Forskning om automatisk niveaukontrolsystem designet af ultralydssensor

Systemfunktionsoversigt og blokdiagram

 

Dette design bruger MCS-51 enkelt chip mikrocomputer kombineret med digital chip og analogt kredsløb for at fuldføre detektering og automatisk kontrol af vandstanden. Det grundlæggende ultralydssensordele , som værten indstiller væskeniveauet for sig selv og slaven gennem tastaturet, ultralydssensoren måler spændingsværdien svarende til den aktuelle vandstand, og sender den derefter til controlleren og sammenligner med den indstillede værdi gennem analog-til-digital-konverteringen, og single-chip-computeren styrer magnetventilen justerer værtens væskeniveau og viser den indstillede værdi og den aktuelle værdi på LCD-skærmen; værtscontrolleren transmitterer den indstillede værdi til slavecontrolleren gennem 485 kommunikation, og slavecontrolleren kan også styre væskeniveauet ligesom værtscontrolleren, og vise den indstillede værdi og aktuelle væskeniveauværdi for værten gennem LCD'en; og brug 485 kommunikation til at sende det aktuelle væskeniveau for slaven til værten og vise det.

 

Systemet er sammensat af et enkelt-chip mikrocomputersystems databehandlingsmodul, A/D-datainputmodul, 485 kommunikationsmodul, væskeniveaukontrol- og alarmmodul, tastatur og displaymodul. Skema demonstration og sammenligning tage hensyn til kravene til systemet. I udvælgelsesprocessen af ​​enheden er fokus på udvælgelsen af ultrasonisk væskeniveausensor  og analog-til-digital konverteringschips.

 

sensor

Under systemdesignprocessen blev følgende tre ultralydssensorer udvalgt og sammenlignet.

Løsning 1: Tryksensor

 

 

På nuværende tidspunkt er de fleste væskeniveautryksensorer input statisk tryk væskeniveautransmittere, og input statisk tryk væskeniveausensorer kan kun måles nøjagtigt med reference til atmosfærisk tryk. Ventilationen i tilslutningskablet vil dog blive påvirket af miljøet, hvilket medfører, at luftrørets indervæg kondenserer, kondens. Dugfald på elektroniske enheder og sensorer kan påvirke nøjagtigheden eller output-drift. Samtidig, hvis kondenseringen er for hurtig, vil levetiden for senderen blive stærkt forkortet. Denne tryksensor påvirkes let af miljøet og forårsager unøjagtig måling og er ubelejlig at installere.

 

Mulighed 2: Piezoresistiv tryksensor

Den piezoresistive sensor bruger en integreret kredsløbsproces til direkte at lave en diffus varistor på en flad siliciummembran i en bestemt krystalorientering; den flade siliciummembran har gode elastiske egenskaber, når den er let deformeret. Når siliciumwaferen presses, får membranens deformation modstanden af ​​diffusionsmodstanden til at ændre sig; denne varistor påvirkes let af det ydre miljø, såsom temperatur, hvilket resulterer i unøjagtig måling, og volumenet er generelt stort, det er ikke let at installere og ikke let at bære; generelt er dens nøjagtighed relativt lav. Det kan ikke opfylde designbehovene.

 

Løsning 3: Ultralydssensor

Ultralydssensor er den første lille sensor med nøgleindstillingsfunktion og selvdiagnosefunktion i branchen. Selvom den er lille, har den samme funktioner som andre store sensorer. Den er nem at installere og bruge og påvirkes ikke af farven på måleobjektet. Den har mange specielle funktioner, såsom: selvdiagnose LED-display og nøgleindstillingsfunktion, temperaturkompensationsfunktion, som kan vælge analog mængde eller skifte udgang osv.; dens strømforsyningsspænding er 10 ~ 30V, måleområde er 30mm ~ 300mm, udgangsspænding er 0V ~ 10V, udgangsstrøm er 4mA ~ 20mA, den mindste belastningsimpedans er 2,5 ohm, og nøjagtigheden kan nå 0,5mm, Formen er opdelt i lige type og retvinklet type. Induktionskaliberen er 18 mm. Ultralydssensoren har betingelserne for at opfylde væskeniveaukontrollen på 0-25 cm, der kræves af designet, og kravet om, at væskeniveaufejlen ikke overstiger ±0,3 cm, og løser problemet med ubelejlig installation. Derfor vælger dette design en ultralydssensor med høj nøjagtighed og lille størrelse.

 

A/D konverter

Nøjagtigheden og ydeevnen af ​​den anvendte A/D-konverter påvirker direkte nøjagtigheden af ​​de data, der modtages af back-end-mikrocontrolleren. Her sammenligner og analyserer vi følgende to AD-konvertere.

 

Løsning 1: Brug 8-bit ADC0809 A/D-konverter

ADC0809 er en almindeligt brugt 8-bit A/D-konverter, som er en successiv tilnærmelsestype. ADC0809 får strøm fra en enkelt +5V. Chippen indeholder 8 analoge elektroniske kontakter med låsefunktion, som kan reagere på 0 til +5V 8 analoge spændinger. Signalet konverteres i time-sharing, og det tager omkring 100us at gennemføre en konvertering, så hastigheden er hurtigere, men ADC0809-chippen har lav opløsning og utilstrækkelig nøjagtighed, som ikke kan opfylde kravene til dette system og ikke bruges.

 

Mulighed 2: Brug 4 og en halv dobbelt integreret A/D-konverter ICL7135

ICL7135 er en meget brugt A/D-konverter, en integreret A/D-konverter med dynamisk BCD-kodeoutput. Dens egenskaber er: høj præcision, automatisk polaritetskonverteringsoutput, automatisk nulkalibrering, enkelt strømforsyningsdrift og dynamisk BCD-kodeoutput. Da dobbeltintegrationstiden for dobbeltintegrationsmetoden er relativt lang, er A/D-konverteringshastigheden langsom, normalt (3 til 10) gange/s. Derudover er integrationen af ​​det periodisk skiftende interferenssignal nul, og anti-interferensydelsen er også relativt god. Ved samme nøjagtighed er prisen lavere end den successive tilnærmelsestype A/D-konverter, så det er mere velegnet at bruge denne type A/D-konverter i de tilfælde, hvor hastighedskravet ikke er højt.

 

I betragtning af kravene i ultralydssensor til afstandsmåling  , dette design bruger ICL7135 A/D-konverteren med høj kontrolnøjagtighed.Hardwarekredsløb og softwaredesign.Hardwarekredsløbet i dette design inkluderer minimum systemkredsløb, væskeniveaukontrol- og alarmkredsløb, signalopsamlings- og transmissionskredsløb, tastatur og displaymodul.Minimalt system (strømforsyningskredsløb og I/O-udvidelse og stroboskop-design, der bruges i dette mikrosystem,2C-kredsløb, det mindste 80-system-kredsløb). den har god skalerbarhed. CPU'en er forbundet med en krystaloscillator på 11,0592MHz, som hovedsageligt består af et 74LS373 låsekredsløb, et 74LS138 dekodningskredsløb, knapper, en displayenhed, en ICL7135 og dens perifere typiske kredsløb, og bruger 8255 til at udvide I/O-interfacet. Minimum systemkredsløb er vist i figur 2.

software design

Softwaredelen bruger hovedsageligt 51-seriens single-chip mikrocomputer som controlleren, sensorens udgangsspænding samples, samplet værdi sammenlignes med den indstillede værdi, single-chip mikrocomputeren styrer magnetventilen for at justere væskeniveauet, værten indstiller værdien til udvidelsen gennem 485 kommunikation, og udvidelsescontrolleren kontrollerer forlængelsesvæskeniveauet. Softwaredelen inkluderer ICL7135 samplingsdel, 485 kommunikationsdel, digital behandlingsdel, displaydel, tastaturdel og så videre. For at undgå de unøjagtige måledata forårsaget af bevægelsen af ​​ultralydssensoren til afstandsmåling er der specielt tilføjet en nuljusteringsfunktion for yderligere at forbedre systemets nøjagtighed. Hovedprogrammets flowdiagram er vist i figur 4.

Eksperimentelle resultater og analyse

Det påkrævede testudstyr er et 4-cifret 1/2 højpræcisions digitalt multimeter, skala og 100M dual trace digitalt oscilloskop.

Fra ovenstående data kan vi se, at testdatanøjagtigheden for hver detekteringsenhed i systemet er meget høj, flydende krystal displayværdi og den målte værdi er meget tæt på den indstillede værdi, der er et lineært forhold til sensorens udgangsspænding og et vist proportionalt forhold til vægten, Dette er uadskilleligt fra valget af hardware og matchningen af ​​dets parametre og valget af softwarekontrolalgoritmer.

Design oversigt

Dette design bruger hardware såsom ultralydssensor, ICL7135 og andre højpræcisionschips og -instrumenter til væskeniveaumåling, så væskeniveaunøjagtigheden er meget højere end kravet om, at væskeniveaufejlen ikke overstiger ±0,3 cm. Dette design bruger også MAX485-kommunikation, OCM4X8C LCD-skærm med flydende krystaller og andre chips og komponenter, hvilket gør designet mere i overensstemmelse med de faktiske applikationskrav og tilsvarende reducerer vanskeligheden ved softwaredesign. I software reducerer brugen af ​​standardiserede programmeringsmetoder effektivt den lagerplads, der kræves af programmet. På nuværende tidspunkt bruges dette emne hovedsageligt til grundvandsstandsdetektion.