Penelitian Sistem Kontrol Level Otomatis yang Dirancang dengan Sensor Ultrasonik

Ikhtisar fungsi sistem dan diagram blok

 

Desain ini menggunakan komputer mikro chip tunggal MCS-51 yang dikombinasikan dengan chip digital dan sirkuit analog untuk melengkapi deteksi dan kontrol otomatis ketinggian air. Dasarnya bagian sensor ultrasonik yang tuan rumah atur tingkat cairannya sendiri dan budaknya melalui keyboard, sensor ultrasonik mengukur nilai tegangan yang sesuai dengan ketinggian air saat ini, dan kemudian mengirimkannya ke pengontrol dan membandingkannya dengan nilai yang ditetapkan melalui konversi analog-ke-digital, dan komputer chip tunggal mengontrol katup solenoid menyesuaikan tingkat cairan host, dan menampilkan nilai yang ditetapkan dan nilai saat ini pada LCD; pengontrol host mengirimkan nilai yang ditetapkan ke pengontrol budak melalui komunikasi 485, dan pengontrol budak juga dapat mengontrol level cairan seperti pengontrol host, dan menampilkan nilai yang ditetapkan dan nilai level cairan host saat ini melalui LCD; dan gunakan komunikasi 485 untuk mengirim level cairan budak saat ini ke host dan menampilkannya.

 

Sistem ini terdiri dari modul pemrosesan data sistem mikrokomputer chip tunggal, modul input data A/D, modul komunikasi 485, modul kontrol level cairan dan alarm, modul keyboard dan tampilan. Demonstrasi dan perbandingan skema mempertimbangkan persyaratan sistem. Dalam proses pemilihan perangkat, fokusnya adalah pada pemilihan sensor level cairan ultrasonik  dan chip konversi analog-ke-digital.

 

sensor

Selama proses desain sistem, tiga sensor ultrasonik berikut dipilih dan dibandingkan.

Solusi 1: Sensor tekanan

 

 

Saat ini, sebagian besar sensor tekanan level cairan merupakan pemancar level cairan tekanan statis masukan, dan sensor level cairan tekanan statis masukan hanya dapat diukur secara akurat dengan mengacu pada tekanan atmosfer. Namun ventilasi pada kabel sambungan akan terpengaruh oleh lingkungan sehingga menyebabkan dinding bagian dalam trakea mengalami kondensasi, kondensasi. Tetesan embun pada perangkat elektronik dan sensor dapat mempengaruhi akurasi atau penyimpangan keluaran. Pada saat yang sama, jika kondensasi terlalu cepat, masa pakai pemancar akan sangat dipersingkat. Sensor tekanan ini mudah terpengaruh oleh lingkungan dan menyebabkan pengukuran tidak akurat, serta tidak nyaman untuk dipasang.

 

Opsi 2: Sensor tekanan piezoresistif

Sensor piezoresistif menggunakan proses sirkuit terpadu untuk secara langsung membuat varistor difusi pada diafragma datar silikon dalam orientasi kristal tertentu; diafragma datar silikon memiliki sifat elastis yang baik ketika sedikit berubah bentuk. Ketika wafer silikon ditekan, deformasi diafragma menyebabkan resistansi resistor difusi berubah; varistor ini mudah terpengaruh oleh lingkungan luar, seperti suhu, sehingga pengukurannya tidak akurat, dan volumenya umumnya besar, tidak mudah dipasang dan tidak mudah dibawa; umumnya akurasinya relatif rendah. Itu tidak dapat memenuhi kebutuhan desain.

 

Solusi 3: Sensor ultrasonik

Sensor ultrasonik adalah sensor kecil pertama dengan fungsi pengaturan kunci dan fungsi diagnosis mandiri di industri. Meski kecil, namun memiliki fungsi sensor besar lainnya. Mudah dipasang dan digunakan serta tidak terpengaruh oleh warna benda ukur. Ini memiliki banyak fungsi khusus, seperti: tampilan LED diagnosis mandiri dan fungsi pengaturan tombol, fungsi kompensasi suhu, yang dapat memilih kuantitas analog atau keluaran sakelar, dll.; Tegangan catu dayanya 10 ~ 30V, rentang pengukuran 30mm ~ 300mm, tegangan keluaran 0V ~ 10V, arus keluaran 4mA ~ 20mA, impedansi beban minimum 2,5 ohm, dan akurasi bisa mencapai 0,5mm, Bentuknya terbagi menjadi tipe lurus dan tipe sudut siku-siku. Kaliber induksi adalah 18mm. Sensor ultrasonik memiliki kondisi untuk memenuhi kontrol level cairan 0-25cm yang disyaratkan oleh desain, dan persyaratan bahwa kesalahan level cairan tidak melebihi ±0,3cm, dan memecahkan masalah pemasangan yang tidak nyaman. Oleh karena itu, perancangan ini memilih sensor ultrasonik dengan akurasi tinggi dan ukuran kecil.

 

Konverter A/D

Keakuratan dan kinerja konverter A/D yang digunakan secara langsung mempengaruhi keakuratan data yang diterima oleh mikrokontroler back-end. Di sini kita membandingkan dan menganalisis dua konverter AD berikut.

 

Solusi 1: Gunakan konverter A/D ADC0809 8-bit

ADC0809 adalah konverter A/D 8-bit yang umum digunakan, yang merupakan tipe pendekatan berturut-turut. ADC0809 didukung oleh +5V tunggal. Chip ini berisi 8 sakelar elektronik analog dengan fungsi kait, yang dapat merespons tegangan analog 0 hingga +5V 8. Sinyal diubah dalam pembagian waktu, dan dibutuhkan sekitar 100us untuk menyelesaikan konversi, sehingga kecepatannya lebih cepat, tetapi chip ADC0809 memiliki resolusi rendah dan akurasi yang tidak memadai, sehingga tidak dapat memenuhi persyaratan sistem ini dan tidak digunakan.

 

Opsi 2: Mengadopsi konverter A/D integral ganda 4 setengah ICL7135

ICL7135 adalah konverter A/D yang banyak digunakan, konverter A/D integral dengan keluaran kode BCD dinamis. Karakteristiknya adalah: presisi tinggi, keluaran konversi polaritas otomatis, kalibrasi nol otomatis, operasi catu daya tunggal, dan keluaran kode BCD dinamis. Karena waktu integrasi ganda dari metode integrasi ganda relatif lama, kecepatan konversi A/D lambat, biasanya (3 hingga 10) kali/detik. Selain itu, integrasi sinyal interferensi yang berubah secara berkala adalah nol, dan kinerja anti-interferensi juga relatif baik. Dalam hal akurasi yang sama, harganya lebih rendah daripada konverter A/D tipe aproksimasi berturut-turut, sehingga lebih cocok untuk menggunakan konverter A/D jenis ini pada saat persyaratan kecepatan tidak tinggi.

 

Mengingat persyaratan dari sensor ultrasonik untuk pengukuran jarak  , desain ini menggunakan konverter A/D ICL7135 dengan akurasi kontrol yang tinggi. Rangkaian perangkat keras dan desain perangkat lunak. CPU dihubungkan dengan osilator kristal 11,0592MHz, yang sebagian besar terdiri dari sirkuit kait 74LS373, sirkuit decoding 74LS138, tombol, perangkat tampilan, ICL7135 dan sirkuit khas periferalnya, dan menggunakan 8255 untuk memperluas antarmuka I/O. Rangkaian sistem minimum ditunjukkan pada Gambar 2.

desain perangkat lunak

Bagian perangkat lunak terutama menggunakan komputer mikro chip tunggal seri 51 sebagai pengontrol, tegangan keluaran sensor diambil sampelnya, nilai sampel dibandingkan dengan nilai yang ditetapkan, komputer mikro chip tunggal mengontrol katup solenoid untuk menyesuaikan level cairan, tuan rumah menetapkan nilai ekstensi melalui komunikasi 485, dan pengontrol ekstensi mengontrol level cairan ekstensi. Bagian perangkat lunak mencakup bagian pengambilan sampel ICL7135, bagian komunikasi 485, bagian pemrosesan digital, bagian tampilan, bagian keyboard, dan sebagainya. Untuk menghindari ketidakakuratan data pengukuran yang disebabkan oleh pergerakan sensor ultrasonik untuk pengukuran jarak, fungsi penyesuaian nol ditambahkan secara khusus untuk lebih meningkatkan akurasi sistem. Diagram alir program utama ditunjukkan pada Gambar 4.

Hasil percobaan dan analisis

Alat uji yang diperlukan adalah multimeter digital presisi tinggi 4 digit 1/2, timbangan, dan osiloskop digital dual trace 100M.

Dari data di atas terlihat bahwa keakuratan data uji setiap unit pendeteksi sistem sangat tinggi, nilai tampilan kristal cair dan nilai terukur sangat mendekati nilai yang ditetapkan, terdapat hubungan linier dengan tegangan keluaran sensor, dan hubungan proporsional tertentu dengan bobot, Hal ini tidak terlepas dari pemilihan perangkat keras dan pencocokan parameternya serta pemilihan algoritma kontrol perangkat lunak.

Ringkasan desain

Desain ini menggunakan perangkat keras seperti sensor ultrasonik, ICL7135 dan chip serta instrumen presisi tinggi lainnya untuk pengukuran level cairan, sehingga akurasi level cairan jauh lebih tinggi daripada persyaratan bahwa kesalahan level cairan tidak melebihi ±0,3cm. Desain ini juga menggunakan komunikasi MAX485, LCD layar kristal cair OCM4X8C, serta chip dan komponen lainnya, menjadikan desain lebih sesuai dengan persyaratan aplikasi sebenarnya, dan dengan demikian mengurangi kesulitan desain perangkat lunak. Dalam perangkat lunak, penggunaan metode pemrograman standar secara efektif mengurangi ruang penyimpanan yang dibutuhkan oleh program. Saat ini, subjek ini terutama digunakan untuk mendeteksi ketinggian air tanah.