تحقیق در مورد سیستم کنترل خودکار سطح طراحی شده توسط سنسور اولتراسونیک

نمای کلی عملکرد سیستم و بلوک دیاگرام

 

این طرح از میکرو کامپیوتر تک تراشه MCS-51 همراه با تراشه دیجیتال و مدار آنالوگ برای تکمیل تشخیص و کنترل خودکار سطح آب استفاده می کند. اساسی قطعات حسگر اولتراسونیک که میزبان سطح مایع خود و برده را از طریق صفحه کلید تنظیم می کند، سنسور اولتراسونیک مقدار ولتاژ مربوط به سطح آب فعلی را اندازه گیری می کند و سپس آن را به کنترل کننده می فرستد و از طریق تبدیل آنالوگ به دیجیتال با مقدار تنظیم شده مقایسه می کند، و کامپیوتر تک تراشه شیر برقی را کنترل می کند و مقدار جریان را روی میزبان تنظیم می کند و سطح مایع را تنظیم می کند. کنترلر میزبان مقدار تنظیم شده را از طریق ارتباط 485 به کنترلر برده منتقل می کند، و کنترلر برده نیز می تواند مانند کنترل کننده میزبان، سطح مایع را کنترل کند و مقدار تنظیم شده و مقدار سطح مایع فعلی میزبان را از طریق LCD نمایش دهد. و از ارتباط 485 برای ارسال سطح مایع فعلی Slave به هاست و نمایش آن استفاده کنید.

 

این سیستم از یک ماژول پردازش داده سیستم میکروکامپیوتری تک تراشه، ماژول ورودی داده A/D، ماژول ارتباطی 485، ماژول کنترل سطح مایع و هشدار، صفحه کلید و ماژول نمایش تشکیل شده است. نمایش طرح و مقایسه الزامات سیستم را در نظر می گیرد. در فرآیند انتخاب دستگاه، تمرکز بر انتخاب است سنسور سطح مایع اولتراسونیک  و تراشه های تبدیل آنالوگ به دیجیتال.

 

سنسور

در طول فرآیند طراحی سیستم، سه حسگر اولتراسونیک زیر انتخاب و مقایسه شدند.

راه حل 1: سنسور فشار

 

 

در حال حاضر، بیشتر سنسورهای فشار سطح مایع، ترانسمیترهای سطح مایع با فشار استاتیک ورودی هستند و سنسورهای سطح مایع فشار استاتیک ورودی تنها با توجه به فشار اتمسفر می توانند به طور دقیق اندازه گیری شوند. با این حال، تهویه در کابل اتصال تحت تاثیر محیط قرار می گیرد و باعث تراکم دیواره داخلی نای، تراکم می شود. قطرات شبنم روی دستگاه‌های الکترونیکی و حسگرها می‌تواند بر دقت یا رانش خروجی تأثیر بگذارد. در عین حال، اگر تراکم بیش از حد سریع باشد، طول عمر فرستنده بسیار کاهش می یابد. این سنسور فشار به راحتی تحت تأثیر محیط قرار می گیرد و باعث اندازه گیری نادرست می شود و نصب آن نامناسب است.

 

گزینه 2: سنسور فشار پیزورزیستیو

سنسور پیزورزیستیو از یک فرآیند مدار مجتمع برای ساخت مستقیم وریستور پراکنده بر روی یک دیافراگم تخت سیلیکونی در جهت کریستالی خاص استفاده می کند. دیافراگم مسطح سیلیکونی زمانی که کمی تغییر شکل می‌دهد، خاصیت ارتجاعی خوبی دارد. هنگامی که ویفر سیلیکونی فشرده می شود، تغییر شکل دیافراگم باعث تغییر مقاومت مقاومت انتشار می شود. این وریستور به راحتی تحت تأثیر محیط خارجی مانند دما قرار می گیرد و در نتیجه اندازه گیری نادرست است و حجم آن به طور کلی زیاد است، نصب آن آسان نیست و حمل آن آسان نیست. به طور کلی دقت آن نسبتا پایین است. نمی تواند نیازهای طراحی را برآورده کند.

 

راه حل 3: سنسور اولتراسونیک

سنسور اولتراسونیک اولین سنسور کوچک با عملکرد تنظیم کلید و عملکرد خود تشخیصی در صنعت است. اگرچه کوچک است، اما عملکرد سنسورهای بزرگ دیگر را دارد. نصب و استفاده از آن آسان است و تحت تأثیر رنگ جسم اندازه گیری قرار نمی گیرد. دارای بسیاری از عملکردهای ویژه مانند: صفحه نمایش LED خود تشخیص و عملکرد تنظیم کلید، عملکرد جبران دما، که می تواند مقدار آنالوگ یا خروجی سوئیچ و غیره را انتخاب کند. ولتاژ منبع تغذیه آن 10 ~ 30 ولت است، محدوده اندازه گیری 30 میلی متر ~ 300 میلی متر است، ولتاژ خروجی 0 ولت ~ 10 ولت، جریان خروجی 4 میلی آمپر ~ 20 میلی آمپر است، حداقل امپدانس بار 2.5 اهم است، و دقت می تواند به 0.5 میلی متر تقسیم شود. کالیبر القایی 18 میلی متر است. سنسور اولتراسونیک شرایطی را دارد که کنترل سطح مایع 0-25 سانتی متری مورد نیاز طراحی را برآورده کند و این نیاز را دارد که خطای سطح مایع از ± 0.3 سانتی متر تجاوز نکند و مشکل نصب نامناسب را حل می کند. بنابراین این طرح سنسور اولتراسونیک را با دقت بالا و اندازه کوچک انتخاب می کند.

 

مبدل A/D

دقت و عملکرد مبدل A/D مورد استفاده مستقیماً بر صحت داده های دریافتی توسط میکروکنترلر back-end تأثیر می گذارد. در اینجا ما دو مبدل AD زیر را مقایسه و تجزیه و تحلیل می کنیم.

 

راه حل 1: از مبدل 8 بیتی ADC0809 A/D استفاده کنید

ADC0809 یک مبدل A/D 8 بیتی رایج است که یک نوع تقریبی متوالی است. ADC0809 با یک +5 ولت تغذیه می شود. این تراشه شامل 8 کلید الکترونیکی آنالوگ با عملکرد لچ است که می تواند به ولتاژ آنالوگ 0 تا + 5 ولت پاسخ دهد. سیگنال در زمان اشتراک گذاری تبدیل می شود و برای تکمیل یک تبدیل حدود 100 ما زمان لازم است، بنابراین سرعت بیشتر است، اما تراشه ADC0809 دارای وضوح پایین و دقت ناکافی است که نمی تواند نیازهای این سیستم را برآورده کند و از آن استفاده نمی شود.

 

گزینه 2: استفاده از 4 و نیم مبدل A/D انتگرال دوتایی ICL7135

ICL7135 یک مبدل A/D پرکاربرد است، یک مبدل A/D یکپارچه با خروجی کد BCD پویا. ویژگی های آن عبارتند از: دقت بالا، خروجی تبدیل قطبیت خودکار، کالیبراسیون صفر خودکار، عملکرد منبع تغذیه واحد و خروجی کد BCD پویا. از آنجایی که زمان ادغام دوگانه روش ادغام دوگانه نسبتاً طولانی است، سرعت تبدیل A/D کند است، معمولاً (3 تا 10) بار در ثانیه. علاوه بر این، ادغام سیگنال تداخل دوره ای در حال تغییر صفر است و عملکرد ضد تداخل نیز نسبتاً خوب است. در صورت دقت یکسان، قیمت کمتر از مبدل نوع A/D تقریبی متوالی است، بنابراین استفاده از این نوع مبدل A/D در مواقعی که سرعت مورد نیاز بالا نیست، مناسب تر است.

 

با توجه به الزامات سنسور اولتراسونیک برای اندازه‌گیری فاصله  ، این طرح از مبدل A/D ICL7135 با دقت کنترل بالا استفاده می‌کند. طراحی مدار سخت‌افزاری و نرم‌افزار. مدار سخت‌افزاری این طرح شامل مدار حداقل سیستم، مدار کنترل سطح مایع و مدار هشدار، مدار جذب و انتقال سیگنال، صفحه‌کلید و ماژول نمایشگر می‌باشد. سیستم حداقل (مدار منبع تغذیه و بُرد ورودی/خروجی مورد استفاده در این مدار کوچک‌ترین طراحی و استروب است). میکروکنترلر 80C52 و مقیاس پذیری خوبی دارد. CPU با یک نوسان ساز کریستالی با فرکانس 11.0592 مگاهرتز متصل است که عمدتاً از یک مدار 74LS373، یک مدار رمزگشایی 74LS138، دکمه ها، یک دستگاه نمایشگر، یک ICL7135 و مدارهای معمولی محیطی آن تشکیل شده است و از 8255 برای گسترش رابط I/O استفاده می کند. حداقل مدار سیستم در شکل 2 نشان داده شده است.

طراحی نرم افزار

بخش نرم افزار عمدتاً از ریز کامپیوتر تک تراشه سری 51 به عنوان کنترل کننده استفاده می کند، ولتاژ خروجی سنسور نمونه برداری می شود، مقدار نمونه گیری با مقدار تنظیم شده مقایسه می شود، میکرو کامپیوتر تک تراشه شیر برقی را برای تنظیم سطح مایع کنترل می کند، میزبان از طریق ارتباط 485 مقدار را به پسوند تنظیم می کند، و کنترل کننده داخلی سطح مایع داخلی را کنترل می کند. قسمت نرم افزار شامل قسمت نمونه ICL7135، قسمت ارتباطی 485، قسمت پردازش دیجیتال، قسمت نمایش، قسمت صفحه کلید و غیره می باشد. به منظور جلوگیری از داده های اندازه گیری نادرست ناشی از حرکت سنسور اولتراسونیک برای اندازه گیری فاصله، یک تابع تنظیم صفر به ویژه برای بهبود بیشتر دقت سیستم اضافه شده است. نمودار جریان اصلی برنامه در شکل 4 نشان داده شده است.

نتایج تجربی و تجزیه و تحلیل

تجهیزات تست مورد نیاز یک مولتی متر دیجیتال 4 رقمی 1/2 با دقت بالا، ترازو و اسیلوسکوپ دیجیتال ردیابی دوگانه 100M است.

از داده های بالا می توان دریافت که دقت داده های تست هر واحد تشخیص سیستم بسیار بالا است، مقدار نمایشگر کریستال مایع و مقدار اندازه گیری شده بسیار نزدیک به مقدار تنظیم شده است، رابطه خطی با ولتاژ خروجی سنسور وجود دارد و یک رابطه متناسب با وزن وجود دارد که از انتخاب سخت افزار و تطبیق پارامترهای کنترل نرم افزار و الگوریتم آن جدایی ناپذیر است.

خلاصه طراحی

این طراحی از سخت افزارهایی مانند سنسور اولتراسونیک، ICL7135 و سایر تراشه ها و ابزارهای با دقت بالا برای اندازه گیری سطح مایع استفاده می کند، به طوری که دقت سطح مایع بسیار بالاتر از نیاز است که خطای سطح مایع بیش از 0.3 سانتی متر نباشد. این طرح همچنین از ارتباط MAX485، LCD نمایشگر کریستال مایع OCM4X8C و سایر تراشه ها و اجزای سازنده استفاده می کند که باعث می شود طراحی با الزامات واقعی برنامه مطابقت داشته باشد و به همین ترتیب دشواری طراحی نرم افزار را کاهش می دهد. در نرم افزار، استفاده از روش های برنامه نویسی استاندارد شده به طور موثر فضای ذخیره سازی مورد نیاز برنامه را کاهش می دهد. در حال حاضر، این موضوع عمدتا برای تشخیص سطح آب زیرزمینی استفاده می شود.