数字式液位测量仪设计

数字式液位测量仪设计
数字式液位测量仪设计

1绪论

1.1模拟传感器与智能数字传感器

新技术革命的到来,世界开始进入信息时代,信息社会的表征是社会活动和生产活动的信息化,其基本活动形式是信息的获取,传递,处理和控制。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然科学领域中信息的主要途径和手段。传感器技术是信息社会的关键技术,传感器技术的水平在一定程度上标志着一个国家的科学技术水平[1]。

传感器的研究始于二十世纪三十年代,它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。早期设计的传感器是模拟式传感器,现在通常称为传统传感器。这种传感器采用模拟电子电路组成,只能进行信号调理,基本不具备信息处理能力和自我管制能力。这就决定了传感器存在着输入—输出特性具有一定的非线性、信噪比低而易受噪声干扰、复合灵敏度难以克服而使分辨率不高等问题,导致传感器性能不稳定、可靠性差、精度低。

为改善传感器的传输性能,人们应用频率调制技术研制了频率式传感器,如感应同步器等。这种传感器的输出不再是模拟量,而是频率量,它的信号调理与转换电路把由传感元件获得的电参量转换为某种周期信号即频率量输出,该信号的幅值恒定而频率则随被测量按确定的函数关系变化。频率量传输具有较强的抗干扰性,提高了信噪比,用于计算机测控系统中时可以取消模数转换,通过测频率、测周期方法转换为数字量,容易由计算机实现。但频率量转换为数字量需要较长的时间,频率量的传输同样要求单独的信号线,系统没有得到简化。此外,与模拟式传感器类似,它也基本不具备信息处理能力和自我管理能力,致使性能没有大的改观,仍属于传统传感器。

自动控制系统应用计算机作为控制核心后,为提高系统的整体性能,人们在发展传感器和数字化信息采集系统方面开展了大量的研究工作,主要体现在以下两方面:一是大力改进传统传感器的性能,采用高精度、高稳定度的元器件以及各种校正电路,使传感器特性得到了一定的改善;二是采用数字化仪表作为传感器与计算机之间的接口,它将传感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的预处理后再传送给计算机。这样,虽然在一定程度上满足了计算机测控系统对信息采集系统高精度和数字化的要求,但由于未把传感器与数字化仪表作为一个整体设计,致使以下一些问题仍未解决:(1)为提高传感器性能而对元器件的要求提高,电路复杂化,使传感器成本增加,可靠性下降;(2)数字化仪表的采用增加了信息采集系统的体积,并使系统的结

构更为复杂;(3)仪表对传感器无法进行管理,难以实现传感器的在线自动标定、自动校准和在线故障检测等智能化特性。

随着高性能计算机测控系统的发展,当系统对传感器提出数字化、智能化要求后,传统传感器已不再与系统相适应。控制系统要求传感器输出数字信号,并具备较强的信息处理和自我管理能力,以实现信息的采集与信息的预处理,减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性,而计算机则着重于信息的高层次加工和处理,便于在现有硬件条件下大幅提高系统的性能,简化系统的结构。智能传感器系统就是为了更好地适应计算机测控系统的发展而提出的一个新的研究方向[2]。

智能传感器一词已经出现了十几年。目前对其中“智能”的确切定义仍在讨论之中。以往人们主要强调在工艺上将传感器与微处理器两者紧密结合,认为“传感器的敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上就是智能传感器”。然而,这样的提法没有突出智能传感器系统的主要特点,单纯强调芯片集成化的现实意义不大,而且也不经济。智能传感器系统的主要特点是把计算机技术和现代通讯技术融入传感器系统中,其目的是为了适应计算机测控系统的发展满足系统对传感器提出的更高要求,因此认为智能传感器是指传感器与微处理器赋予智能的结合,兼有信息检测、信息处理及通讯功能的传感器系统[3]。

在结构上,智能传感器系统将传感器、信号调理电路、微控制器及数字信号接口组合为一整体,其框图如图1.1所示。图中的传感元件将被测非电量转换为电信号,信号调理电路对传感器输出的电信号进行调理并转换为数字信号后送入微控制器,由微控制器处理后的测量结果经数字信号接口输出。在智能传感器系统中不仅有硬件作为实现测量的基础,更有强大的软件支持来保证测量结果的正确性和高精度,以数字信号形式作为输出易于和计算机测控系统接口,并具有很好的传输特性和很强的抗干扰能力。

图1.1智能传感器系统框图

智能传感器与传统传感器相比,具有如下特点:

(1)精度高

智能传感器可以用多个功能来保证它的高精度,如:通过自动校零调整零点;自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正;通过对采集数据进行滤波以消除随机误

差的影响。

(2)高可靠性与高稳定性

智能传感器能自动补偿因工作条件与环境参数发生变化后引起系统特性的漂移,如:对温度变化而产生的零点和灵敏度的漂移进行补偿;能自动改换量程;能进行系统的自我检验。

(3)高信噪比与高的分辨率

智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能,通过数字滤波去除输入数据中的噪声;通过数据融合技术消除多参数状态下复合灵敏度的影响,从而保证对特定参数测量的分辨能力。

(4)强的自适应性

智能传感器具有判断、分析与处理功能,它使系统工作在最优化低功耗状态和优化传送速率。

(5)设计制造容易,使用维修简单

由于智能型传感器的大部分功能都是通过软件程序来实现的,而它的硬件电路相对来讲是比较简单,制造容易。同样若智能型传感器出现故障,除它本身具有自寻故障,发出警报功能外,对它进行维修主要是优化软件程序。

(6)集中控制

由于智能型传感器采用微处理器进行整个系统的控制,所以这种方式是非常集中的,因为微处理器具有强大的数据处理能力和控制能力,通过它的软件程序来使微处理器充分利用。这样可以使智能型传感器系统多种功能协调起作用,从而保证了它的优点充分发挥。

(7)灵活性强

以软件为主体的智能型传感器不仅在使用方便、功能多样化等方面呈现很大的灵活性,而且在智能型传感器的性能方面,由于其控制软件或运算软件易于修改,也是易于改变的。

(8)高的性能价格比

智能型传感器所具有的上述多种功能,并不是像传统传感器技术追求传感器本身的完善,对传感器的各个环境进行精心设计与调试进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得,而是通过与微处理器或计算机相结合采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件来实现的。

由此可见智能化设计是传感器传统设计中的一次革命,是传感器的发展趋势[4]。

1.2液位传感器发展状况

液位测量是是一门测量气-液、液-液或液-固分界面位置的测量技术。它包括对测量对象(被测介质及其容器、环境条件)、测量方法和测量仪表的研究。

对被测介质的研究,主要是要了解它的电导率、密度、介电常数、声速、声阻抗、粘度、逆光性能、表面张力系数、流动情况以及液体表面的一些特性。还要研究被测对象的工况,如压力、温度、湿度及其变化情况、辐照情况、腐蚀情况,液体容器的几何形状和液体的相对位置及变化规律等。

液位检测包括液位、液位差、相界面的连续测量、定点信号报警、控制,多点测量以及液位巡回检测等方面的技术。

液位检测技术是基于液位敏感元件在液位发生变化时,把相应的能够表示液位变化且易于检测的物理量变化值检测出来。这个物理量可能是电量参数,或机械位移,也可能是诸如声速、能量衰减变化、静压力的变化,等等。再把这些电量的或非电量的物理量变化值采用相应的、最简便可靠的信号处理手段转换成能够用来显示的信号。

当被测液体的液位发生变化时,与之有关的物理参数将要发生一定程度的变化。但是,由于液体的性质及其容器的特性不同,各物理参数的变化程度将有所不同。例如,有的参数变化明显;有的变化不太明显,甚至看不出有什么变化。因此,需要选用最合适的、能够获得最大信号的物理参数作为液位测量仪表的检测信号、并根据被测液体和测量对象不同采用不同的测量方法。瞥如:液位变化时,插入液体中的物体因浸没情况不同会产生浮力变化;插入液体中的单电极(对外壳)、双电极会产生电容量的变化或电阻量的变化;在高频馈电的情况下会产生电感量的变化。因此,在设计、安装、使用液位计时要考虑到:置放在某一高度的超声波探头会发生反射回波声速的变化;浸没于液体中的压力敏感元件会产生静压的变化;贴于容器壁的超声波发、收探头间会发生接收波能量大小的变化;置于侧壁的放射源和接收器间会产生接收能量强弱的变化,等等。同时还要考虑到:被测对象的压力、温度、湿度以及辐照、腐蚀情况;当时的科学技术水平(包括电量和非电量的测量技术、材料情况、工艺水平)、仪表的成本以及用户的经济能力等。究竞选择那种测量方法及其测量仪表合适,要根据具体的情况,权衡各种因素的利弊关系,综合利用它们的有利条件来决定[5]。

目前使用的液位传感器分为两种:开关式和连续式[6]。开关式传感器主要是用于获得特殊位置的液位值。连续式传感器运用于测量一定范围内的液位值。连续液位测量是对液位连续地进行测量,它广泛地应用于石油、化工、食品加工等诸多领域,具

有非常重要的意义。常用的连续式液位传感器有:

(1)玻璃管法、玻璃板法、双色水位法、人工检尺法。这4种方法都是人工测量方法,具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点。

(2)吹气法、差压法、HTG法;这3种方法都是利用液体的压力差来测量液位的。

(3)浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法;以上5种方法都是利用浮力原理来工作的。

(4)电容法、电阻法、电感法;这3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。

(5)磁致伸缩法、超声波法、调制型光学法、微波法;以上3种方法都是通过检测信号传播的时间来确定液位的。

(6)磁翻板法、振动法、核辐射法、光纤传感器法等。

1.3研究意义及主要研究内容

计算机测控系统,特别是基于现场总线的多传感器计算机测控系统可极大地提高测控系统的自动化水平和智能水平,降低系统造价,它要求其信息采集装置是数字化、智能化的,具有高性能、低成本和较强的信息处理能力。智能传感器系统就是为了适应这类系统的发展而提出和发展起来的一个新的研究方向。随着测控系统向基于现场总线的多传感器计算机测控系统发展,现有的传统位移传感器已无法满足要求,而集信息采集、信息预处理和数字通信功能于一身,能自主管理,具有智能化特性的智能位移传感器系统成为生产实践发展的迫切需求。然而,由于智能传感器系统的研究起步较晚,其理论和实践远未成熟,离实际应用需求差距很大,尤其是高性能、小体积、低成本智能传感器系统更是有待于进一步开发。因此,研究开发高性能的智能液位传感器对于促进信息技术及自动化技术的发展、提高设备的性能及自动化水平具有不可低估的意义。

2设计方案

2.1设计方案的选定

差压法:该方法的工作原理如图2.1所示。1、2-阀门;3-差压变送器。对于开口容器或常压容器,阀门1及气相引压管道可以省掉。压力差与液位的关系为

21P P P gH

ρ?=-= (2.1)

图2.1 差压法原理

式(2.1)中:P ?-变送器正、负压室压力差;2P 、1P -引压管压力;H -液位。差压变送器将压力差变换为4~20 mA 的直流信号。如果压力处于测量范围下限时对应的输出信号大于或小于4 mA ,则都需要采用调整迁移弹簧等零点迁移技术,使之等于4 mA 。

双差压法:该方法的工作原理如图2.2所示。其中差压传感器1用于测量未知液位高度H 产生的差压,即密闭容器底部和液面上方的压力差

12H P P P gH

ρ?=-= (2.2)

图2.2 双差压法测量液位的原理

差压传感器2用于测量已知液位高度h 产生的差压,即容器底部和液面下方取压点的压力差

13h P P P gh

ρ?=-= (2.3)

由上两式可得

H h

P H h

P ?=

?? (2.4)

(H -容器内被测液面高度; h -液面下方两固定取压点间的垂直距离)。

由上式可见,双差压法可消除液位密度ρ变化对液位测量的影响。但是双差压法需要实现两个差压的除法运算。

方案的比较与选定:普通差压法测量液位的原理:只有在液体密度ρ恒定不变的条件下,差压P ?才与液位高度H 呈线性正比关系,才可通过测量差压P ?间接地获取液位H 值。但液体密度ρ是液体组份和温度的多元函数。当液体组份和温度变化导致密度ρ改变时,即使液位高度H 没有变化,也将使差压信号P ?改变,此时若还按原先的液体密度ρ从差压信号P ?计算出液位H ,显然将导致测量误差,严重时会造成操作人员的错误判断。为此,本文提出采用两个差压传感器,即采用双差压法[7]。

2.2扩散硅压阻式压力传感器简介

从差压法测量原理可以看出,只要能测出压力差,就能计算出液位高度。压力测量的方法很多,目前常用的压力传感器有电容式、扩散硅式、硅谐振式、溅射薄膜式、厚膜陶瓷等。根据本设计的需要,选用的压力传感器是扩散硅压力传感器,它属于压阻式压力传感器。这种压力传感器精度高,工作可靠,容易实现数字化,比应变式压力传感器体积小而输出信号大。

2.2.1扩散硅压力传感器工作原理

压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的器件。硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时,其内部原子结构的电子能级状态会发生变化,从而导致其电阻率剧烈变化(G 因子突变)[8][9]。用此材料制成的电阻也就出现极大变化,这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理,采用集成工艺技术经过掺杂、扩散,沿单晶硅片上的特点晶向,制成应变电阻,构成惠斯登电桥,利用硅材料的弹性力学特性,在同一块硅材料上进行各向异性微加工,就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。有压力作用时,膜片产生相应的弹性形变,应变电阻由于单晶硅压阻效应使其阻值发生相应的改变,电桥失去平衡,输出电压与膜片上感受的压力成比例,从而实现了对压力的测量。电桥一般采用恒压源或恒流源方式供电。

压力传感器等效电路如图2.3所示,电阻1R 、2R 、3R 、4R 为电桥的四个桥臂电

阻。

out

图2.3 扩散硅压力传感器等效电路桥

电桥输出电压为

1324

1234

()()

o u t i n

R R R R U U R R R R

-=?++ (2.5)

半导体压敏电阻具有各向异性的特性,设计使电桥电阻1R 、3R 具有正增量,电阻2R 、4R 具有负增量,再设计成各个桥臂电阻相等,并且变化量也相等,则对上式微分并求增量,整理后得出

4o u t i n

R U U

R

??=

(2.6)

其中 123414()R R R R R =+++,1234R R R R R ?=?-?+?-?。

从式(2.5)得知电桥输出电压out U 与输入电压in U 成正比关系,in U 是恒定电压。 扩散硅压力传感器是利用半导体平面工艺在硅杯对应的表面上做成阻值相等的四个P 型电阻并联接成惠斯登电桥,利用硅材料的压阻效应,通过惠斯登电桥进行压电转换及测量。电桥平衡条件是相对桥臂电阻之积相等,即1324R R R R =,此时电桥输出0out U =。而实际上四个扩散应变电阻很难做到1324R R R R =,这样必然存在着一个零点误差。另一方面,当温度变化时,由式(2.6)可以看出,由于R 不等于零,所以out U 也不为零。

硅压力传感器满量程输出G 与压力为满量程时应变电阻的最大变化量max R 成正比,即与扩散硅P 型电阻的压阻系数成正比,而压阻系数随温度的上升而减小,则灵敏度必然随温度的上升而下降,引起灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数用下式表示

12121()

T T T G G G T T β-=

- (2.7)

式(2.7)中1T G 为1T 温度下满量程输出,2T G 为2T 温度下满量程输出,β表示温

度变化1℃时满量程输出的相对变化量。灵敏度温度系数主要是由压阻系数随温度变化而决定的。

2.2.2扩散硅压力传感器技术特点

扩散硅压力传感器技术特点[10]:

(1)灵敏度高

扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高50~80倍,它的满量程信号输出在80~100mV左右。对接口电路适配性好,应用成本相应较低。由于它输入激励电压低,输出信号大,且无机械运动件损耗,因而分辨率极高。

(2)精度高

扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体,无机械运动件连接转换环节,所以不重复性和迟滞误差很小。由于硅材料的刚性好,形变小,因而传感器的线性也非常好。因此综合精度很高。

(3)可靠性高

扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变数量级,膜片最大位移量在微米数量级,且无机械磨损,无疲劳,无老化。平均无故障时间长,性能稳定,可靠性高。

(4)频响高

由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高,一般在50kHz。制造过程采用了集成工艺,膜片的有效面积可以很小,配以刚性结构前置安装特殊设计,使传感器频率响应很高,使用带宽可达零频至100 kHz。

(5)抗电击穿性能好

由于采用了特殊材料和装配工艺,扩散硅传感器不但可以做到130℃正常使用,在强磁场、高电压击穿试验中可抗击1500V/AC电压的冲击。

(6)耐腐蚀性好

由于扩散硅材料本身优良的化学防腐性能好,即使传感器受压面不隔离,也能在普通使用中适应各种介质。硅材料又与硅油有良好的兼容性,使它在采用防腐材料隔离时结构工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和本质安全防爆的特点,可替代诸多同类型的同功能产品,具有最优良的性能价格比。

2.3数字式液位测量仪的总体结构设计

在第一章中讨论了智能型传感器的一般原理及其特点和功能,也简述了它相对于传统型传感器的优点。它是传统型传感器的取代产品,具有广泛的商业价值及应用前

景,对智能型传感器的研究具有很现实的意义。但是,尽管知道智能型液位传感器是在传统型液位传感器加上微处理器基础产生的,但仍然要剖析其内部总体设计指导思想以有利于进行各个组成部分的设计和制造及其接口电路设计。这一节主要阐述一下智能型数字液位传感器的总体设计思想。数字式液位测量仪的系统框图如图2.4所示:

图2.4数字式液位测量仪的系统框图

根据设计要求,数字式液位测量仪采用低价格、小体积、具有高性能价格比的8位单片微控制器(单片机)控制,用以实现传感信息的预处理、数字通讯和智能化管理;采用进口扩散硅压力传感元件进行压力检测,模数转换采用16位以上精度的A/D转换器以保证数字液位变送器具有较高的精度;电路板设计尺寸很小使之能与传感元件组成一体化结构,从而使整个数字式液位测量仪的结构小巧。

数字式液位测量仪特点:

(1)压力传感元件与控制运算电路采用一体化设计,模拟信号走线很短并由其本身的金属外壳屏蔽,提高了抗干扰能力。而一体化设计方案又使体积缩小。

(2)采用不锈钢隔离膜片的传感元件,将传感元件与被测介质隔离开来,可测量腐蚀性介质,可靠性高,使用寿命长。

(3)采用软件实现温度补偿,克服了温度变化对测量的影响,从而保证了变送器测量精度。

(4)系统、全面的抗干扰和系统自诊断设计,保证了系统的稳定性和可靠性。

(5)优良的上位机管理功能使它具备了灵活的适应能力,扩大适用范围,方便使用和维护。

(6)全部元器件选用超小型元件,大大缩小了电路板的尺寸,使传感器的整体体积进一步缩小。

(7)由于采用智能化设计,对系统内元件的要求不高,大多数可使用低价格的普

通元件,要求的高精度及高稳定性由智能信息处理及智能管理来保证,所以它成本较低。

(8)符合智能传感器系统特点的设计,使它能适应基于现场总线的分布式计算机测控系统,并具有智能传感器系统的诸多优点。

(9)采用LED显示。

3扩散硅压阻式压力传感器的非线性补偿技术

扩散硅压力传感器具有滞后和蠕变小、灵敏度高、量程适应性广、性能稳定的优点,应用潜力很大。随着对压阻效应非线性的深入研究及扩散硅半导体平面工艺技术的发展,扩敬硅压力传感器的综合误差不断减少,为其在高精度压力测量方面的应用创造了条件。但是,作为一种半导体材料,硅的载流子迁移率、电阻率、压阻系数和PN结特性等全部是温度函数,所以从原理上讲,扩散硅压力传感器的技术参数存在温漂是必然的。但从实际应用角度看,又希望传感器输出参数仪与压力有线性关系而与温度无关。所以寻找简单而又有效的温度补偿办法是改善扩散硅压力传感器性能的关键之一。

硅压阻式差压传感器的温度误差主要有零点温漂和灵敏度温漂两项[11]。零点温漂是由扩散(或离子注入)形成曲各个阻条的电阻温度特性的不协调而引起的。表现为零点输出随温度的变化而变化。灵敏度温漂则是由各阻条压阻系数变化量的温度特性不协调而引起的,其外观反映是输出特性曲线的斜率是温度的函数。

3.1压力传感器的温度补偿方法概述

扩散硅压力传感器的温度补偿一般分内补偿和外补偿。内补偿通过传感器的设计、制造工艺,封装材料、形式来减小零点和满量程的温度系数,特别是通过控制扩散阻条的掺杂浓度,使传感器的满量程温度系数控制在0.75%FS/全温区,在一般应用中做到满量程免补偿。由于内补偿有局限性,所以必须进行外补偿。

外补偿的形式多样,归纳一下大致有三种方法:

(1)通过在测量桥路上串连或并联固定(热敏)电阻或其它电路网络的方法进行补偿,数字液位变送器采用的扩散硅压力传感器就采用了这类外补偿方法,其补偿后零点和满量程的温度系数最大为0.75%FS/70℃(0~70℃)。这种方法简单易行,但很明显,其补偿效果不能达到较高的要求,并且有一定的温度范围[12][13][14]。

(2)采用压阻式传感器专用信号调理芯片(SSC)[15]。压阻式传感器专用信号调理芯片(SSC)的温度补偿方法与单片机的智能多点补偿类似,通过温度传感器检测环境温度,温度值经AD转换作为地址指针,储存在存贮器中此地址的零点和满量程的温度修正系数经DA转换成模拟量,修正传感器输出信号中零点和满量程的温度漂移。这类芯片的存贮器的类型有ROM、EPROM(SCA2095)、EEPROM (MAX1457)型;有片外,也有集成在片内(SCA2095)的。温度传感器有的集成在片内,有的外接,还有的利用扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温

度。这种方法在模拟域对传感器补偿,克服了通过单片机智能补偿带来的量化声和低频响,响应时间可达1ms。但种方法增加了硬件开销,加大了电路板面积。

(3)通过单片机的智能多点补偿(智能变送器)[16][17]。随着计算机技术的发展,变送器内置微处理器技术变得越来越成熟,使对扩散硅压力传感器的离散性和非线性及温度特性进行专门的补偿成为可能。这种新的补偿技术可以减小误差,每个压力芯片在它的整个压力范围和温度范围内。由于温度对传感器输出的影响非常复杂,很难建立起温度对传感器影响的精确数学模型,因此传感器压力非线性和温度非线性一般通过实验给出,每隔一定温度进行压力标定测试,由此产生的数据被存储在微处理器的存储器中作为转换曲线,实际的读数与转换曲线比较加以补偿和修正。这种扩散硅压力传感器在整个压力和温度范围内,精度可达(0.05%~0.1%)FS。

本设计采用的Nova Sensor公司的NPI系列的扩散硅压力传感器,应用了Senstable温度补偿工艺技术,将温度补偿的电阻环路制作在混合陶瓷基片上,在0~70℃的温度补偿范围内,可以提供的温度误差最大为0.75%。从这个指标看,这不能满足要求,因此还要采取其它的补偿措施。综合各种方法,研制的数字液位变送器采用了智能多点补偿法进行温度补偿。

3.2扩散硅压力传感器温度补偿算法

压力传感器的温度补偿的实现是在数字式液位测量仪中,晶振的频率较低,因此希望补偿算法计算比较简单,能尽快算完;另外,参数要少,便于标定时修改[18]。

在对传感器数据进行分析和处理时,面临的问题是在对传感器进行标定和测试时得到的数据是一系列离散的测量值,如何寻找一个解析函数来描述这一系列测量值是十分关键的。对于这个问题常用的有插值法、曲线拟合法、曲面拟合法和神经网络等几种方法。

3.2.1插值法

插值法是预先将一系列的实验数据装入一个参数表内,获得测量数据后,根据数据与参数的对比进行处理。按插值的方法可以分为线性插值、最近插值、最佳均方逼近插值等,在单片机中,一般采用线性插值法。线性插值就是将测量数据按量程分为若千段,然后把相邻两分段点用直线连起来,用直线来描述数据曲线。

用计算机实现线性插值的基本步骤为:

(1)测出传感器变化曲线()

=,必要时可多次测量;

y f x

(2)对曲线()

=进行分段,选取多个插值基点;

y f x

(3)确定各插值点i x ,i y 值,并存放在存储器中; (4)计算i x x -;

(5)找出x 所在的区间(i x ,1i x +)并计算出该段的斜率i k ; (6)计算结果()i i i y y k x x =+-。

插值法优点处理速度快,算法简单;缺点是如果选择的插值基点多则需要占用较大的存储空间,如果插值基点少则精度可能不够。对于数字式液位变送器来说,可以提供较大的存储空间,但如果想重新标定变送器,则修改起来比较复杂。

3.2.2曲线拟合法

在实验中,测得的是一些分散的数据点,曲线拟合方法运用最小二乘法等算法,利用多项式或其它的已知函数生成一个新的多项式或己知函数来对这些已知的数据点进行逼近。它最佳地拟合数据,不一定要经过任何数据点,但在各数据点的误差要在许可范围内。

实际中最常用的曲线拟合是多项式曲线拟合。对于本项目,适合采用多项式拟合,并且精度较高。多项式的计算在单片机中容易实现,计算时间较少。最后参数较少,易于修改。

3.2.3曲面拟合法

两个信息的融合算法可以有多种,曲面拟合算法是其中之一,也就是二维回归分析法。

扩散硅压力传感器的输出电压是压力和温度的二元函数,也可以说,压力(p )是压力传感器的输出电压(u )和温度(t )的二元函数

(,)p f u t =

可以用二维回归方程来拟合这个函数关系

11

1

1

(,)p

q

i j ij

i j P U T a U

T

--===

∑∑

即:

2

2

112112312213......P a a U a T a U

a U T a T =++++++

曲面拟合在阶数(p ,q )较低的时候,参数较少,但拟合的精度较差,不能满足要求;在阶数较高的时候,拟合的精度有所提高,但仍有部分不能满足对误差的要求,参数的个数也增加较多,计算复杂度增加。

3.2.4神经网络算法

最近几年来,人工智能中的一个重要分支一神经网络在理论上取得了大量突破性的发展,由于它具有信息的分布存储、并行处理、容错、自适应及自学习能力,己被广泛应用于模式识别、智能控制及系统建模等领域。

现在已有利用BP (Back Propagation )神经网络或径向基函数RBF (Radial

Basis Function )神经网络等实现传感器建模,对传感器进行非线性补偿。这种方法

准确度高、网络结构简单,算法简明、收敛性好,其突出的优点是可以同时考虑传感器各种干扰影响及其本身非线性作用,补偿精度也较高[19][20]。

神经网络算法虽然补偿效果较好,但用单片机计算起来较复杂,而且计算耗时较长。

3.3多项式曲线拟合法

3.3.1补偿原理

对应不同的工作温度,传感器有不同的输入(P )-输出(U )特性。如果能够确定工作温度为T 时相应的P -U 特性,并按其反非线性读取被测量P ,从原理上不存在温度引入的误差。问题的困难在于通过标定实验只能在有限数量的几个温度值条件下标定输入-输出特性。通过曲线拟合法,可以找出在工作温度范围内非标定条件下的任一温度T 状态的输入(U )-输出(P )特性[18][21]。

3.3.2补偿步骤

(1)利用标定实验数据

将不同工作温度i T 条件下获得的输入(U )-输出(P )特性用一维多项式方程表示为:

温度1T : 2345101112131415.....P k k U k U k U k U k U =++++++

温度2T : 2345202122232425.....P k k U k U k U k U k U =++++++ 温度i T :2345012345.....i i i i i i P k k U k U k U k U k U =++++++ (3.l ) 利用标定数据求解各种温度条件下多项式方程的系数,采用多项式曲线拟合可以得到各阶系数,则式(3.l )各方程就可确定。

(2)建立系数k 的曲线拟合方程

式(3.l )中各个系数k 随温度而变化的规律通常不是线性的,故也可用一维多

项式方程表示为

常数项系数:234000000k A B T C T D T E T =++++ 一次项系数:234111111k A B T C T D T E T =++++

平方项系数:234222222k A B T C T D T E T =++++ 立方项系数:234333333k A B T C T D T E T =++++ 四次方项系数:234444444k A B T C T D T E T =++++

五次方项系数:234555555k A B T C T D T E T =++++ (3.2) 利用实验标定数据,可以求解出(3.2)式中各个系数:1A ,...5A ;0B ,...5B ;

0C ,...5C ;0D ,...5D ;0E ,...5E 。从而方程组(3.2)就被确定。

(3)确立工作温度T 时的U -P 特性的曲线拟合方程

得到工作温度T 的数值后将该值代入方程(3.2)中可计算出该工作温度状态下的各项系数:0k ,1k ,2k ,3k ,4k ,5k 。从而确立了工作温度T 时的U -P 特性的一维多项式方程式为

2

3

4

5

012345()P T k k U k U

k U k U k U

=+++++ (3.3)

根据式(3.3),可由读入的传感器的输出值U 解得被测量P 。

这样的设计实现比较容易,优点是参数较少,但在实际应用中,发现步骤(1)中P 与U 的关系较有规律,拟合曲线的精度较好。但步骤(2)中的系数k 的曲线拟合中,有两个问题,一是数据量较少,二是数据的规律性差,这造成拟合精度差,不能满足要求。因此,在本次设计中,采用的是多项式曲线拟合加上线性插值的方法。用多项式曲线拟合出在不同温度i T 时的输入(U )-输出(P )特性曲线,如果温度不等于()m n T T T T <<时,利用m T 和n T 时的两条曲线,通过线性插值法获得温度为T 时的输出压力值。

3.3.3实现方法

当通过实验得到各温度下压力P 与传感器输出U 的数据点后,借助MatLab 软件可以很方便的求出各系数[22]。

(1)求ij k

多项式曲线拟合有最小二乘法、牛顿法、拉格朗日法、牛顿一格雷高里法等多种方法,在本项目中,各种方法得到的结果差别很小,本次设计就用最小二乘法来进行

多项式拟合。

在MatLab 中,用函数polyfit ( )对一组数据进行定阶数的多项式拟合,其基本用法如下:p=polyfit (x ,y ,n ),用最小二乘法对输入的数据x 和y 用n 阶多项式进行逼近,函数返回多项式的系数,为一个长度为n+1的向量,包含多项式的系数。

例如,在温度为1T 时,实验得到传感器输出12[,,...]n x u u u =,12[,,...]n y h h h =。取

5阶就可以获得足够的精度。则通过p=polyfit (x ,y ,5),就可得到10k ,11k ,12k ,

13k ,14k ,15k 。

(2)将各温度下的ij k 存入数字液位传感器中。

(3)当数字液位传感器采集到当前温度()m n T T T T <<和压力传感器输出U 后,利用m T 和n T 时的两条多项式拟合曲线,计算出当压力传感器输出为U 时的m P 和n P ,则通过线性插值获得压力为:

()()

m n m m

n m

T T P P P P T T --=

+-

这样就可以获得温度补偿后的压力值了。

4数字式液位测量仪的硬件设计

4.1数字式液位测量仪的硬件框图

数字式液位测量仪的硬件设计框图如图4.1所示。总接线电路图见附录。

图4.1 数字式液位测量仪的硬件设计框图

4.2 MCS-51系列的8051单片机

4.2.1 MCS-51系列的8051

单片机的选用

数字式液位传感器的体积要求比较严格,因此要求电路简单,元器件要少,所以

选用MCS-51系列的8051单片机是理所当然的[23]。 8051是MCS-51系列单片机的典型产品,我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM )、数据存储器(RAM )、

定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,图4.2就是8051的内部结构,现在我们分别加以说明:

控制总线

图4.2 8051的内部结构

(1)中央处理器

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作[24]。

(2)数据存储器(RAM)

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的RAM只有128个,可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。

(3)程序存储器(ROM)

8051共有4096个8位掩膜ROM,用于存放用户程序,原始数据或表格。

(4)定时/计数器(ROM)

8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。

(5)并行输入输出(I/O)口

8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。

(6)全双工串行口

8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。

(7)中断系统

8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。

(8)时钟电路

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构[25]。

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构,图4.3是它们的引脚配置,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英

振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O 口,中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明:

(1)Pin20:接地脚。

(2)Pin40:正电源脚,正常工作或对片内EPROM 烧写程序时,接+5V 电源。 (3)Pin19:时钟XTAL1脚,片内振荡电路的输入端。 (4)Pin18:时钟XTAL2脚,片内振荡电路的输出端。

8051的时钟有两种方式,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石

英晶体(2~12MHz )和振荡电容,振荡电容的值一般取10p~30p 。另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。

(5)输入输出(I/O )引脚:Pin39~Pin32为P0.0~P0.7输入输出脚,Pin1~Pin8为P1.0~P1.7输入输出脚,Pin21~Pin28为P2.0~P2.7输入输出脚,Pin10~Pin17为P3.0~P3.7输入输出脚,这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。

(6)Pin9:/pd RESET V 复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET 引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。初始化后,程序计数器PC 指向0000H ,P0~P3输出口全部为高电平,堆栈指钟写入07H ,其它专用寄存器被清“0”。RESET 由高电平下降为低电平后,系统即从0000H 地址开始执行程序。然而,初始复位不改变RAM (包括工作寄存器R0~R7)的状态,

8051的初始态如表4.1所示。

P1.0

RXD/P3.0P1.4P1.3P1.2P1.1P0.0/AD0VCC

GND

XTAL1XTAL2T1/P3.5

T0/P3.4TXD/P3.1

P0.7/AD7

P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P2.0/A8

P2.7/A15P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.6/A142

.3/0P INT 3

.3/1P INT PESN

VPP

EA /PROG ALE /7

.3/P RD 6.3/P WR

图4.3 MSC-51系列单片机的引脚图

数字式电容测试仪的设计

数字式电容测试仪的设计

目录 摘要 ................................................................................... 综述 (1) 1 方案设计与分析 (2) 1.1恒压充电法测量 (2) 1.2恒流充电法测量 (2) 1.3脉冲计数法测量 (2) 2 电路设计框图及功能描述 (3) 2.1 电路设计框图 (3) 2.2 电路设计功能描述 (3) 3 电路原理设计及参数计算 (4) 3.1电路原理设计 (4) 3.2单元电路设计与参数计算 (4) 3.2.1控制器电路 (4) 3.2.2时钟脉冲发生器 (5) 3.2.3计数和显示电路 (6) 4 单元电路仿真波形及调试 (8) 4.1多谐振荡器 (8) 4.2单稳态触发器 (9) 4.2.1稳定状态 (9) 4.2.2暂稳态状态 (9)

4.2.3 自动回复状态 (9) 4.3电路原理图与仿真结果显示 (10) 4.3.1电路原理图 (10) 4.3.2仿真结果显示 (11) 5课程设计体会 (14) 参考文献 (15)

摘要 本设计是基于555定时器,连接构成多谐振荡器以及单稳态触发器而测量电容的。单稳态触发器中所涉及的电容,即是被测量的电容 C。其脉冲输入信号是555定时器 x 构成的多谐振荡器所产生。信号的频率可以根据所选的电阻,电容的参数而调节。这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。因为单稳态触发器的输出脉宽是根据电容 C x 值的不同而不同的,所以脉宽即是对应的电容值,其精确度可以达到0.1%。单稳态触发器输出的信号滤波,使最终输出电压 v与被测量的电容值呈线性关系。最后是输出电 o 压的数字化,将 v输入到74160计数译码器中翻译成BCD码,输入到LED数码管中显示 o 出来。 关键词:电容;555定时器;线性;计数译码器;LED数码管

水箱液位控制系统设计说明

过程控制综合训练 课程报告 16 —17 学年第二学期课题名称基于PLC和组态王的 系统 姓名 学号 班级 成绩

水箱液位控制系统 [摘要] 在工业生产过程中,液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍,为了保证生产正常进行,物料进出需均衡,以保证过程的物料平衡。因此,工艺要求贮槽的液位需维持在给定值上下,或在某一小围变化,并保证物料不产生溢出。例如,锅炉系统汽包的液位控制,自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求,设计一个单容水箱的液位过程控制系统,该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。 关键词:过程控制液位控制PID控制 Abstract: In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production

经纬仪角度测量-水平角(测回法)-教学设计jx

建筑工程测量课程 --“经纬仪角度测量-水平角观测”教学设计(6课时)【授课专业】:建筑施工【授课科目】:测量放线 【授课课时】:6课时【授课教材】:高等教育出版社《测量放线》【授课对象】:11级建筑施工2班(共50人) 一、教学对象分析 教学对象为我校建筑施工专业11建筑施工(2)班学生,共50人。 (一)知识技能 1、完成测量学基础知识的学习,了解测量的基本工作 2、完成水准测量部分的学习,掌握学习思路和方法 3、完成了经纬仪结构以及经纬仪使用的学习,能熟练完成经纬仪的操作。 4、理解水平角的概念 (二)经验态度 1、部分学生在专业选择时目的明确,规划清晰 2、有个别学生在课余时间接触过测量仪器,有利于其学习,但会有自己先入为主的主观概念,有不良的操作习惯,并会影响其他学生。 3、学生能够积极思考,认真学习。 4、班级学习气氛较好,有较强的团队合作意识。 5、学生对于技能应用比较看重,不重视理论的学习。 (三)风格特点 1、大部分学生上课能够认真听讲,并能跟随教师的上课思路 2、能够主动学习,发现问题,并能通过小组讨论和请教老师等途径寻求解决方法。 3、仍有部分学生上课思想不集中,导致实际操作过程中会出现各种细节问题。 二、教学目的及要求 (一)知识目标: 1、掌握测回法测定水平角的操作过程和角度计算 2、了解水平角测量的实际应用。 (二)技能目标: 1、熟练经纬仪的操作;

2、能了解误差产生的原因并在测量过程中加以控制; 3、能评价判断测量结果。 (三)素质目标: 1、学会团队合作,能相互协作学习讨论,并在小组学习中构建自己的知识体系。 2、培养认真细致、吃苦耐劳的专业作风,严谨的工作态度。 【原由】: 对于建筑施工专业的学生而言,测量不仅仅是需要了解的技能,更可能是他们以后从事的工作,所以对于测量的基本功的要求更加严苛。 由于中职学生对于理论的轻视,使得在知识层面上的掌握浅薄,所以在理论知识上要求他们熟练记忆。 从岗位需求上看,中职学生要打破社会成见,必须有一定的技能证书,所以面向技能层面的目标是以中级测量工的基本要求为标准的。 对于学生的素质培养是所有教学的基本,先做人,后做事,所以严谨细致的作风和团队合作的精神,是贯彻教学当中的。 三、教学内容分析 (一)教学内容 根据课程要求和中职建筑施工专业学生的就业前景与职业发展,扎实完成测量的基本工作之一:水平角的测量。从基本的测回法入手,在掌握仪器使用的前提下,清晰了解水平角测量的原理和方法,清晰掌握测回法的步骤和注意事项。并通过四边形内角测回法观测这一具体测量项目考核与检查学生的概念理解能力,实际操作能力,合作组织能力以及发散思考能力。具体教学任务为: 1、熟练掌握角度的计算 2、掌握测回法测定水平角的过程 3、完成一四边形内角的观测。 4、分析项目完成过程中的不规范操作并能加以改正。 (二)教材分析 所采用的教材:《测量放线》----高等教育出版社出版 课程内容: 3.2.2 测回法测定水平角 本教材在编排上,先介绍了仪器的操作,再介绍 原理和方法,比较符合中职学生的认知顺序。通过对 教材的整理,拓展了一项综合性的小组任务:四边形内 角和的测量。从而达到理实一体化的教学效果。

简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计

简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计报告 摘要:本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和ICL8038精密函数发生器实现对电阻、电容和电感参数的测量。本系统以自制电源作为LRC数字电桥和各个主要控制芯片的输入电源,并采用ICL8038芯片产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串联电路,通过测量电阻、电容或者电感和标准电阻各自的电压,利用电压比例计算的方法推算出电阻值、电容值或者电感值。利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果,运用自校准电路提高测量精度,同时用差压法,消除了电源波动对结果的影响。测量结果采用12864液晶模块实时显示。实验测试结果表明,本系统性能稳定,测量精度高。 关键词:LRC 数字电桥、电压比例法、液晶模块、MSP430F149、电阻电容电感测量 一、设计内容及功能 1.1设计内容 设计并制作一台简易数字式电阻、电容和电感参数测量仪,由测量对象、测量仪、LCD 显示和自制电源组成,系统模块划分如下图所示: 测量对象 LCD显示 电阻/电容/电感 简易的数字电阻、电容和电感测量仪 自制电源 1.2 具体要求 1. 测量范围 (1)基本测量范围:电阻100Ω~1MΩ;电容100pF~10000pF;电感100μH~10mH。 (2)发挥测量范围:电阻10Ω~10MΩ;电容50pF~10μF;电感50μH~1H。 2. 测量精度 (1)基本测量精度:电阻±5% ;电容±10% ;电感±5% 。 (2)发挥测量精度:电阻±2% ;电容±8% ;电感±8% 。 3. 利用128*64液晶显示器,显示测量数值、类型和单位。 4. 自制电源 5. 使用按键来设置测量的种类和单位 1.3系统功能 1. 基本完成以上具体要求 2. 使用三个按键分别控制R、C、L的测试 3. 采用液晶显示器显示测量结果 二、系统方案设计与选择 电阻、电容、电感测试仪的设计目前有多种方案可以实现,例如、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前本文对各种方案进行了比较:

基于51单片机的数字电容测量仪设计说明

电子系统设计创新与实习报告 设计课题基于单片机的电容测量仪设计 学院信息科学与工程 学生姓名 学号 专业班级 队友 指导教师 设计时间2014.6.4-2014.7.3

本设计详细介绍了一种基于单片机的数字式电容测量仪设计方案及实现方法。设计的主要方法是采用555芯片构成单稳态触发器,将电容容量转换为脉冲宽度。通过单片机的计时器测量脉宽, 根据已知的R值,通过单片机的运算功能,计算出电容容量,最后,再通过单片机的普通I/O口控制液晶屏显示出电容容量的计算结果。系统的测量范围为10pF~ 500uF, 具有多个量程,可根据用户需要由用户选择,与用户的交互是通过键盘实现,不同量程的实现是通过单片机的I/O口控制继电器的吸合与断开来选择不同的R值,从而实现不同的量程。同时,本设计注重设计方法及流程,首先根据原理设计电路,再通过protues 仿真,利用keil编程,进而借助altium designer 制作PCB,最后到焊接元器件,调试直至成功。

1 系统方案设计 1.1 设计说明及要求 1.1.1 设计说明 框图中的外接电容是定时电路中的一部分。当外接电容的容量不同时,与定时电路所对应的时间也有所不同,即C=f(t),而时间与脉冲数目成正比,脉冲数目可以通过计数译码获得。 1.1.2 设计要求 (1)基本要求 ①自制稳压电源。 ②被测电容的容量在10pF至10000μF范围内 ③设计四个的测量量程。 ④显示测量结果,测量误差小于2.5%。 数字显示:显示分辨率:每档满量程的0.1%; 电容测量:电压可选择5V,25V,50V; 为实现该设计,达到相应的设计要求,本次设计中考虑了三种设计方案,三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同,对于本设计,三种方案均能够实现,最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了基于STC89C52单片机和555芯片构成的单

基于PLC的液位控制系统设计

毕业论文(设计)题目:基于PLC控制的高精度液位控制系统的设计 姓名:濮孝金 学号: 专业:机械电子工程 年月

摘要 在工农业生产过程中,经常需要对水位进行测量与控制,而日常生活中应用 到的水位控制也相当广泛。在以往水塔液位控制系统中,常规继电器的频繁操作容易导致机械磨损,不方便更新和维护,不能满足人们的实际需求;另外,随着人口的递增和生活条件的提高,人们用水的需求量也日益增加。 为了提高液位控制系统的质量和效率,节约能源,本次模拟水塔液位控制系统的装置考虑结合可编程逻辑控制器,继电器和传感器等技术,实现液位控制系统的自动控制。本设计使用西门子S7-300 PLC可编程控制器作为液位控制系统的核心,配合硬件与软件实现液位控制池液位动态平衡,过高、过低水位报警等功能。主要 的实验方法是在水箱上安装一个自动水位测量装置,通过水位变送器检测水箱实际液位并将该液位反馈到PLC控制器,经A/D转换后,所得数据与PLC内部设定数据进行比较,控制器处理数据并发送相应指令改变电机的转速从而控制抽 水速率,改变进水量,使水位稳定地保持在设定值附近。此外,通过液位标定计算出控制器输出PIW数值与实际水位的关系,就可以在触摸屏上直观显示实时水位情况。实验结果表明本设计能较好地完成自动液位控制的功能。 关键词:水塔液位控制,水位控制,继电器,PLC Abstract In the course of routine industrial and agricultural production we the need to measure the water level and

control it. Furthermore everyday level control applications are quite extensive , such as hydropower , water towers and other water control . According to the water supply system in the past, frequent operation towers will produce mechanical wear of conventional relay convenient maintenance and updates, that means it can not meet the actual needs of the people, and with Gradual growth of population and living conditions, the demand for water is also increasing .In order to improve the quality of the water supply system, energy conservation, so I considered use a programmable logic controller, relay and sensor technology, with hardware and software to achieve low water level alarm, warning switch between work and procedures manual / automatic to design practical level control tower scheme. I completed the set up of this simulation using the tank water tower , based on Siemens S7-300 PLC programmable controller tank water level control system as the core .I completed a water tank to

液位控制系统设计说明

目录 第1章绪论............................................................................................... - 1 - 第2章设计方案........................................................................................ - 2 - 2.1 方案举例......................................................................................... - 2 - 2.2 方案比较......................................................................................... - 3 - 2.3 方案确定......................................................................................... - 3 - 第3章硬件设计........................................................................................ - 4 - 3.1 控制系统......................................................................................... - 4 - 3.1.1 AT89C51单片机 ..................................................................... - 4 - 3.1.2 AT89C51的信号引脚............................................................... - 6 - 3.1.3 单片机最小系统 ....................................................................... - 7 - 3.2 感应系统......................................................................................... - 8 - 3.3 指示系统......................................................................................... - 9 - 3.4 液位控制系统................................................................................. - 10 - 3.5 电机与报警系统.............................................................................. - 11 - 第4章软件设计...................................................................................... - 14 - 4.1 延时子程序.................................................................................... - 14 - 4.2 感应系统程序................................................................................. - 14 - 4.3 指示系统程序................................................................................. - 15 - 4.4 电机和警报系统程序 ....................................................................... - 16 - 4.5 液位预选系统程序 .......................................................................... - 16 - 4.6 系统主流程图................................................................................. - 19 - 第5章系统测试...................................................................................... - 21 - 5.1 仿真测试过程................................................................................. - 22 - 5.2 仿真结果....................................................................................... - 24 -总结...................................................................................................... - 25 - 致谢...................................................................................................... - 26 - 参考文献................................................................................................... - 25 -附录1 系统仿真电路 ................................................................................ - 28 - 附录2 源程序.......................................................................................... - 29 -

数字电容测试仪

数字式电容测量仪的设计 一、总体方案的选择 数字式电容测量仪的设计可以有占空比可调的方波发生器产生基准方波信号,频率为10KHz,再通过555定时器构成单稳态电路。通过计数器计数显示电路显示当前电容容量。所设计的电容测量范围(1uF~999uF)。误差2%左右。 1.拟定系统方案框图 (1)方案一:纯硬件电路 图1纯硬件构成系统框图 (2)方案二:运用单片机程序编程设计电路 图2含单片机程序设计电路 2.方案的分析和比较 基于方案一较方案2只用到简单硬件,不需要编程,且大部分设计知识已经掌握,所需的有设计到出图的时间比较少。所以选择方案一,简单,易行,节省时间。 二、单元电路的设计 1.时基电路 时基电路是由占空比可调的555定时器构成的多谐振荡器,其基本工作原理如下:由于电路中二极管D1,D2的单向导电性,使电容器的充放电分开,改变电阻大小,就可调节多谐振荡器的占空比。图中Vcc通过R4、D2向电容C3充电,充电时间为 t ph 0.7R 4 C3 式(1)方 波 发 生 电 路与 门 电 路 计 数 电 路 译 码 显 示 电 路 单 稳 态 电 路

电容器 C3通过D1,R5及555中的三极管T 放电,放电时间为 t pl ≈0.7R 5C 式(2) 因而,振荡频率为 3 )54(43 .11C R R t t f pl ph +≈+= 式(3) 电路输出的占空比为 %1005 44 (%)?+= R R R q 式(4) VCC 5V A2 555_VIRTUAL GND DIS OUT RST VCC THR CON TRI R43.2kΩ R510kΩ D11BH62 D21BH62 C30.01μF C4 0.01μF 图3占空比可调的方波发生器 图4方波发生器的工作波形 本次试验需要产生8.9KHz 的频率,通过公式计算R4=3.2K Ω,R5=10K Ω,C3=0.01uf 此时f=10.8KHz,通过模拟产生的基准频率为8.9KHz,满足误差要求。 用555定时器构成的单稳态触发器如图5所示。

液位控制系统设计

液位控制系统设计 学院: 专业班级: 学生姓名: 指导老师:

液位控制系统设计 本文主要讲了压力传感器实现的液位控制器的设计方法,以单片机为核心。通过外围硬件电路来达到实现控制的目的,根据需要设定液位控制高度,同时具备报警、高度显示等功能,具有与液面不接触的特点,可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制,具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究,还可用于生产实际,是目前比较缺少的一种产品。随着微电子工业的迅速发展,单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中,为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。 。关键词:单片机;水位检测;控制系统;仿真 0 引言 随着微电子工业的迅速发展,单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中,为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目,通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外,液位控制在高层小区水塔水位控制,污水处理设备和有毒,腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。中国使用单片机的历史只有短短的30年,在初始的短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会,很多地区还成立了单片微型计算机应用协会,那是全国形成的第一次高潮。单片机应用技术飞速发展,我们上因特网输入一个“单片机”的搜索,将会看到上万个介绍单片机的网站,这还不包括国外的。电子界,在2003年7月,https://www.360docs.net/doc/d34951186.html, (91 猎头网)在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中,单片机人才的需求量位居第一。大家都有些奇怪一块小小的片子,为何有这样的魔力?我们首先从它的构成说起:单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。正因为如此他才改变了我的生活它为我们改变了什么?纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等,这些都离不开单片机。以前没有单片机时,这些东西也能做,但是只能使用复杂的模拟电路,然而这样做出来的产品不仅体积大,而且成本高,并且由于长期使用,元器件不断老化,控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后,我们就将控制这些东西变为智能化了,我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路,核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了,成本也降低了,长期使用也不会担心精度达不到了。所以,它的魔力不仅是在现在,在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计,我国的单片机年容量已达3 亿片,且每年以大约20%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机,并不断地

角度测量装置研究报告与设计方案

唐山师范学院本科毕业论文 题目角度测量装置的研究与设计 学生 222222 指导教师尹义斌高级实验师 年级 2008级 专业电子信息科学与技术 系别物理系 唐山师范学院物理系 2018年5月

郑重声明 本人的毕业论文<设计)是在指导教师尹义斌老师的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为,本人愿意承担由此产生的各种后果,直至法律责任,并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。 毕业论文<设计)作者<签名): 年月日

目录 标题 (1) 中文摘要 (1) 1 序言 (1) 2 系统基本方案设计 (1) 2.1各模块方案的选择 (1) 2.2系统总体概述 (5) 2.3系统结构框图 (2) 2.4系统总电路图 (3) 3 硬件系统设计 (3) 3.1单片机芯片介绍 (3) 3.2传感器芯片介绍 (4) 3.3AD转换装置 (6) 3.4四分频电路 (9) 3.5液晶显示电路 (10) 4系统程序设计 (13) 系统程序流程图 (13) 5结论 (14) 参考文献 (14) 致谢 (15) 附录 (16) 外文页 (19)

电子角度测量仪的研究与制作 李洪卫 摘要角度测量装置是某控制系统中瞄准装置的关键部件.在以往的控制系统中,多数都是仅凭设备操作人员眼睛瞄准指定目标,然后作出相应的控制,这样就带来一系列问题,如操作人员的经验、瞄准装置转盘的空回都可能会严重会影响瞄准目标的精确程度,从而严重影响控制系统的精度.为了提高控制系统的瞄准精度,在控制系统的瞄准装置中增加了角度测量装置,操作人员要求目标后所要达到的角度值能够精确定量地显示在操作面板上,帮助操作人员更加准确地实现对角度的精确需求,因此,极大地提高了控制系统的控制精确度.本系统就是角度测量装置的一个简单的应用,设计采用单片机为控制单元,用倾角传感器检测平衡板倾斜角度,采取步进电机控制平衡板角度并使其达到预置角度的目的。 关键词角度传感器单片机 AD转换分频 1 序言 现如今,角度测量装置在很多机械应用系统中都是关键的部位,而且是需要高精度的重要装置,但是在以往的一些控制系统中多数都是单凭依靠设备操作人员的主观判断来锁定目标,然后来做出相应的判断和控制,这就带来了很多问题,比如这会由于操作人员的经验,目测误差以及对装置操作问题所引起的操作误差,甚至误差过大而远远不符合实际要求。所以为了提高角度测量的精度,提高装置的可操作性,所以需要角度测量装置来帮助实现。 本设计开始利用角度传感器SCA60C的角度测量功能对其所在位置的角度输出模拟信号,然后利用模数转换芯片ADC0809将传感器所输出的将模拟量转变为数字量,然后将数字量输入到单片机89c52内部控制并通过数码管输出显示出实际的角度值。 2系统基本方案设计 2.1 各方案论证与比较

数字电路课程设计报告_简易数字电容测试仪(原创)

数电课程设计报告 题目简易数字式电容测试仪 简易数字电容C测量仪 前言 电子制作中需要用到各种各样的电容器,它们在电路中分别起着不同的作用。与电阻器相似,通常简称其为电容,用字母C表示。顾名思义,电容器就是“储存电荷的容器”。尽管电容器品种繁多,但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质(固体、气体或液体)所隔开,就构成了电容器。两片金属称为的极板,中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容,最多见的是电解电容和瓷片电容。 不同的电容器储存电荷的能力也不相同。规定把电容器外加1伏特直流电压时所储存的电荷量称为该电容器的电容量。电容的基本单位为法拉(F)。但实际上,法拉是一个很不常用的单位,因为电容器的容量往往比1法拉小得多,常用微法(μF)、纳法(nF)、皮法(pF)(皮法又称微微法)等,它们的关系是:1法拉(F)= 1000000微法(μF)1微法(μF)= 1000纳法(nF)= 1000000皮法(pF)。 电容器在电子线路中得到广泛的应用,它的容量大小对电路的性能有重要的影响,本课题就是用数字显示方式对电容进行测量。 本设计报告共分三章。第一章介绍系统设计;第二章介绍主要电路及其分析;第三章为总结部分。 摘要:由于单稳态触发器的输出脉宽t 与电容C成正比,把电容C转换成宽度为t W的矩 W 形脉冲,然后将其作为闸门信号控制计数器计标准频率脉冲的个数,并送锁存--译码--显示系统就可以得到电容量的数据。 关键词:闸门信号标准频率脉冲

目录 第一章系统设计 (2) 一、设计目的 (2) 二、设计内容要求 (2) 三、设计技术指标 (2) 四、方案比较 (2) 五、方案论证 (3) 1、总体思路 (3) 2、设计方案 (3) 第二章主要电路设计与说明 (4) 一、芯片简介 (4) 1、555定时器 (4) 2、单稳态触发器74121 (4) 3、4位二进制加法计数器47161 (5) 4、4位集成寄存器74 LSl75芯片 (6) 5、七段译码器74LS47-BCD 芯片 (7) 二、总电路图及分析 (7) 1、总图 (7) 2、参数选择及仪表调试 (9) 3、产品使用说明 (9) 4、以测待测电容Cx的电容量为例说明电路工作过程及测容原理 (9) 三、各单元电路的设计与分析 (9) 1、基准脉冲发生器 (9) 2、启动脉冲发生器 (10) 3、Cx转化为Tw宽度的矩形脉冲 (10) 4、计数器 (10) 5、寄存—译码—显示系统 (10) 第三章总结 (11) 参考文献 (11) 附录 (11) 附录1 元器件清单 (11) 附录2 用集成元件代分立元件电路 (12) 评语 (13)

数字电容测量仪-课程设计

数字电子技术课程设计报告书 课题名称 数字电容测量仪的设计 姓 名 吴亚香 学 号 1212501-35 学 院 通信与电子工程学院 专 业 电子科学与技术 指导教师 张学军 2014年 6月 10 日 ※ ※※※※※※※※ ※※ ※※ ※※ ※ ※※ ※※※※※※ 2012级电子科学与技术专业 数字电子技术课程设计

数字电容测量仪的设计 1设计目的 (1)掌握multisim12仿真软件的应用技巧。 (2)掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。 (3)熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法,并掌握其工作原理。 2设计思路 本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲,转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”,得到计数脉冲,该计数脉冲送计数—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。。 3设计过程 3.1设计框图

图1 数字电容测量仪原理图 3.2多谐振荡器电路的设计 振荡器是数字电容测量仪的核心,振荡器的稳定度以及其所产生的基准频率的稳定度决定了数字电容测量仪的准确度,通常选用石英晶振构成振荡电路。在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器如果图2所示。 555组成多谐振荡器的工作原理如下: 接通电源Vcc后,Vcc经电阻R 1和R 2 对电容C充电,其电压U C 由0按指数 规律上升。当U C ≥2/3V CC 时,电压比较器C 1 和C 2 的输出分别为U C1 =0、U C2 =1,基 本RS触发器被置0,Q=0、Q’=1,输出U 0跃到低点平U oL 。与此同时,放电管V 导通,电容C经电阻R2和放电管V放电,电路进入暂稳态。随着电容C放电, Uc下降到Uc≤1/3Vcc时,则电压比较器C 1和C 2 的输出为U c1 =1、U c2 =0,基本RS 触 发器被置1,Q=1,Q’=0,输出U 0由低点平U oL 跃到高电平Uo H 。同时,因Q’=0, 放电管V截止,电源Vcc又经过电阻R 1和R 2 对电容C充电。电路又返回前一个 暂稳态。因此,电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电,从而使电路产生了振荡,输出矩形脉冲,作为基准信号频率。555组成多谐振荡器输出波形如图3。 图2 555组成多谐振荡器 图3多谐振荡电路及输出波形 3.3 单稳态触发器电路的设计 单稳态触发器所产生波形用于控制计数,由555定时器组成的单稳触发器,它既为下级的多谐触发器提供输入脉冲,又为后面计数器开始计数提供信号脉

(完整版)水位控制系统设计

课题名称:水箱水位控制系统设计专业:电气工程及其自动化学号: 姓名:

水箱水位控制系统设计 摘要 本设计主要基于单片机的硬件电路设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述。在设计中对水塔水位控制原理进行分析,选用AT89C51单片机作为控制水塔水位的处理芯片,由AT89C51的P1口直接来控制.设计方案采用模块化程序设计方法,结合程序流程图,编写程序代码,最后利用KEIL公司的u Vision3软件及伟福仿真软件进行仿真实验,达到单片机自动控制水塔水位变化的目的. 关键词:单片机,水塔水位控制原理,AT89C51,伟福仿真软件

目录 前言 (1) 第1章设计内容 (2) 1.1 设计要求 (2) 1.2 方案设计 (2) 第2章硬件电路设计 (3) 2.1 系统框图设计 (3) 2.2 系统原理 (4) 第3章水塔水位控制系统的硬件电路设计 (5) 3.1 水位检测电路 (5) 3.2 水位显示电路 (5) 3.3电机控制电路 (6) 3.4振荡电路和复位电路 (7) 3.5声光报警电路 (7) 第4章软件程序设计 (8) 4.1 系统主程序流程图 (8) 4.2编写C程序 (9) 第5章硬件制作与调试 (10) 结论 (11) 附录 (12) 仿真总图 (12) 源代码 (13)

前言 水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置,在我们的生活中起到了重要的作用,而水基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位自动保持在一定的位置,通过对其水位的控制对外供水,以满足需要。塔里面的水位控制是一个水塔发挥作用的关键。该系统使用水位传感器对水塔水位进行检测并将检测到的信号传给单片机来进行处理,通过调整定时器的定时时间来增大或者缩小占空比,并编写程序加以控制,从而实现电机的调速。最后,使用液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。该系统通过了报警模块来实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理。本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要,节省工作时间,提高了整体工作的效率,实现水塔水位的自动控制。 液位控制是工业控制中的一个重要问题,针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点,为适应复杂系统的控制要求,人们研制了种类繁多的先进的智能控制器,模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点,可以在线实现PID参数的调整,使控制系统的响应速度快,过渡过程时间大大缩短,超调量减少,振荡次数少,具有较强的鲁棒性和稳定性,在模糊控制中扮演着十分重要的角色。

数字电容测量仪 课程设计

数字电子技术课程设计报告书 课题名称 数字电容测量仪的设计 姓 名 吴亚香 学 号 1212501-35 学 院 通信与电子工程学院 专 业 电子科学与技术 指导教师 张学军 2014年 6月 10 日 ※※※※※※※※ ※ ※※ ※※ ※ ※ ※※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ 2012级电子科学与技术专业 数字电子技术课程设计

数字电容测量仪的设计 1设计目的 (1)掌握multisim12仿真软件的应用技巧。 (2)掌握电容数字测量仪的设计组装与调试方法。 (3)熟悉相应的中大规模集成电路的使用方法,并掌握其工作原理。 2设计思路 本设计中用555振荡器产生一定周期的矩形脉冲作为计数器的CP脉冲也就是标准频率。同时把待测电容C转换成宽度为tw的矩形脉冲,转换的原理是单稳态触发器的输出脉宽tw与电容C成正比。把此脉冲作为闸门时间和标准频率脉冲相“与”,得到计数脉冲,该计数脉冲送计数—译码显示系统就可以得到电容量的数据。外部旋钮控制量程的选择。用计数器控制电路控制总量程。。 3设计过程 3.1设计框图 图1 数字电容测量仪原理图 3.2多谐振荡器电路的设计 振荡器是数字电容测量仪的核心,振荡器的稳定度以及其所产生的基准频率的稳定度决定了数字电容测量仪的准确度,通常选用石英晶振构成振荡电路。在要求不高的情况下可以选用555构成的多谐振荡器如果图2所示。

555组成多谐振荡器的工作原理如下: 接通电源Vcc后,Vcc经电阻R 1和R 2 对电容C充电,其电压U C 由0按指数 规律上升。当U C ≥2/3V CC 时,电压比较器C 1 和C 2 的输出分别为U C1 =0、U C2 =1,基 本RS触发器被置0,Q=0、Q’=1,输出U 0跃到低点平U oL 。与此同时,放电管V 导通,电容C经电阻R2和放电管V放电,电路进入暂稳态。随着电容C放电, Uc下降到Uc≤1/3Vcc时,则电压比较器C 1和C 2 的输出为U c1 =1、U c2 =0,基本RS 触 发器被置1,Q=1,Q’=0,输出U 0由低点平U oL 跃到高电平Uo H 。同时,因Q’=0, 放电管V截止,电源Vcc又经过电阻R 1和R 2 对电容C充电。电路又返回前一个 暂稳态。因此,电容C上的电压Uc将在2/3Vcc和1/3Vcc之间来回充电和放电,从而使电路产生了振荡,输出矩形脉冲,作为基准信号频率。555组成多谐振荡器输出波形如图3。 VCC 图2 555组成多谐振荡器

电容数字测量仪设计总结报告

自动化综合设计总结报告题目:电容数字测量仪 二级学院电子信息与自动化学院 专业自动化专业 班级自动化2班、3班 指导老师刘晓东 组员

电容数字测量仪

摘要 本设计是基于555定时器构成多谐振荡器产生输入脉冲信号,然后通过AT89C51对方波脉冲中断计数而测量电容的。在多谐振荡器输出端加入一个74HC08对方波消除毛刺产生方波输入到单片机外部中断0,再通过单片机内部 C。计数器对方波进行脉宽计数。555定时器中所涉及的电容,即是被测量的电容x 信号的频率可以根据所选的电阻,电容的参数而调节,这样便可以定量的确定被测电容的容值范围。最后通过LCD1602显示被测电容数值。 关键词:电容,555定时器,AT89C51,LCD1602

目录

1、引言 当前数字系统的设计正朝着快速以及大容量和便利的方向发展。现代电子产品几乎几乎应用到各个领域,有力推动了现代社会信息化的进展,这反过来也要求电子产品要以更快的速度节奏升级。 在日常的电路工程或者电路试验中,电容为一个最常见的电子元件,在实际电路中对电容的要求也愈加精确,传统的电容测量仪表现的不够直观、精确度不高以及便利。因此,这次,我们选择一个数字式电容测量仪,只要打开开关就可以直观的观察电容数量值大小。相比以前的更为方便、高精确度的有点,这也为本次选题带来了意义,同时也提高了我们对设计的兴趣。 2.1 设计要求 1、设计电容数字测量仪电路,测量并显示电容大小 2、测量电容范围为100p f~50μF 3、系统工作满足电容测量一般要求。 2.2 系统整体方案设计 本设计是通过一块555芯片来测量电容,让555芯片工作在直接反馈无稳态 的状态下,555芯片输出一定频率的方波,其频率的大小跟被测量的电容之间的 关系是: 0.772/(*) x f R C =,我们固定R的大小,其公式就可以写为:/ x f k C =, 只要我们能够测量出555芯片输出的频率,就可以计算出测量的电容。计算频率的方法可以利用单片机的计数器0T和中断0 INT配合使用来测量,这种研究方法相当的简单。系统框图见下图。

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