अल्ट्रासोनिक सेंसर द्वारा डिज़ाइन किए गए स्वचालित स्तर नियंत्रण प्रणाली पर अनुसंधान

सिस्टम फ़ंक्शन अवलोकन और ब्लॉक आरेख

 

यह डिज़ाइन जल स्तर का पता लगाने और स्वचालित नियंत्रण को पूरा करने के लिए डिजिटल चिप और एनालॉग सर्किट के साथ संयुक्त MCS-51 सिंगल चिप माइक्रो कंप्यूटर का उपयोग करता है। मूलभूत अल्ट्रासोनिक सेंसर भाग जो होस्ट स्वयं और दास के तरल स्तर को कीबोर्ड के माध्यम से निर्धारित करता है, अल्ट्रासोनिक सेंसर वर्तमान जल स्तर के अनुरूप वोल्टेज मान को मापता है, और फिर इसे नियंत्रक को भेजता है और एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण के माध्यम से निर्धारित मूल्य के साथ तुलना करता है, और सिंगल-चिप कंप्यूटर सोलनॉइड वाल्व को नियंत्रित करता है, होस्ट के तरल स्तर को समायोजित करता है, और एलसीडी पर सेट मूल्य और वर्तमान मूल्य प्रदर्शित करता है; होस्ट नियंत्रक 485 संचार के माध्यम से सेट मान को स्लेव नियंत्रक तक पहुंचाता है, और स्लेव नियंत्रक भी होस्ट नियंत्रक की तरह तरल स्तर को नियंत्रित कर सकता है, और एलसीडी के माध्यम से होस्ट के निर्धारित मूल्य और वर्तमान तरल स्तर मान को प्रदर्शित कर सकता है; और स्लेव के वर्तमान तरल स्तर को मेजबान तक भेजने और उसे प्रदर्शित करने के लिए 485 संचार का उपयोग करें।

 

सिस्टम सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर सिस्टम डेटा प्रोसेसिंग मॉड्यूल, ए/डी डेटा इनपुट मॉड्यूल, 485 संचार मॉड्यूल, तरल स्तर नियंत्रण और अलार्म मॉड्यूल, कीबोर्ड और डिस्प्ले मॉड्यूल से बना है। योजना प्रदर्शन और तुलना प्रणाली की आवश्यकताओं पर विचार करती है। डिवाइस की चयन प्रक्रिया में फोकस किसके चयन पर होता है अल्ट्रासोनिक तरल स्तर सेंसर  और एनालॉग-टू-डिजिटल रूपांतरण चिप्स।

 

सेंसर

सिस्टम डिज़ाइन प्रक्रिया के दौरान, निम्नलिखित तीन अल्ट्रासोनिक सेंसर का चयन किया गया और उनकी तुलना की गई।

समाधान 1: दबाव सेंसर

 

 

वर्तमान में, अधिकांश तरल स्तर दबाव सेंसर इनपुट स्थैतिक दबाव तरल स्तर ट्रांसमीटर हैं, और इनपुट स्थैतिक दबाव तरल स्तर सेंसर केवल वायुमंडलीय दबाव के संदर्भ में सटीक रूप से मापा जा सकता है। हालांकि, कनेक्शन केबल में वेंटिलेशन पर्यावरण से प्रभावित होगा, जिससे श्वासनली की भीतरी दीवार संक्षेपण, संक्षेपण हो जाएगी। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और सेंसरों पर ओस की बूंदें सटीकता या आउटपुट बहाव को प्रभावित कर सकती हैं। उसी समय, यदि संक्षेपण बहुत तेज़ है, तो ट्रांसमीटर का सेवा जीवन बहुत छोटा हो जाएगा। यह दबाव सेंसर पर्यावरण से आसानी से प्रभावित होता है और गलत माप का कारण बनता है, और इसे स्थापित करना असुविधाजनक है।

 

विकल्प 2: पीज़ोरेसिस्टिव प्रेशर सेंसर

पीज़ोरेसिस्टिव सेंसर एक निश्चित क्रिस्टल ओरिएंटेशन में सिलिकॉन फ्लैट डायाफ्राम पर सीधे एक फैलाना वेरिस्टर बनाने के लिए एक एकीकृत सर्किट प्रक्रिया का उपयोग करता है; थोड़ा विकृत होने पर सिलिकॉन फ्लैट डायाफ्राम में अच्छे लोचदार गुण होते हैं। जब सिलिकॉन वेफर को दबाया जाता है, तो डायाफ्राम की विकृति के कारण प्रसार अवरोधक का प्रतिरोध बदल जाता है; यह वैरिस्टर तापमान जैसे बाहरी वातावरण से आसानी से प्रभावित होता है, जिसके परिणामस्वरूप गलत माप होता है, और वॉल्यूम आम तौर पर बड़ा होता है, इसे स्थापित करना आसान नहीं होता है और ले जाना आसान नहीं होता है; आम तौर पर इसकी सटीकता अपेक्षाकृत कम होती है। यह डिज़ाइन की ज़रूरतों को पूरा नहीं कर सकता.

 

समाधान 3: अल्ट्रासोनिक सेंसर

अल्ट्रासोनिक सेंसर उद्योग में कुंजी सेटिंग फ़ंक्शन और स्व-निदान फ़ंक्शन वाला पहला छोटा सेंसर है। हालाँकि यह छोटा है, इसमें अन्य बड़े सेंसर के कार्य हैं। इसे स्थापित करना और उपयोग करना आसान है और यह मापने वाली वस्तु के रंग से प्रभावित नहीं होता है। इसके कई विशेष कार्य हैं, जैसे: स्व-निदान एलईडी डिस्प्ले और कुंजी सेटिंग फ़ंक्शन, तापमान मुआवजा फ़ंक्शन, जो एनालॉग मात्रा या स्विच आउटपुट आदि चुन सकता है; इसकी बिजली आपूर्ति वोल्टेज 10 ~ 30V है, मापने की सीमा 30 मिमी ~ 300 मिमी है, आउटपुट वोल्टेज 0V ~ 10V है, आउटपुट करंट 4mA ~ 20mA है, न्यूनतम लोड प्रतिबाधा 2.5 ओम है, और सटीकता 0.5 मिमी तक पहुंच सकती है, आकार को सीधे प्रकार और समकोण प्रकार में विभाजित किया गया है। इंडक्शन कैलिबर 18 मिमी है। अल्ट्रासोनिक सेंसर में डिज़ाइन द्वारा आवश्यक 0-25 सेमी के तरल स्तर नियंत्रण को पूरा करने की शर्तें हैं, और आवश्यकता है कि तरल स्तर की त्रुटि ±0.3 सेमी से अधिक न हो, और असुविधाजनक स्थापना की समस्या को हल करती है। इसलिए, यह डिज़ाइन उच्च सटीकता और छोटे आकार वाले अल्ट्रासोनिक सेंसर का चयन करता है।

 

ए/डी कनवर्टर

उपयोग किए गए ए/डी कनवर्टर की सटीकता और प्रदर्शन सीधे बैक-एंड माइक्रोकंट्रोलर द्वारा प्राप्त डेटा की सटीकता को प्रभावित करते हैं। यहां हम निम्नलिखित दो AD कनवर्टर्स की तुलना और विश्लेषण करते हैं।

 

समाधान 1: 8-बिट ADC0809 A/D कनवर्टर का उपयोग करें

ADC0809 आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला 8-बिट A/D कनवर्टर है, जो एक क्रमिक सन्निकटन प्रकार है। ADC0809 एकल +5V द्वारा संचालित है। चिप में लैच फ़ंक्शन के साथ 8 एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक स्विच होते हैं, जो 0 से +5V 8 एनालॉग वोल्टेज पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं। सिग्नल को टाइम-शेयरिंग में परिवर्तित किया जाता है, और रूपांतरण को पूरा करने में लगभग 100us लगते हैं, इसलिए गति तेज होती है, लेकिन ADC0809 चिप में कम रिज़ॉल्यूशन और अपर्याप्त सटीकता होती है, जो इस प्रणाली की आवश्यकताओं को पूरा नहीं कर सकती है और इसका उपयोग नहीं किया जाता है।

 

विकल्प 2: साढ़े 4 डबल इंटीग्रल ए/डी कनवर्टर आईसीएल7135 को अपनाएं

ICL7135 एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला A/D कनवर्टर है, जो गतिशील BCD कोड आउटपुट के साथ एक अभिन्न A/D कनवर्टर है। इसकी विशेषताएं हैं: उच्च परिशुद्धता, स्वचालित ध्रुवता रूपांतरण आउटपुट, स्वचालित शून्य अंशांकन, एकल बिजली आपूर्ति संचालन और गतिशील बीसीडी कोड आउटपुट। चूँकि दोहरे एकीकरण विधि का दोहरा एकीकरण समय अपेक्षाकृत लंबा है, ए/डी रूपांतरण गति धीमी है, आमतौर पर (3 से 10) गुना/सेकेंड। इसके अलावा, समय-समय पर बदलते हस्तक्षेप संकेत का एकीकरण शून्य है, और हस्तक्षेप-विरोधी प्रदर्शन भी अपेक्षाकृत अच्छा है। समान सटीकता के मामले में, कीमत क्रमिक सन्निकटन प्रकार ए/डी कनवर्टर से कम है, इसलिए उन अवसरों में इस प्रकार के ए/डी कनवर्टर का उपयोग करना अधिक उपयुक्त है जहां गति की आवश्यकता अधिक नहीं है।

 

की आवश्यकताओं को ध्यान में रखते हुए दूरी माप के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर  , यह डिज़ाइन उच्च नियंत्रण सटीकता के साथ ICL7135 A/D कनवर्टर का उपयोग करता है। हार्डवेयर सर्किट और सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन। इस डिज़ाइन के हार्डवेयर सर्किट में न्यूनतम सिस्टम सर्किट, तरल स्तर नियंत्रण और अलार्म सर्किट, सिग्नल अधिग्रहण और ट्रांसमिशन सर्किट, कीबोर्ड और डिस्प्ले मॉड्यूल शामिल हैं। न्यूनतम प्रणाली (बिजली आपूर्ति सर्किट और I/O विस्तार और स्ट्रोब सर्किट)। इस डिज़ाइन में उपयोग किया जाने वाला सबसे छोटा सिस्टम बोर्ड 80C52 माइक्रोकंट्रोलर पर आधारित है, और इसमें अच्छी स्केलेबिलिटी है। सीपीयू 11.0592 मेगाहर्ट्ज के एक क्रिस्टल ऑसिलेटर से जुड़ा है, जो मुख्य रूप से 74LS373 लैच सर्किट, एक 74LS138 डिकोडिंग सर्किट, बटन, एक डिस्प्ले डिवाइस, एक ICL7135 और इसके परिधीय विशिष्ट सर्किट से बना है, और I/O इंटरफ़ेस का विस्तार करने के लिए 8255 का उपयोग करता है। न्यूनतम सिस्टम सर्किट चित्र 2 में दिखाया गया है।

सॉफ्टवेयर डिजाइन

सॉफ्टवेयर भाग मुख्य रूप से नियंत्रक के रूप में 51 श्रृंखला सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर का उपयोग करता है, सेंसर के आउटपुट वोल्टेज का नमूना लिया जाता है, नमूना मूल्य की तुलना निर्धारित मूल्य के साथ की जाती है, सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर तरल स्तर को समायोजित करने के लिए सोलनॉइड वाल्व को नियंत्रित करता है, होस्ट 485 संचार के माध्यम से एक्सटेंशन के लिए मूल्य निर्धारित करता है, और एक्सटेंशन नियंत्रक एक्सटेंशन तरल स्तर को नियंत्रित करता है। सॉफ़्टवेयर भाग में ICL7135 नमूना भाग, 485 संचार भाग, डिजिटल प्रोसेसिंग भाग, डिस्प्ले भाग, कीबोर्ड भाग इत्यादि शामिल हैं। दूरी माप के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर की गति के कारण होने वाले गलत माप डेटा से बचने के लिए, सिस्टम की सटीकता को और बेहतर बनाने के लिए एक शून्य समायोजन फ़ंक्शन विशेष रूप से जोड़ा जाता है। मुख्य प्रोग्राम फ़्लो चार्ट चित्र 4 में दिखाया गया है।

प्रायोगिक परिणाम और विश्लेषण

आवश्यक परीक्षण उपकरण एक 4-अंकीय 1/2 उच्च-सटीक डिजिटल मल्टीमीटर, स्केल और 100M डुअल ट्रेस डिजिटल ऑसिलोस्कोप है।

उपरोक्त डेटा से, हम देख सकते हैं कि सिस्टम की प्रत्येक पहचान इकाई की परीक्षण डेटा सटीकता बहुत अधिक है, लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले मूल्य और मापा मूल्य निर्धारित मूल्य के बहुत करीब हैं, सेंसर आउटपुट वोल्टेज के साथ एक रैखिक संबंध है, और वजन के साथ एक निश्चित आनुपातिक संबंध है, यह हार्डवेयर की पसंद और उसके मापदंडों के मिलान और सॉफ्टवेयर नियंत्रण एल्गोरिदम की पसंद से अविभाज्य है।

डिज़ाइन सारांश

यह डिज़ाइन तरल स्तर माप के लिए अल्ट्रासोनिक सेंसर, ICL7135 और अन्य उच्च परिशुद्धता चिप्स और उपकरणों जैसे हार्डवेयर का उपयोग करता है, ताकि तरल स्तर की सटीकता आवश्यकता से कहीं अधिक हो कि तरल स्तर की त्रुटि ±0.3 सेमी से अधिक न हो। यह डिज़ाइन MAX485 संचार, OCM4X8C लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले एलसीडी और अन्य चिप्स और घटकों का भी उपयोग करता है, जो डिज़ाइन को वास्तविक एप्लिकेशन आवश्यकताओं के अनुरूप बनाता है, और तदनुसार सॉफ़्टवेयर डिज़ाइन की कठिनाई को कम करता है। सॉफ़्टवेयर में, मानकीकृत प्रोग्रामिंग विधियों का उपयोग प्रोग्राम के लिए आवश्यक संग्रहण स्थान को प्रभावी ढंग से कम कर देता है। वर्तमान में, इस विषय का उपयोग मुख्य रूप से भूजल स्तर का पता लगाने के लिए किया जाता है।