(bǔ)償性能,克服了光源強(qiáng)度起伏和環(huán)境溫度變化這2個主要因素對結(jié)構(gòu)式強(qiáng)度型光纖液位計測量精度的影響。(2)浮筒式光纖液位計。該液位計是一種適用于易燃、易爆液體貯罐的光纖液位計,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場全光無電在線檢測功能,其輸出信號與光強(qiáng)變化無關(guān),具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。(3)反射式動?xùn)殴饫w液位計。該液位計的光源、光纖、探測器位于光敏元

6、件的同一側(cè),輸入、輸出共用1根光纖束,結(jié)構(gòu)簡單、易于測量、成本較低,適用于大型液體貯罐的液位測定。其它還處于研制開發(fā)階段的光纖液位計有棱鏡式光纖液位計、斜面單光纖液位計。近年來,微電子技術(shù)的發(fā)展使得液位檢測技術(shù)發(fā)生了根本性變化。新的檢測原理與電子部件的應(yīng)用使得液位計更趨向小型化和微型化,特別是一些小型現(xiàn)場液位開關(guān)發(fā)展極快,如光纖液位計,由于沒有可動部件,所以可靠性高,不僅可現(xiàn)場顯示,而且可以發(fā)出控制信號。與此同時,液位檢測也正向著智能化方向發(fā)展,在液位測量領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用微處理技術(shù),以實(shí)現(xiàn)故障診斷和報警功能,提高測量的精確度、可靠性、安全性和多功能化。在應(yīng)用和設(shè)計液位計時盡量實(shí)現(xiàn)不接觸式或不滲透

7、式測量,如雷達(dá)液位計,從而提高探頭對惡劣環(huán)境的抵抗能力,以便在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確、可靠地工作。隨著計算機(jī)應(yīng)用的普及,直接輸出數(shù)字信號的數(shù)字化液位傳感器已成為這一領(lǐng)域儀表的發(fā)展趨勢;隨著納米技術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展,納米技術(shù)和生物技術(shù)在液位測量中的應(yīng)用也將會日益增多?？偟膩碚f,液位計必將向著微型化、高精度、適用范圍廣、低功耗、智能化方向發(fā)展。二、研究方案及預(yù)期結(jié)果（一）研究方案控制端口 MCU六通道編程放大器除法器電換光轉(zhuǎn)位移傳感器光發(fā)射機(jī)液晶顯示A/D轉(zhuǎn)換超限報警電換光轉(zhuǎn)USB接口監(jiān)視液面PC 圖一基于光纖傳感器的分布式液位測控系統(tǒng)（如圖一所示）可以大致分為以下幾個部分：1. 數(shù)據(jù)采集電路。該電路

8、的功能主要是采集容器中即時的液位高度，并且負(fù)責(zé)把這個采集到的信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別的數(shù)字信號并送入單片機(jī)。具體方案：光纖位移傳感器探頭置于監(jiān)測容器的被測液體上方,從控制室發(fā)出光信號,由光纖傳輸?shù)焦饫w探頭處射在液體界面上;反射光經(jīng)光纖傳到光電檢測器(光電二極管),將光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,該電壓信號與光強(qiáng)度成正比;經(jīng)過功率放大器放大后,將反射信號和參考信號送入一個模擬除法器,除法器輸出的電壓信號與液面高度成正比; 將多路該電壓信號送入數(shù)據(jù)處理單元。2. 數(shù)據(jù)處理單元。這部分的工作是接收采集模塊送來的數(shù)據(jù)，然后和事先預(yù)定的液體高度值進(jìn)行比較，高出預(yù)定值或者低于預(yù)定值將會發(fā)出不同的控制信號來控制執(zhí)行

9、部分從而能夠達(dá)到控制液位的目的。同時還能夠通過鍵盤設(shè)定不同的液位值來進(jìn)行調(diào)整，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前液位值，達(dá)到精確控制的目的。 具體方案：多路電壓信號送入MCP6S26型6通道增益可編程放大器的輸入通道后,由單片機(jī)控制依次選通;將選通路的電壓模擬量送入MAX1224型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后以串型數(shù)據(jù)形式將各點(diǎn)高度對應(yīng)的電信號轉(zhuǎn)化為12位數(shù)字編碼,送入單片機(jī)微處理器;處理結(jié)果送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用的是一個能夠通過提供其電流大小來控制通過其中的液體流量的控制閥。如果單片機(jī)分析得出即時的液體高度比預(yù)定值低許多時，就會最終輸出一個數(shù)值比較大的電流，來控制流量閥在單位時間內(nèi)通過

10、更多的液體，使液體高度盡快地回復(fù)到所需液位高度值。反之，開啟排水閥進(jìn)行調(diào)整。 具體方案：將數(shù)據(jù)處理單元得到的液位信息傳到液晶顯示端口顯示;液晶顯示屏循環(huán)顯示各測量點(diǎn)的液位高度和測量點(diǎn)編號;單片機(jī)程序中設(shè)置液位上下限后,當(dāng)某一測量點(diǎn)液位達(dá)到設(shè)定值時,單片機(jī)驅(qū)動蜂鳴器及LED報警并驅(qū)動外接設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)操作;報警時,液晶顯示屏顯示超限位置的編號和超限方式(超高或超低)。4. 多機(jī)通信單元。要建立一個一對多的多機(jī)串行通信平臺，即一臺PC機(jī)與多個單片機(jī)之間進(jìn)行多機(jī)互聯(lián)，PC機(jī)作為主機(jī)，單片機(jī)作為從機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)對各個從機(jī)的控制，以及主機(jī)與從機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。具體方案：單片機(jī)通過PDI USBD12型USB

11、接口芯片與PC機(jī)連接,傳輸過程采用標(biāo)準(zhǔn)USB1.1協(xié)議,將各測量點(diǎn)編號和高度編碼高速傳給PC機(jī);PC機(jī)的軟件系統(tǒng)顯示各測量點(diǎn)的編號、監(jiān)控地點(diǎn)、液位高度、上下限等信息;當(dāng)液位超限時,PC機(jī)的軟件系統(tǒng)彈出報警對話框顯示超限位置編號和超限形式。（二）預(yù)期結(jié)果設(shè)計完成具有性價比高，可靠性和實(shí)時性好，精度高，本質(zhì)安全和易于維護(hù)等特點(diǎn)的基于光纖傳感器的分布式液位測控系統(tǒng)。達(dá)成本科生畢業(yè)論文一篇?？刂葡到y(tǒng)可行性市場分析。三、研究進(jìn)度1第4至5周：整理資料，完成開題報告和實(shí)習(xí)報告。2第6至7周：擬訂系統(tǒng)的設(shè)計方案，方框圖，原理圖。3第8至10、11周：詳細(xì)設(shè)計硬件及接口電路并繪制硬件電路圖。4第10、11至1

12、2周：進(jìn)行軟件的編程設(shè)計。5第13周：詳細(xì)寫論文，整理并完成草稿。6第14周：修改草稿，二次整理。7第15周：修改二稿，整理并完成最終成文。8第16周：答辯準(zhǔn)備階段。9第17周：進(jìn)行畢業(yè)答辯。四、主要參考文獻(xiàn)1楊萬國,賈延剛.多種液位儀表的應(yīng)用對比.石油工程建設(shè),20042鄭衛(wèi)東.儲罐液位儀表的應(yīng)用及發(fā)展.甘肅科技,20053陸石輝,邱瑞鑫,黃少先.雷達(dá)液位計測量系統(tǒng)及應(yīng)用.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,20084鄭龍江,楊影.新型光纖液位測量系統(tǒng)的研究.傳感器技術(shù).2001,20.5張麗紅,李艷萍,侯桂鳳,等.一種強(qiáng)度補(bǔ)償反射式光纖位移傳感器的研究.農(nóng)機(jī)化研究,20066李福進(jìn),張淑卿,陳至

13、坤.新型光纖液位測量系統(tǒng)的研究.儀表技術(shù)與傳感器,20067周立功.PDIUSBD12固件編程與驅(qū)動開發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.8 陳霞,白小軍. 基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)J . 武漢理工大學(xué)學(xué)報,2007 9 胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)M . 北京: 清華大學(xué)出版社,1996. 10 劉華東. 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M . 北京: 電子工 業(yè)出版社,2003. 11 何希才. 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例 M . 北京: 機(jī)械 工業(yè)出版社,2004. 12 付曉光. 單片機(jī)原理與實(shí)用技術(shù)M . 北京:清 華大學(xué)出版社,200413LIUYQ,GUOZY,ZHKNGY.Simultaneous pressure and temperature measurement with polymer coated fiber Bragggrating.ElectronLett,200014XIEF