Ultrasonic Sensorin suunnitteleman automaattisen tasonsäätöjärjestelmän tutkimus

Järjestelmätoimintojen yleiskatsaus ja lohkokaavio

 

Tämä malli käyttää yksisiruista MCS-51-mikrotietokonetta yhdistettynä digitaaliseen siruun ja analogiseen piiriin vedenpinnan havaitsemisen ja automaattisen ohjauksen suorittamiseksi. Perus ultraäänianturiosat , jotka isäntä asettaa nestetason itselleen ja orjalle näppäimistön kautta, ultraäänianturi mittaa nykyistä vesitasoa vastaavan jännitearvon ja lähettää sen sitten ohjaimelle ja vertaa sitä asetettuun arvoon analogia-digitaalimuunnoksen kautta, ja yksisiruinen tietokone ohjaa solenoidiventtiiliä säätämään isännän nestetasoa ja näyttämään asetetun arvon ja nykyisen arvon LCD-näytöllä; isäntäohjain lähettää asetetun arvon orjaohjaimelle 485-viestinnän kautta, ja orjaohjain voi myös ohjata nestetasoa, kuten isäntäohjain, ja näyttää isännän asetetun arvon ja nykyisen nestetason arvon LCD-näytön kautta; ja käytä 485-tietoliikennettä orjan nykyisen nestetason lähettämiseen isännälle ja sen näyttämiseen.

 

Järjestelmä koostuu yksisiruisesta mikrotietokonejärjestelmän tietojenkäsittelymoduulista, A/D-tiedonsyöttömoduulista, 485-tiedonsiirtomoduulista, nestetason ohjaus- ja hälytysmoduulista, näppäimistö- ja näyttömoduulista. Kaavioiden esittelyssä ja vertailussa otetaan huomioon järjestelmän vaatimukset. Laitteen valintaprosessissa painopiste on valinnassa ultraääni nestetason anturi  ja analogia-digitaalimuunnospiirit.

 

anturi

Järjestelmän suunnitteluprosessin aikana valittiin ja verrattiin seuraavat kolme ultraäänianturia.

Ratkaisu 1: Paineanturi

 

 

Tällä hetkellä suurin osa nestetason paineantureista on staattisen paineen syöttönesteen pinnankorkeusantureita, ja staattisen paineen tuloanturit voidaan mitata tarkasti vain suhteessa ilmanpaineeseen. Liitäntäkaapelin ilmanvaihtoon kuitenkin vaikuttaa ympäristö, mikä aiheuttaa henkitorven sisäseinän kondensaatiota, kondensaatiota. Elektroniikkalaitteissa ja antureissa olevat kastepisarat voivat vaikuttaa tarkkuuteen tai tehon siirtymään. Samaan aikaan, jos kondensaatio on liian nopeaa, lähettimen käyttöikä lyhenee huomattavasti. Ympäristö vaikuttaa helposti tähän paineanturiin ja aiheuttaa epätarkkoja mittauksia ja on hankala asentaa.

 

Vaihtoehto 2: Pietsoresistiivinen paineanturi

Pietsoresistiivinen anturi käyttää integroitua piiriprosessia suoraan diffuusivaristorin tekemiseen litteälle piikalvolle tietyssä kidesuuntauksessa; litteällä silikonikalvolla on hyvät elastiset ominaisuudet, kun se on hieman vääntynyt. Kun piikiekkoa painetaan, kalvon muodonmuutos aiheuttaa diffuusiovastuksen resistanssin muuttumisen; ulkoinen ympäristö, kuten lämpötila, vaikuttaa tähän varistoriin helposti, mikä johtaa epätarkkoihin mittauksiin, ja tilavuus on yleensä suuri, sitä ei ole helppo asentaa eikä helppo kuljettaa; yleensä sen tarkkuus on suhteellisen alhainen. Se ei voi täyttää suunnittelun tarpeita.

 

Ratkaisu 3: Ultraäänianturi

Ultraäänianturi on alan ensimmäinen pieni anturi, jossa on avainasetustoiminto ja itsediagnoositoiminto. Vaikka se on pieni, siinä on muiden suurten antureiden toimintoja. Se on helppo asentaa ja käyttää, eikä mittauskohteen väri vaikuta siihen. Siinä on monia erikoistoimintoja, kuten: itsediagnoosin LED-näyttö ja näppäinasetustoiminto, lämpötilan kompensointitoiminto, joka voi valita analogisen määrän tai kytkimen lähdön jne.; sen virtalähdejännite on 10 ~ 30 V, mittausalue on 30 mm ~ 300 mm, lähtöjännite 0 V ~ 10 V, lähtövirta on 4mA ~ 20 mA, vähimmäiskuormitusimpedanssi on 2,5 ohmia ja tarkkuus voi olla 0,5 mm, muoto on jaettu suoratyyppiseen ja suorakulmaiseen tyyppiin. Induktiokaliiperi on 18 mm. Ultraäänianturilla on edellytykset täyttää suunnittelun edellyttämä nestetason säätö 0-25 cm ja vaatimus, jonka mukaan nestetason virhe ei ylitä ±0,3 cm, ja se ratkaisee epämukavan asennuksen ongelman. Siksi tämä malli valitsee ultraäänianturin, jolla on suuri tarkkuus ja pieni koko.

 

A/D-muunnin

Käytetyn A/D-muuntimen tarkkuus ja suorituskyky vaikuttavat suoraan taustamikro-ohjaimen vastaanottamien tietojen tarkkuuteen. Tässä vertaamme ja analysoimme seuraavia kahta AD-muunninta.

 

Ratkaisu 1: Käytä 8-bittistä ADC0809 A/D-muunninta

ADC0809 on yleisesti käytetty 8-bittinen A/D-muunnin, joka on peräkkäinen approksimaatiotyyppi. ADC0809 saa virtansa yhdestä +5 V:sta. Siru sisältää 8 analogista elektronista kytkintä salpatoiminnolla, jotka voivat reagoida 0 - +5V 8 analogiseen jännitteeseen. Signaali muunnetaan aikajaossa, ja muunnos kestää noin 100 us, joten nopeus on nopeampi, mutta ADC0809-sirun resoluutio ja tarkkuus on alhainen, mikä ei täytä tämän järjestelmän vaatimuksia eikä sitä käytetä.

 

Vaihtoehto 2: Ota käyttöön 4 ja puoli kaksoisintegroitua A/D-muunninta ICL7135

ICL7135 on laajalti käytetty A/D-muunnin, kiinteä A/D-muunnin dynaamisella BCD-koodilähdöllä. Sen ominaisuudet ovat: korkea tarkkuus, automaattinen napaisuuden muunnoslähtö, automaattinen nollakalibrointi, yhden virtalähteen toiminta ja dynaaminen BCD-koodilähtö. Koska kaksoisintegrointimenetelmän kaksoisintegrointiaika on suhteellisen pitkä, A/D-muunnosnopeus on hidas, yleensä (3-10) kertaa/s. Lisäksi jaksottaisesti vaihtuvan häiriösignaalin integrointi on nolla ja häiriönestokyky on myös suhteellisen hyvä. Saman tarkkuuden tapauksessa hinta on alhaisempi kuin peräkkäisen approksimaatiotyypin A/D-muunnin, joten tämän tyyppistä A/D-muunninta on sopivampi käyttää tilanteissa, joissa nopeusvaatimus ei ole korkea.

 

Ottaen huomioon vaatimukset ultraäänianturi etäisyysmittaukseen  , tässä mallissa käytetään ICL7135 A/D-muunninta, jolla on korkea ohjaustarkkuudet. Laitteistopiiri ja ohjelmistosuunnittelu. Tämän mallin laitteistopiiri sisältää järjestelmän vähimmäispiirin, nestetason ohjaus- ja hälytyspiirin, signaalinkeräys- ja siirtopiirin, näppäimistön ja näyttömoduulin. Minimijärjestelmä (virtalähdepiiri ja I/O-laajennus- ja välkkymisjärjestelmäpiiri25 on tässä mallissa käytetty pienin5C-järjestelmäpiiri). mikro-ohjain, ja sillä on hyvä skaalautuvuus. CPU on kytketty 11,0592 MHz:n kideoskillaattoriin, joka koostuu pääasiassa 74LS373-salpapiiristä, 74LS138-dekoodauspiiristä, painikkeista, näyttölaitteesta, ICL7135:stä ja sen oheislaitteiden tyypillisistä piireistä, ja käyttää 8255:tä I/O-liitännän laajentamiseen. Järjestelmän minimipiiri on esitetty kuvassa 2.

ohjelmistosuunnittelu

Ohjelmisto-osassa käytetään pääsääntöisesti 51-sarjan yksisiruista mikrotietokonetta ohjaimena, anturin lähtöjännite otetaan näyte, näytearvoa verrataan asetettuun arvoon, yksisiruinen mikrotietokone ohjaa magneettiventtiiliä nestetason säätämiseksi, isäntä asettaa arvon laajennukselle 485-tiedonsiirrolla ja laajennusohjain ohjaa laajennusnesteen tasoa. Ohjelmisto-osa sisältää ICL7135-näytteenottoosan, 485-tietoliikenneosan, digitaalisen käsittelyosan, näyttöosan, näppäimistöosan ja niin edelleen. Ultraäänianturin liikkeen aiheuttamien epätarkkojen mittaustietojen välttämiseksi etäisyysmittauksessa on erityisesti lisätty nollasäätötoiminto, joka parantaa järjestelmän tarkkuutta entisestään. Pääohjelman vuokaavio on esitetty kuvassa 4.

Kokeelliset tulokset ja analyysit

Vaadittava testauslaitteisto on 4-numeroinen 1/2 korkean tarkkuuden digitaalinen yleismittari, vaaka ja 100M kaksoiskäyrä digitaalinen oskilloskooppi.

Yllä olevista tiedoista voimme nähdä, että järjestelmän kunkin tunnistusyksikön testitietojen tarkkuus on erittäin korkea, nestekidenäyttöarvo ja mitattu arvo ovat hyvin lähellä asetettua arvoa, anturin lähtöjännitteeseen on lineaarinen suhde ja tietty suhteellinen suhde painoon, Tämä on erottamaton laitteiston valinnasta ja sen parametrien sovittamisesta ja ohjelmiston ohjausalgoritmien valinnasta.

Suunnittelun yhteenveto

Tämä malli käyttää laitteistoa, kuten ultraäänianturia, ICL7135:tä ja muita erittäin tarkkoja siruja ja instrumentteja nestetason mittaamiseen, joten nestepinnan tarkkuus on paljon suurempi kuin vaatimus, jonka mukaan nestepinnan virhe ei ylitä ±0,3 cm. Tämä suunnittelu käyttää myös MAX485-viestintää, OCM4X8C-nestekidenäyttöä ja muita siruja ja komponentteja, mikä tekee suunnittelusta paremmin todellisten sovellusvaatimusten mukaisen ja vähentää vastaavasti ohjelmistosuunnittelun vaikeutta. Ohjelmistoissa standardisoitujen ohjelmointimenetelmien käyttö vähentää tehokkaasti ohjelman vaatimaa tallennustilaa. Tällä hetkellä tätä aihetta käytetään pääasiassa pohjaveden pinnankorkeuden havaitsemiseen.