Istraživanje sustava automatske kontrole razine dizajniranog pomoću ultrazvučnog senzora

Pregled funkcija sustava i blok dijagram

 

Ovaj dizajn koristi mikroračunalo MCS-51 s jednim čipom u kombinaciji s digitalnim čipom i analognim krugom za dovršetak otkrivanja i automatske kontrole razine vode. Osnovni dijelovi ultrazvučnog senzora koji host postavlja razinu tekućine za sebe i slave putem tipkovnice, ultrazvučni senzor mjeri vrijednost napona koja odgovara trenutnoj razini vode, a zatim je šalje u kontroler i uspoređuje sa postavljenom vrijednošću putem analogno-digitalne pretvorbe, a jednočipno računalo kontrolira elektromagnetski ventil prilagođava razinu tekućine hosta i prikazuje postavljenu vrijednost i trenutnu vrijednost na LCD-u; glavni kontroler prenosi zadanu vrijednost podređenom kontroleru putem 485 komunikacije, a podređeni kontroler također može kontrolirati razinu tekućine poput glavnog kontrolera, te prikazati postavljenu vrijednost i trenutnu vrijednost razine tekućine glavnog računala putem LCD-a; i koristite komunikaciju 485 za slanje trenutne razine tekućine u pomoćnom uređaju glavnom računalu i prikaz.

 

Sustav se sastoji od modula za obradu podataka mikroračunalnog sustava s jednim čipom, A/D modula za unos podataka, 485 komunikacijskog modula, kontrole razine tekućine i alarmnog modula, tipkovnice i modula za prikaz. Demonstracija sheme i usporedba uzimaju u obzir zahtjeve sustava. U procesu odabira uređaja fokus je na izboru ultrazvučni senzor razine tekućine  i čipovi za analogno-digitalnu konverziju.

 

senzor

Tijekom procesa projektiranja sustava odabrana su i uspoređena sljedeća tri ultrazvučna senzora.

Rješenje 1: Senzor tlaka

 

 

Trenutačno, većina senzora tlaka razine tekućine su transmiteri razine tekućine ulaznog statičkog tlaka, a senzori razine tekućine ulaznog statičkog tlaka mogu se točno mjeriti samo u odnosu na atmosferski tlak. Međutim, na ventilaciju u spojnom kabelu će utjecati okolina, uzrokujući kondenzaciju unutarnje stijenke traheje, kondenzaciju. Kapljice rose na elektroničkim uređajima i senzorima mogu utjecati na točnost ili izlazni pomak. Istodobno, ako je kondenzacija prebrza, vijek trajanja odašiljača bit će znatno skraćen. Na ovaj senzor tlaka lako utječe okolina i uzrokuje netočna mjerenja, a nije pogodan za ugradnju.

 

Opcija 2: Piezootporni senzor tlaka

Piezootporni senzor koristi proces integriranog kruga za izravnu izradu difuznog varistora na silicijskoj ravnoj dijafragmi u određenoj kristalnoj orijentaciji; silicijska ravna dijafragma ima dobra elastična svojstva kada je malo deformirana. Kada se silicijska pločica pritisne, deformacija dijafragme uzrokuje promjenu otpora difuzijskog otpornika; na ovaj varistor lako utječe vanjsko okruženje, kao što je temperatura, što rezultira netočnim mjerenjem, a volumen je općenito velik, nije ga lako instalirati i nije ga lako nositi; općenito je njegova točnost relativno niska. Ne može zadovoljiti potrebe dizajna.

 

Rješenje 3: Ultrazvučni senzor

Ultrazvučni senzor prvi je mali senzor s funkcijom postavljanja ključa i funkcijom samodijagnostike u industriji. Iako je mali, ima funkcije drugih velikih senzora. Lako se postavlja i koristi i na njega ne utječe boja mjernog objekta. Ima mnoge posebne funkcije, kao što su: LED zaslon za samodijagnostiku i funkcija podešavanja ključa, funkcija temperaturne kompenzacije, koja može odabrati analognu količinu ili prebaciti izlaz, itd.; njegov napon napajanja je 10 ~ 30 V, mjerni raspon je 30 mm ~ 300 mm, izlazni napon je 0 V ~ 10 V, izlazna struja je 4 mA ~ 20 mA, minimalna impedancija opterećenja je 2,5 ohma, a točnost može doseći 0,5 mm. Oblik je podijeljen na ravni tip i tip pod pravim kutom. Indukcijski kalibar je 18 mm. Ultrazvučni senzor ima uvjete da zadovolji kontrolu razine tekućine od 0-25 cm koju zahtijeva dizajn, te zahtjev da pogreška razine tekućine ne prelazi ±0,3 cm, te rješava problem nezgodne instalacije. Stoga ovaj dizajn odabire ultrazvučni senzor visoke točnosti i male veličine.

 

A/D pretvarač

Točnost i performanse korištenog A/D pretvarača izravno utječu na točnost podataka koje prima pozadinski mikrokontroler. Ovdje uspoređujemo i analiziramo sljedeća dva AD pretvarača.

 

Rješenje 1: Koristite 8-bitni ADC0809 A/D pretvarač

ADC0809 je često korišteni 8-bitni A/D pretvarač, koji je tip sukcesivne aproksimacije. ADC0809 se napaja s jednim +5V. Čip sadrži 8 analognih elektroničkih prekidača s funkcijom zasuna, koji mogu reagirati na 0 do +5V 8 analognih napona. Signal se pretvara u vremenskom dijeljenju i potrebno je oko 100us da se dovrši konverzija, tako da je brzina veća, ali ADC0809 čip ima nisku rezoluciju i nedovoljnu točnost, što ne može zadovoljiti zahtjeve ovog sustava i ne koristi se.

 

Opcija 2: Usvojite 4 i pol dvostruka integralna A/D pretvarača ICL7135

ICL7135 široko je korišten A/D pretvarač, integralni A/D pretvarač s izlazom dinamičkog BCD koda. Njegove karakteristike su: visoka preciznost, izlaz automatske pretvorbe polariteta, automatska kalibracija nule, rad s jednim napajanjem i izlaz dinamičkog BCD koda. Budući da je vrijeme dvostruke integracije metode dvostruke integracije relativno dugo, brzina A/D pretvorbe je spora, obično (3 do 10) puta/s. Osim toga, integracija signala smetnji koji se povremeno mijenja je nula, a performanse protiv smetnji također su relativno dobre. U slučaju iste točnosti, cijena je niža od A/D pretvarača tipa sukcesivne aproksimacije, pa je prikladnije koristiti ovaj tip A/D pretvarača u prilikama gdje zahtjevi za brzinom nisu visoki.

 

S obzirom na zahtjeve ultrazvučni senzor za mjerenje udaljenosti  , ovaj dizajn koristi ICL7135 A/D pretvarač s visokom preciznošću upravljanja. Hardverski krug i dizajn softvera. Hardverski krug ovog dizajna uključuje minimalni krug sustava, kontrolu razine tekućine i alarmni krug, krug za prikupljanje i prijenos signala, tipkovnicu i modul zaslona. Minimalni sustav (krug napajanja i I/O proširenje i strujni krug). Najmanja matična ploča korištena u ovom dizajnu temelji se na 80C52 mikrokontroler, i ima dobru skalabilnost. CPU je povezan s kristalnim oscilatorom od 11,0592MHz, koji se uglavnom sastoji od 74LS373 latch kruga, 74LS138 dekodirajućeg kruga, gumba, uređaja za prikaz, ICL7135 i njegovih perifernih tipičnih sklopova, te koristi 8255 za proširenje I/O sučelja. Minimalni krug sustava prikazan je na slici 2.

dizajn softvera

Softverski dio uglavnom koristi mikroračunalo s jednim čipom serije 51 kao kontroler, izlazni napon senzora se uzorkuje, uzorkovana vrijednost se uspoređuje sa postavljenom vrijednošću, mikroračunalo s jednim čipom kontrolira solenoidni ventil za podešavanje razine tekućine, glavno računalo postavlja vrijednost na ekstenziju putem komunikacije 485, a kontroler ekstenzije kontrolira razinu tekućine ekstenzije. Softverski dio uključuje ICL7135 dio za uzorkovanje, 485 komunikacijski dio, dio za digitalnu obradu, dio za prikaz, dio za tipkovnicu i tako dalje. Kako bi se izbjegli netočni podaci mjerenja uzrokovani pomicanjem ultrazvučnog senzora za mjerenje udaljenosti, posebno je dodana funkcija podešavanja nule kako bi se dodatno poboljšala točnost sustava. Dijagram toka glavnog programa prikazan je na slici 4.

Eksperimentalni rezultati i analiza

Potrebna ispitna oprema je 4-znamenkasti 1/2 digitalni multimetar visoke preciznosti, vaga i 100M dvostruki digitalni osciloskop.

Iz gornjih podataka možemo vidjeti da je točnost testnih podataka svake detekcijske jedinice sustava vrlo visoka, vrijednost prikaza tekućih kristala i izmjerena vrijednost vrlo su blizu postavljene vrijednosti, postoji linearan odnos s izlaznim naponom senzora i određeni proporcionalni odnos s težinom. Ovo je neodvojivo od izbora hardvera i usklađivanja njegovih parametara i izbora softverskih kontrolnih algoritama.

Sažetak dizajna

Ovaj dizajn koristi hardver kao što je ultrazvučni senzor, ICL7135 i drugi visokoprecizni čipovi i instrumenti za mjerenje razine tekućine, tako da je točnost razine tekućine puno veća od zahtjeva da pogreška razine tekućine ne prelazi ±0,3 cm. Ovaj dizajn također koristi komunikaciju MAX485, LCD zaslon s tekućim kristalima OCM4X8C i druge čipove i komponente, čineći dizajn usklađenijim sa stvarnim zahtjevima aplikacije i u skladu s tim smanjujući poteškoće dizajna softvera. U softveru, korištenje standardiziranih metoda programiranja učinkovito smanjuje prostor za pohranu koji je potreban programu. Trenutno se ovaj predmet uglavnom koristi za detekciju razine podzemne vode.