بحث حول نظام التحكم التلقائي في المستوى المصمم بواسطة مستشعر الموجات فوق الصوتية

نظرة عامة على وظيفة النظام ومخطط الكتلة

 

يستخدم هذا التصميم حاسوبًا صغيرًا ذو شريحة واحدة MCS-51 مدمجًا مع شريحة رقمية ودائرة تناظرية لإكمال الكشف والتحكم التلقائي في مستوى الماء. الأساسية أجزاء المستشعر بالموجات فوق الصوتية التي يقوم المضيف بتعيين مستوى السائل لنفسه والعبد من خلال لوحة المفاتيح، يقيس المستشعر بالموجات فوق الصوتية قيمة الجهد المقابلة لمستوى الماء الحالي، ثم يرسلها إلى وحدة التحكم ويقارنها بالقيمة المحددة من خلال التحويل التناظري إلى الرقمي، ويتحكم الكمبيوتر ذو الشريحة الواحدة في صمام الملف اللولبي لضبط مستوى السائل للمضيف، ويعرض القيمة المحددة والقيمة الحالية على شاشة LCD؛ تنقل وحدة التحكم المضيفة القيمة المحددة إلى وحدة التحكم التابعة من خلال اتصال 485، ويمكن لوحدة التحكم التابعة أيضًا التحكم في مستوى السائل مثل وحدة التحكم المضيفة، وعرض القيمة المحددة وقيمة مستوى السائل الحالي للمضيف من خلال شاشة LCD؛ واستخدم اتصال 485 لإرسال مستوى السائل الحالي للعبد إلى المضيف وعرضه.

 

يتكون النظام من وحدة معالجة بيانات نظام الكمبيوتر الصغير أحادية الشريحة، ووحدة إدخال البيانات A/D، ووحدة الاتصال 485، والتحكم في مستوى السائل ووحدة الإنذار، ولوحة المفاتيح ووحدة العرض. عرض المخطط والمقارنة يأخذ في الاعتبار متطلبات النظام. في عملية اختيار الجهاز، يتم التركيز على اختيار مستشعر مستوى السائل بالموجات فوق الصوتية  ورقائق التحويل التناظرية إلى الرقمية.

 

الاستشعار

أثناء عملية تصميم النظام، تم اختيار ومقارنة أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الثلاثة التالية.

الحل 1: مستشعر الضغط

 

 

في الوقت الحاضر، معظم أجهزة استشعار ضغط مستوى السائل عبارة عن أجهزة إرسال لمستوى السائل ذات الضغط الثابت، ولا يمكن قياس أجهزة استشعار مستوى السائل ذات الضغط الثابت بدقة إلا بالرجوع إلى الضغط الجوي. ومع ذلك، فإن التهوية في كابل التوصيل سوف تتأثر بالبيئة، مما يتسبب في تكثيف الجدار الداخلي للقصبة الهوائية، وتكثيفه. يمكن أن تؤثر قطرات الندى على الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الاستشعار على الدقة أو انحراف الإخراج. وفي الوقت نفسه، إذا كان التكثيف سريعًا جدًا، فسيتم تقصير عمر خدمة جهاز الإرسال بشكل كبير. يتأثر مستشعر الضغط هذا بسهولة بالبيئة ويسبب قياسًا غير دقيق، كما أنه غير مريح في التركيب.

 

الخيار 2: مستشعر الضغط المقاوم للضغط

يستخدم مستشعر التجويف عملية دائرة متكاملة لإنشاء مكثف منتشر مباشرة على غشاء مسطح من السيليكون في اتجاه بلوري معين؛ يتمتع الحجاب الحاجز المسطح المصنوع من السيليكون بخصائص مرنة جيدة عندما يتشوه قليلاً. عند الضغط على رقاقة السيليكون، يؤدي تشوه الحجاب الحاجز إلى تغيير مقاومة مقاومة الانتشار؛ يتأثر هذا المكثف بسهولة بالبيئة الخارجية، مثل درجة الحرارة، مما يؤدي إلى قياس غير دقيق، والحجم كبير بشكل عام، وليس من السهل تركيبه وليس من السهل حمله؛ عموما دقتها منخفضة نسبيا. لا يمكن أن تلبي احتياجات التصميم.

 

الحل 3: جهاز استشعار الموجات فوق الصوتية

يعد مستشعر الموجات فوق الصوتية أول مستشعر صغير مزود بوظيفة ضبط المفاتيح ووظيفة التشخيص الذاتي في الصناعة. وعلى الرغم من صغر حجمها، إلا أنها تتمتع بوظائف أجهزة الاستشعار الكبيرة الأخرى. إنه سهل التركيب والاستخدام ولا يتأثر بلون كائن القياس. لديها العديد من الوظائف الخاصة، مثل: شاشة LED للتشخيص الذاتي ووظيفة ضبط المفتاح، ووظيفة تعويض درجة الحرارة، والتي يمكنها اختيار الكمية التناظرية أو إخراج التبديل، وما إلى ذلك؛ جهد مصدر الطاقة هو 10 ~ 30 فولت، نطاق القياس 30 مم ~ 300 مم، جهد الخرج هو 0 فولت ~ 10 فولت، تيار الخرج هو 4 مللي أمبير ~ 20 مللي أمبير، الحد الأدنى لمقاومة الحمل 2.5 أوم، ويمكن أن تصل الدقة إلى 0.5 مم، وينقسم الشكل إلى نوع مستقيم ونوع زاوية قائمة. عيار الحث هو 18 ملم. يحتوي المستشعر بالموجات فوق الصوتية على الظروف اللازمة لتلبية التحكم في مستوى السائل من 0 إلى 25 سم الذي يتطلبه التصميم، وشرط ألا يتجاوز خطأ مستوى السائل ± 0.3 سم، ويحل مشكلة التثبيت غير المريح. ولذلك، فإن هذا التصميم يختار جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية بدقة عالية وحجم صغير.

 

محول أ/د

تؤثر دقة وأداء محول A/D المستخدم بشكل مباشر على دقة البيانات التي يتلقاها المتحكم الدقيق الخلفي. هنا نقوم بمقارنة وتحليل محولي AD التاليين.

 

الحل 1: استخدم محول ADC0809 A/D 8 بت

ADC0809 هو محول A/D ذو 8 بت شائع الاستخدام، وهو نوع تقريبي متتابع. يتم تشغيل ADC0809 بواسطة +5V واحد. تحتوي الشريحة على 8 مفاتيح إلكترونية تناظرية مع وظيفة المزلاج، والتي يمكنها الاستجابة لجهود تناظرية من 0 إلى +5V 8. يتم تحويل الإشارة في مشاركة الوقت، ويستغرق التحويل حوالي 100us، وبالتالي تكون السرعة أسرع، ولكن شريحة ADC0809 ذات دقة منخفضة ودقة غير كافية، والتي لا يمكنها تلبية متطلبات هذا النظام ولا يتم استخدامها.

 

الخيار 2: اعتماد 4 ونصف محول A/D متكامل مزدوج ICL7135

ICL7135 هو محول A/D مستخدم على نطاق واسع، وهو محول متكامل A/D مع مخرجات كود BCD الديناميكي. خصائصه هي: الدقة العالية، وإخراج تحويل القطبية التلقائي، والمعايرة الصفرية التلقائية، وتشغيل مصدر الطاقة الفردي، وإخراج كود BCD الديناميكي. نظرًا لأن وقت التكامل المزدوج لطريقة التكامل المزدوج طويل نسبيًا، فإن سرعة التحويل A/D تكون بطيئة، عادةً (3 إلى 10) مرات/ثانية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكامل إشارة التداخل المتغيرة بشكل دوري هو صفر، كما أن أداء مكافحة التداخل جيد نسبيًا أيضًا. في حالة نفس الدقة، يكون السعر أقل من محول A/D من النوع التقريبي المتتالي، لذلك يكون أكثر ملاءمة لاستخدام هذا النوع من محول A/D في المناسبات التي لا تكون فيها متطلبات السرعة عالية.

 

مع الأخذ في الاعتبار متطلبات مستشعر بالموجات فوق الصوتية لقياس المسافة  ، يستخدم هذا التصميم محول ICL7135 A/D بدقة تحكم عالية. دائرة الأجهزة وتصميم البرامج. تشتمل دائرة الأجهزة لهذا التصميم على الحد الأدنى من دائرة النظام والتحكم في مستوى السائل ودائرة الإنذار واكتساب الإشارة ودائرة الإرسال ولوحة المفاتيح ووحدة العرض. الحد الأدنى من النظام (دائرة إمداد الطاقة ودائرة توسيع الإدخال / الإخراج والدائرة القوية). تعتمد أصغر لوحة نظام مستخدمة في هذا التصميم على وحدة التحكم الدقيقة 80C52، ولها قابلية تطوير جيدة. يتم توصيل وحدة المعالجة المركزية بمذبذب بلوري 11.0592 ميجاهرتز، والذي يتكون بشكل أساسي من دائرة مزلاج 74LS373، ودائرة فك تشفير 74LS138، وأزرار، وجهاز عرض، وICL7135 ودوائره النموذجية الطرفية، ويستخدم 8255 لتوسيع واجهة الإدخال/الإخراج. يظهر الحد الأدنى لدائرة النظام في الشكل 2.

تصميم البرمجيات

يستخدم جزء البرنامج بشكل أساسي 51 سلسلة من الحواسيب الصغيرة أحادية الشريحة كوحدة تحكم، ويتم أخذ عينات من جهد الخرج للمستشعر، وتتم مقارنة قيمة العينات مع القيمة المحددة، ويتحكم الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة في صمام الملف اللولبي لضبط مستوى السائل، ويحدد المضيف القيمة على الامتداد من خلال اتصال 485، وتتحكم وحدة التحكم في الامتداد في مستوى سائل الامتداد. يتضمن جزء البرنامج جزء أخذ العينات ICL7135، وجزء الاتصال 485، وجزء المعالجة الرقمية، وجزء العرض، وجزء لوحة المفاتيح وما إلى ذلك. من أجل تجنب بيانات القياس غير الدقيقة الناتجة عن حركة مستشعر الموجات فوق الصوتية لقياس المسافة، تمت إضافة وظيفة تعديل صفرية بشكل خاص لزيادة تحسين دقة النظام. يظهر مخطط تدفق البرنامج الرئيسي في الشكل 4.

النتائج التجريبية والتحليل

معدات الاختبار المطلوبة عبارة عن مقياس رقمي متعدد عالي الدقة مكون من 4 أرقام 1/2 ومقياس وذبذبة ذبذبات رقمية ثنائية التتبع بطول 100 متر.

من البيانات المذكورة أعلاه، يمكننا أن نرى أن دقة بيانات الاختبار لكل وحدة كشف في النظام عالية جدًا، وقيمة عرض الكريستال السائل والقيمة المقاسة قريبة جدًا من القيمة المحددة، وهناك علاقة خطية مع جهد خرج المستشعر، وعلاقة تناسبية معينة مع الوزن، وهذا لا ينفصل عن اختيار الأجهزة ومطابقة معلماتها واختيار خوارزميات التحكم في البرامج.

ملخص التصميم

يستخدم هذا التصميم أجهزة مثل مستشعر الموجات فوق الصوتية، وICL7135 وغيرها من الرقائق والأدوات عالية الدقة لقياس مستوى السائل، بحيث تكون دقة مستوى السائل أعلى بكثير من متطلبات عدم تجاوز خطأ مستوى السائل ±0.3 سم. يستخدم هذا التصميم أيضًا اتصال MAX485 وشاشة الكريستال السائل OCM4X8C وشرائح ومكونات أخرى، مما يجعل التصميم أكثر انسجامًا مع متطلبات التطبيق الفعلية، وبالتالي تقليل صعوبة تصميم البرامج. في البرمجيات، يؤدي استخدام أساليب البرمجة الموحدة إلى تقليل مساحة التخزين التي يتطلبها البرنامج بشكل فعال. في الوقت الحاضر، يستخدم هذا الموضوع بشكل رئيسي للكشف عن مستوى المياه الجوفية.