Даследаванне сістэмы аўтаматычнага кантролю ўзроўню, распрацаванай ультрагукавым датчыкам

Агляд функцый сістэмы і блок-схема

 

Гэтая канструкцыя выкарыстоўвае адначыпавы мікракампутар MCS-51 у спалучэнні з лічбавым чыпам і аналагавай схемай для завяршэння выяўлення і аўтаматычнага кантролю ўзроўню вады. Асноўны дэталі ультрагукавога датчыка , якія хост усталёўвае ўзровень вадкасці для сябе і падпарадкаванага праз клавіятуру, ультрагукавой датчык вымярае значэнне напружання, якое адпавядае бягучаму ўзроўню вады, а затым адпраўляе яго ў кантролер і параўноўвае з зададзеным значэннем праз аналагава-лічбавае пераўтварэнне, а адначыпавы кампутар кіруе электрамагнітным клапанам, рэгулюе ўзровень вадкасці ў гаспадару і адлюстроўвае зададзенае значэнне і бягучае значэнне на ВК-дысплеі; хост-кантролер перадае зададзенае значэнне на падпарадкаваны кантролер праз сувязь 485, і падпарадкаваны кантролер можа таксама кантраляваць узровень вадкасці, як галоўны кантролер, і адлюстроўваць зададзенае значэнне і бягучае значэнне ўзроўню вадкасці ў хаста праз ВК-дысплей; і выкарыстоўвайце сувязь 485 для адпраўкі бягучага ўзроўню вадкасці ў падпарадкаванай прылады на хост і адлюстравання яго.

 

Сістэма складаецца з модуля апрацоўкі даных адначыпавай мікракампутарнай сістэмы, модуля ўводу даных A/D, модуля сувязі 485, модуля кантролю ўзроўню вадкасці і сігналізацыі, клавіятуры і модуля дысплея. Дэманстрацыя схемы і параўнанне з улікам патрабаванняў сістэмы. У працэсе выбару прылады ўпор робіцца на выбар ультрагукавой датчык ўзроўню вадкасці  і чыпы аналага-лічбавага пераўтварэння.

 

датчык

У працэсе праектавання сістэмы былі выбраны і параўнаны наступныя тры ультрагукавыя датчыкі.

Рашэнне 1: Датчык ціску

 

 

У цяперашні час большасць датчыкаў ціску ўзроўню вадкасці з'яўляюцца перадатчыкамі ўзроўню вадкасці статычнага ціску на ўваходзе, і датчыкі ўзроўню вадкасці на ўваходным статычным ціску можна дакладна вымераць толькі ў залежнасці ад атмасфернага ціску. Тым не менш, вентыляцыя ў злучальным кабелі будзе залежаць ад навакольнага асяроддзя, у выніку чаго ўнутраная сценка трахеі кандэнсат, кандэнсат. Кроплі расы на электронных прыладах і датчыках могуць паўплываць на дакладнасць або дрэйф вываду. У той жа час, калі кандэнсацыя занадта хуткая, тэрмін службы перадатчыка будзе значна скарочаны. Гэты датчык ціску лёгка паддаецца ўздзеянню навакольнага асяроддзя і выклікае недакладныя вымярэнні, а таксама нязручны ва ўсталёўцы.

 

Варыянт 2: п'езарэзістыўны датчык ціску

П'езарэзістыўны датчык выкарыстоўвае працэс інтэгральнай схемы для непасрэднага стварэння дыфузнага варыстара на крэмніевай плоскай дыяфрагме ў пэўнай арыентацыі крышталя; крамянёвая плоская дыяфрагма валодае добрымі пругкімі ўласцівасцямі пры нязначнай дэфармацыі. Калі крамянёвая пласціна націскаецца, дэфармацыя дыяфрагмы выклікае змяненне супраціву дыфузійнага рэзістара; на гэты варыстар лёгка ўплывае знешняе асяроддзе, напрыклад тэмпература, што прыводзіць да недакладных вымярэнняў, а аб'ём, як правіла, вялікі, яго няпроста ўсталяваць і няпроста насіць з сабой; у цэлым яго дакладнасць адносна нізкая. Гэта не можа задаволіць патрэбы дызайну.

 

Рашэнне 3: ультрагукавы датчык

Ультрагукавой датчык - першы невялікі датчык з функцыяй налады ключа і функцыяй самадыягностыкі ў галіны. Хоць ён невялікі, ён мае функцыі іншых вялікіх датчыкаў. Ён просты ва ўсталёўцы і выкарыстанні, на яго не ўплывае колер вымяральнага аб'екта. Ён мае мноства спецыяльных функцый, такіх як: святлодыёдны дысплей самадыягностыкі і функцыя налады ключа, функцыя тэмпературнай кампенсацыі, якая можа выбіраць аналагавую колькасць або пераключаць выхад і г.д.; напружанне яго крыніцы харчавання складае 10 ~ 30 В, дыяпазон вымярэння складае 30 мм ~ 300 мм, выхадное напружанне складае 0 В ~ 10 В, выхадны ток складае 4 мА ~ 20 мА, мінімальны супраціў нагрузкі складае 2,5 Ом, а дакладнасць можа дасягаць 0,5 мм. Індукцыйны калібр - 18 мм. Ультрагукавы датчык мае ўмовы для кантролю ўзроўню вадкасці 0-25 см, патрабаванага канструкцыяй, і патрабаванні, каб памылка ўзроўню вадкасці не перавышала ±0,3 см, і вырашае праблему нязручнай ўстаноўкі. Такім чынам, гэтая канструкцыя выбірае ультрагукавой датчык з высокай дакладнасцю і невялікімі памерамі.

 

А/Д пераўтваральнік

Дакладнасць і прадукцыйнасць выкарыстоўванага аналога-цыфравага пераўтваральніка непасрэдна ўплываюць на дакладнасць даных, атрыманых унутраным мікракантролерам. Тут мы параўноўваем і аналізуем наступныя два канвертары AD.

 

Рашэнне 1: выкарыстоўвайце 8-бітны АЦП ADC0809

ADC0809 - гэта звычайна выкарыстоўваны 8-бітны аналагава-цыфравы пераўтваральнік, які з'яўляецца тыпам паслядоўнага набліжэння. ADC0809 сілкуецца ад аднаго +5В. Мікрасхема змяшчае 8 аналагавых электронных перамыкачоў з функцыяй фіксатара, якія могуць рэагаваць на 8 аналагавых напружанняў ад 0 да +5 В. Сігнал пераўтворыцца з падзелам часу, і для завяршэння пераўтварэння патрабуецца каля 100 мкс, таму хуткасць вышэй, але чып ADC0809 мае нізкае раздзяленне і недастатковую дакладнасць, што не можа адпавядаць патрабаванням гэтай сістэмы і не выкарыстоўваецца.

 

Варыянт 2: прыміце 4 з паловай двайны інтэгральны аналагава-цыфравы пераўтваральнік ICL7135

ICL7135 - гэта шырока выкарыстоўваны аналагава-цыфравы пераўтваральнік, убудаваны аналагава-цыфравы пераўтваральнік з дынамічным вывадам кода BCD. Яго характарыстыкі: высокая дакладнасць, выхад аўтаматычнага пераўтварэння палярнасці, аўтаматычная каліброўка нуля, праца з адным блокам харчавання і дынамічны выхад кода BCD. Паколькі час падвойнай інтэграцыі метаду падвойнай інтэграцыі адносна вялікі, хуткасць аналагава-цыфравага пераўтварэння нізкая, звычайна (ад 3 да 10) разоў/с. Акрамя таго, інтэграцыя перыядычна зменлівага сігналу перашкод роўная нулю, а эфектыўнасць абароны ад перашкод таксама адносна добрая. У выпадку аднолькавай дакладнасці цана ніжэйшая, чым аналагава-цыфравы пераўтваральнік тыпу паслядоўнага набліжэння, таму гэты тып аналагава-цыфравага пераўтваральніка больш падыходзіць у тых выпадках, калі патрабаванні да хуткасці невысокія.

 

Улічваючы патрабаванні ст ультрагукавы датчык для вымярэння адлегласці  , гэтая канструкцыя выкарыстоўвае аналагава-цыфравы пераўтваральнік ICL7135 з высокай дакладнасцю кіравання. Апаратная схема і дызайн праграмнага забеспячэння. Апаратная схема гэтай канструкцыі ўключае мінімальную сістэмную схему, ланцуг кантролю ўзроўню вадкасці і сігналізацыі, ланцуг збору і перадачы сігналу, клавіятуру і модуль дысплея. Мінімальная сістэма (ланцуг сілкавання і схема пашырэння ўводу/вываду і строб). Самая маленькая сістэмная плата, якая выкарыстоўваецца ў гэтай канструкцыі, заснавана на Мікракантролер 80C52, і ён мае добрую маштабаванасць. Цэнтральны працэсар падлучаны да кварцавага генератара 11,0592 МГц, які ў асноўным складаецца з схемы фіксатара 74LS373, схемы дэкадавання 74LS138, кнопак, прылады адлюстравання, ICL7135 і яго тыповых перыферыйных схем, а таксама выкарыстоўвае 8255 для пашырэння інтэрфейсу ўводу/вываду. Мінімальная схема сістэмы паказана на малюнку 2.

дызайн праграмнага забеспячэння

Праграмная частка ў асноўным выкарыстоўвае адначыпавы мікракампутар серыі 51 у якасці кантролера, выхадная напруга датчыка выбіраецца, значэнне выбаркі параўноўваецца з зададзеным значэннем, адначыпавы мікракампутар кіруе электрамагнітным клапанам для рэгулявання ўзроўню вадкасці, хост усталёўвае значэнне для пашырэння праз сувязь 485, а кантролер пашырэння кантралюе ўзровень вадкасці пашырэння. Частка праграмнага забеспячэння ўключае частку выбаркі ICL7135, частку сувязі 485, частку лічбавай апрацоўкі, частку дысплея, частку клавіятуры і гэтак далей. Каб пазбегнуць недакладных даных вымярэнняў, выкліканых рухам ультрагукавога датчыка для вымярэння адлегласці, асабліва дададзена функцыя рэгулявання нуля для далейшага павышэння дакладнасці сістэмы. Асноўная блок-схема праграмы паказана на малюнку 4.

Эксперыментальныя вынікі і аналіз

Неабходнае тэставае абсталяванне - гэта 4-разрадны высокадакладны лічбавы мультиметр 1/2, шкала і лічбавы асцылограф з падвойнай трасай 100M.

З прыведзеных вышэй даных мы бачым, што дакладнасць тэставых дадзеных кожнага блока выяўлення сістэмы вельмі высокая, значэнне вадкакрысталічнага дысплея і вымеранае значэнне вельмі блізкія да зададзенага значэння, існуе лінейная залежнасць ад выхаднога напружання датчыка і пэўная прапарцыйная залежнасць ад вагі. Гэта неаддзельна ад выбару апаратнага забеспячэння і адпаведнасці яго параметраў і выбару алгарытмаў кіравання праграмным забеспячэннем.

Рэзюмэ па дызайне

Гэтая канструкцыя выкарыстоўвае такія апаратныя сродкі, як ультрагукавы датчык, ICL7135 і іншыя высокадакладныя чыпы і інструменты для вымярэння ўзроўню вадкасці, так што дакладнасць узроўню вадкасці значна вышэй, чым патрабаванне, каб памылка ўзроўню вадкасці не перавышала ±0,3 см. Гэтая канструкцыя таксама выкарыстоўвае камунікацыю MAX485, вадкакрысталічны ВК-дысплей OCM4X8C і іншыя чыпы і кампаненты, што робіць канструкцыю больш адпаведнай рэальным патрабаванням прымянення і, адпаведна, памяншае складанасць распрацоўкі праграмнага забеспячэння. У праграмным забеспячэнні выкарыстанне стандартызаваных метадаў праграмавання эфектыўна памяншае прастору для захоўвання, неабходнае праграме. У цяперашні час гэты прадмет у асноўным выкарыстоўваецца для вызначэння ўзроўню грунтавых вод.