Výzkum systému automatického řízení hladiny navrženého ultrazvukovým senzorem

Přehled funkcí systému a blokové schéma

 

Tento design využívá jednočipový mikropočítač MCS-51 kombinovaný s digitálním čipem a analogovým obvodem pro dokončení detekce a automatického řízení hladiny vody. Základní části ultrazvukového senzoru , kterým hostitel nastavuje hladinu kapaliny sobě a podřízenému přes klávesnici, ultrazvukový senzor měří hodnotu napětí odpovídající aktuální hladině vody a poté ji posílá do ovladače a porovnává s nastavenou hodnotou pomocí analogově-digitální konverze a jednočipový počítač ovládá elektromagnetický ventil, upravuje hladinu kapaliny hostitele a zobrazuje nastavenou hodnotu a aktuální hodnotu na LCD; hostitelský ovladač přenáší nastavenou hodnotu do podřízeného ovladače prostřednictvím komunikace 485 a podřízený ovladač může také ovládat hladinu kapaliny jako hostitelský ovladač a zobrazovat nastavenou hodnotu a aktuální hodnotu hladiny kapaliny hostitele prostřednictvím LCD; a pomocí komunikace 485 odešlete aktuální hladinu kapaliny podřízeného hostiteli a zobrazíte ji.

 

Systém se skládá z jednočipového mikropočítačového systému pro zpracování dat, vstupního modulu A/D dat, komunikačního modulu 485, modulu kontroly hladiny kapaliny a alarmu, modulu klávesnice a displeje. Demonstrace a porovnání schémat zohledňují požadavky systému. Při výběru zařízení je kladen důraz na výběr ultrazvukový snímač hladiny kapaliny  a analogově-digitální převodní čipy.

 

senzor

Během procesu návrhu systému byly vybrány a porovnány následující tři ultrazvukové senzory.

Řešení 1: Tlakový senzor

 

 

V současné době je většina snímačů tlaku kapaliny vstupními snímači hladiny statického tlaku a snímače hladiny vstupního statického tlaku lze přesně měřit pouze s ohledem na atmosférický tlak. Větrání v připojovacím kabelu však bude ovlivněno prostředím, způsobí kondenzaci vnitřní stěny průdušnice, kondenzaci. Kapky rosy na elektronických zařízeních a senzorech mohou ovlivnit přesnost nebo odchylku výstupu. Zároveň, pokud je kondenzace příliš rychlá, životnost vysílače se velmi zkrátí. Tento tlakový senzor je snadno ovlivněn okolním prostředím a způsobuje nepřesné měření a jeho instalace je nepohodlná.

 

Možnost 2: Piezorezistivní tlakový senzor

Piezorezistivní snímač využívá proces integrovaného obvodu k přímému vytvoření difuzního varistoru na křemíkové ploché membráně v určité krystalové orientaci; křemíková plochá membrána má dobré elastické vlastnosti, když je mírně deformována. Když je křemíkový plátek stlačen, deformace membrány způsobí změnu odporu difúzního odporu; tento varistor je snadno ovlivněn vnějším prostředím, jako je teplota, což má za následek nepřesné měření a objem je obecně velký, není snadné jej instalovat a není snadné jej přenášet; obecně je jeho přesnost relativně nízká. Nemůže vyhovět potřebám designu.

 

Řešení 3: Ultrazvukový senzor

Ultrazvukový senzor je první malý senzor s funkcí klíčového nastavení a funkcí vlastní diagnostiky v průmyslu. Přestože je malý, má funkce jiných velkých senzorů. Snadno se instaluje a používá a není ovlivněn barvou měřeného objektu. Má mnoho speciálních funkcí, jako jsou: LED displej autodiagnostiky a funkce nastavení tlačítek, funkce teplotní kompenzace, která může zvolit analogové množství nebo spínací výstup atd.; jeho napájecí napětí je 10 ~ 30 V, rozsah měření je 30 mm ~ 300 mm, výstupní napětí je 0 V ~ 10 V, výstupní proud je 4 mA ~ 20 mA, minimální zátěžová impedance je 2,5 ohm a přesnost může dosáhnout 0,5 mm, Tvar je rozdělen na přímý typ a pravoúhlý typ. Indukční kalibr je 18 mm. Ultrazvukový senzor má podmínky pro splnění kontroly hladiny kapaliny 0-25 cm požadované konstrukcí a požadavek, aby chyba hladiny kapaliny nepřesáhla ±0,3 cm, a řeší problém nepohodlné instalace. Proto tato konstrukce vybírá ultrazvukový snímač s vysokou přesností a malými rozměry.

 

A/D převodník

Přesnost a výkon použitého A/D převodníku přímo ovlivňuje přesnost dat přijímaných back-end mikrokontrolérem. Zde porovnáme a analyzujeme následující dva AD převodníky.

 

Řešení 1: Použijte 8bitový A/D převodník ADC0809

ADC0809 je běžně používaný 8bitový A/D převodník, který je typu postupné aproximace. ADC0809 je napájen jedním +5V. Čip obsahuje 8 analogových elektronických spínačů s funkcí západky, které mohou reagovat na 0 až +5V 8 analogových napětí. Signál je konvertován v time-sharingu a dokončení konverze trvá asi 100us, takže rychlost je vyšší, ale čip ADC0809 má nízké rozlišení a nedostatečnou přesnost, což nemůže splnit požadavky tohoto systému a není používán.

 

Možnost 2: Přijměte 4 a půl dvojitý integrální A/D převodník ICL7135

ICL7135 je široce používaný A/D převodník, integrovaný A/D převodník s dynamickým výstupem BCD kódu. Jeho vlastnosti jsou: vysoká přesnost, výstup automatické konverze polarity, automatická kalibrace nuly, provoz s jedním napájecím zdrojem a dynamický výstup kódu BCD. Protože doba dvojité integrace u metody dvojité integrace je relativně dlouhá, je rychlost A/D konverze pomalá, obvykle (3 až 10) krát/s. Kromě toho je integrace periodicky se měnícího rušivého signálu nulová a výkon proti rušení je také relativně dobrý. Při stejné přesnosti je cena nižší než u postupného aproximačního typu A/D převodníku, proto je vhodnější tento typ A/D převodníku použít v případech, kdy nejsou vysoké nároky na rychlost.

 

S ohledem na požadavky ultrazvukový snímač pro měření vzdálenosti  , tato konstrukce využívá A/D převodník ICL7135 s vysokou přesností řízení.Hardwarový obvod a softwarový design.Hardwarový obvod tohoto provedení obsahuje obvod minimálního systému, obvod pro řízení hladiny kapaliny a obvod alarmu, obvod pro sběr a přenos signálu, klávesnici a modul displeje.Minimální systém (napájecí obvod a rozšiřující obvod I/O a obvod stroboskopu). Nejmenší systémová deska použitá v tomto návrhu a dobrá mikrokontrola 8C5 je založena na CPU je spojeno s krystalovým oscilátorem 11,0592 MHz, který se skládá hlavně z blokovacího obvodu 74LS373, dekódovacího obvodu 74LS138, tlačítek, zobrazovacího zařízení, ICL7135 a jeho typických obvodů a používá 8255 k rozšíření I/O rozhraní. Minimální obvod systému je znázorněn na obrázku 2.

návrh softwaru

Softwarová část používá jako ovladač hlavně jednočipový mikropočítač řady 51, výstupní napětí snímače je vzorkováno, vzorkovaná hodnota je porovnávána s nastavenou hodnotou, jednočipový mikropočítač ovládá elektromagnetický ventil pro úpravu hladiny kapaliny, hostitel nastavuje hodnotu pro rozšíření prostřednictvím komunikace 485 a řadič rozšíření řídí hladinu kapaliny pro rozšíření. Softwarová část zahrnuje vzorkovací část ICL7135, komunikační část 485, část digitálního zpracování, část displeje, část klávesnice a tak dále. Aby se předešlo nepřesným naměřeným datům způsobeným pohybem ultrazvukového senzoru pro měření vzdálenosti, je speciálně přidána funkce nastavení nuly pro další zlepšení přesnosti systému. Hlavní vývojový diagram programu je znázorněn na obrázku 4.

Experimentální výsledky a analýzy

Požadovaným testovacím zařízením je 4místný 1/2 vysoce přesný digitální multimetr, stupnice a 100M duální digitální osciloskop.

Z výše uvedených údajů můžeme vidět, že přesnost testovacích dat každé detekční jednotky systému je velmi vysoká, hodnota displeje z tekutých krystalů a naměřená hodnota jsou velmi blízko nastavené hodnotě, existuje lineární vztah s výstupním napětím senzoru a určitý proporcionální vztah s hmotností, což je neoddělitelné od výběru hardwaru a přizpůsobení jeho parametrů a výběru softwarových řídicích algoritmů.

Shrnutí návrhu

Tato konstrukce využívá hardware, jako je ultrazvukový senzor, ICL7135 a další vysoce přesné čipy a nástroje pro měření hladiny kapaliny, takže přesnost hladiny kapaliny je mnohem vyšší než požadavek, aby chyba hladiny kapaliny nepřesáhla ±0,3 cm. Tento design také využívá komunikaci MAX485, LCD displej z tekutých krystalů OCM4X8C a další čipy a komponenty, díky čemuž je návrh více v souladu se skutečnými požadavky aplikace a odpovídajícím způsobem snižuje obtížnost návrhu softwaru. V softwaru použití standardizovaných metod programování efektivně snižuje úložný prostor požadovaný programem. V současnosti se tento předmět využívá především pro zjišťování hladiny podzemní vody.