Ricerca sul sistema di controllo automatico del livello progettato da un sensore a ultrasuoni

Panoramica delle funzioni del sistema e diagramma a blocchi

 

Questo progetto utilizza il microcomputer a chip singolo MCS-51 combinato con un chip digitale e un circuito analogico per completare il rilevamento e il controllo automatico del livello dell'acqua. La base parti del sensore a ultrasuoni che l'host imposta il livello del liquido di se stesso e dello slave tramite la tastiera, il sensore a ultrasuoni misura il valore di tensione corrispondente al livello attuale dell'acqua, quindi lo invia al controller e lo confronta con il valore impostato attraverso la conversione da analogico a digitale e il computer a chip singolo controlla l'elettrovalvola, regola il livello del liquido dell'host e visualizza il valore impostato e il valore corrente sul display LCD; il controller host trasmette il valore impostato al controller slave tramite la comunicazione 485 e il controller slave può anche controllare il livello del liquido come il controller host e visualizzare il valore impostato e il valore corrente del livello del liquido dell'host tramite il display LCD; e utilizzare la comunicazione 485 per inviare l'attuale livello del liquido dello slave all'host e visualizzarlo.

 

Il sistema è composto da un modulo di elaborazione dati del sistema microcomputer a chip singolo, un modulo di input dati A/D, un modulo di comunicazione 485, un modulo di controllo e allarme del livello del liquido, un modulo tastiera e display. La dimostrazione e il confronto dello schema tengono conto dei requisiti del sistema. Nel processo di selezione del dispositivo, l'attenzione è rivolta alla selezione di sensore di livello del liquido ad ultrasuoni  e chip di conversione da analogico a digitale.

 

sensore

Durante il processo di progettazione del sistema, sono stati selezionati e confrontati i seguenti tre sensori a ultrasuoni.

Soluzione 1: sensore di pressione

 

 

Allo stato attuale, la maggior parte dei sensori di pressione del livello del liquido sono trasmettitori di livello del liquido a pressione statica in ingresso e i sensori di livello del liquido a pressione statica in ingresso possono essere misurati con precisione solo con riferimento alla pressione atmosferica. Tuttavia, la ventilazione nel cavo di collegamento sarà influenzata dall'ambiente, causando condensa sulla parete interna della trachea. Le gocce di rugiada sui dispositivi elettronici e sui sensori possono influire sulla precisione o sulla deriva dell'uscita. Allo stesso tempo, se la condensazione è troppo rapida, la durata del trasmettitore sarà notevolmente ridotta. Questo sensore di pressione viene facilmente influenzato dall'ambiente e provoca misurazioni imprecise ed è scomodo da installare.

 

Opzione 2: sensore di pressione piezoresistivo

Il sensore piezoresistivo utilizza un processo a circuito integrato per realizzare direttamente un varistore diffuso su un diaframma piatto in silicio con un determinato orientamento del cristallo; la membrana piatta in silicio ha buone proprietà elastiche quando è leggermente deformata. Quando il wafer di silicio viene premuto, la deformazione del diaframma provoca una variazione della resistenza del resistore di diffusione; questo varistore è facilmente influenzato dall'ambiente esterno, come la temperatura, con conseguenti misurazioni imprecise, e il volume è generalmente grande, non è facile da installare e non facile da trasportare; generalmente la sua precisione è relativamente bassa. Non può soddisfare le esigenze del design.

 

Soluzione 3: sensore a ultrasuoni

Il sensore a ultrasuoni è il primo piccolo sensore con funzione di impostazione dei tasti e funzione di autodiagnosi nel settore. Sebbene sia piccolo, ha le funzioni di altri sensori di grandi dimensioni. È facile da installare e utilizzare e non è influenzato dal colore dell'oggetto da misurare. Ha molte funzioni speciali, come: display LED di autodiagnosi e funzione di impostazione dei tasti, funzione di compensazione della temperatura, che può scegliere la quantità analogica o l'uscita di commutazione, ecc.; la sua tensione di alimentazione è 10 ~ 30 V, il campo di misurazione è 30 mm ~ 300 mm, la tensione di uscita è 0 V ~ 10 V, la corrente di uscita è 4 mA ~ 20 mA, l'impedenza di carico minima è 2,5 ohm e la precisione può raggiungere 0,5 mm, la forma è divisa in tipo dritto e tipo ad angolo retto. Il calibro a induzione è di 18 mm. Il sensore a ultrasuoni ha le condizioni per soddisfare il controllo del livello del liquido di 0-25 cm richiesto dal progetto e il requisito che l'errore del livello del liquido non superi ± 0,3 cm e risolve il problema dell'installazione scomoda. Pertanto, questo progetto seleziona un sensore a ultrasuoni con elevata precisione e dimensioni ridotte.

 

Convertitore A/D

La precisione e le prestazioni del convertitore A/D utilizzato influiscono direttamente sulla precisione dei dati ricevuti dal microcontrollore back-end. Qui confrontiamo e analizziamo i seguenti due convertitori AD.

 

Soluzione 1: utilizzare il convertitore A/D ADC0809 a 8 bit

ADC0809 è un convertitore A/D a 8 bit comunemente utilizzato, che è del tipo ad approssimazione successiva. ADC0809 è alimentato da un singolo +5V. Il chip contiene 8 interruttori elettronici analogici con funzione latch, che possono rispondere a 8 tensioni analogiche da 0 a +5 V. Il segnale viene convertito in time-sharing e sono necessari circa 100us per completare una conversione, quindi la velocità è maggiore, ma il chip ADC0809 ha una bassa risoluzione e una precisione insufficiente, che non può soddisfare i requisiti di questo sistema e non viene utilizzato.

 

Opzione 2: adottare 4 convertitori A/D integrali e mezzo doppi ICL7135

ICL7135 è un convertitore A/D ampiamente utilizzato, un convertitore A/D integrale con uscita in codice BCD dinamico. Le sue caratteristiche sono: alta precisione, uscita di conversione automatica della polarità, calibrazione dello zero automatica, funzionamento con alimentazione singola e uscita del codice BCD dinamico. Poiché il tempo di doppia integrazione del metodo di doppia integrazione è relativamente lungo, la velocità di conversione A/D è lenta, solitamente (da 3 a 10) volte/s. Inoltre, l'integrazione del segnale di interferenza che cambia periodicamente è pari a zero e anche le prestazioni anti-interferenza sono relativamente buone. Nel caso della stessa precisione, il prezzo è inferiore rispetto al convertitore A/D di tipo ad approssimazioni successive, quindi è più adatto utilizzare questo tipo di convertitore A/D nelle occasioni in cui i requisiti di velocità non sono elevati.

 

Considerando i requisiti del sensore a ultrasuoni per la misurazione della distanza  , questo progetto utilizza il convertitore A/D ICL7135 con elevata precisione di controllo. Circuito hardware e progettazione software. Il circuito hardware di questo progetto include il circuito minimo del sistema, controllo del livello del liquido e circuito di allarme, circuito di acquisizione e trasmissione del segnale, tastiera e modulo display. Sistema minimo (circuito di alimentazione, espansione I/O e circuito stroboscopico). La scheda di sistema più piccola utilizzata in questo progetto si basa sul microcontroller 80C52 e ha una buona scalabilità. La CPU è collegata a un oscillatore a cristallo da 11,0592 MHz, composto principalmente da un circuito latch 74LS373, un circuito di decodifica 74LS138, pulsanti, un dispositivo di visualizzazione, un ICL7135 e i suoi circuiti tipici periferici, e utilizza 8255 per espandere l'interfaccia I/O. Il circuito minimo del sistema è mostrato nella Figura 2.

progettazione del software

La parte software utilizza principalmente un microcomputer a chip singolo serie 51 come controller, la tensione di uscita del sensore viene campionata, il valore campionato viene confrontato con il valore impostato, il microcomputer a chip singolo controlla l'elettrovalvola per regolare il livello del liquido, l'host imposta il valore sull'estensione tramite la comunicazione 485 e il controller dell'estensione controlla il livello del liquido dell'estensione. La parte software include la parte di campionamento ICL7135, la parte di comunicazione 485, la parte di elaborazione digitale, la parte di visualizzazione, la parte di tastiera e così via. Per evitare dati di misurazione imprecisi causati dal movimento del sensore a ultrasuoni per la misurazione della distanza, è stata aggiunta appositamente una funzione di regolazione dello zero per migliorare ulteriormente la precisione del sistema. Il diagramma di flusso del programma principale è mostrato nella Figura 4.

Risultati sperimentali e analisi

L'attrezzatura di prova richiesta è un multimetro digitale ad alta precisione a 4 cifre 1/2, una scala e un oscilloscopio digitale a doppia traccia 100M.

Dai dati di cui sopra, possiamo vedere che la precisione dei dati di test di ciascuna unità di rilevamento del sistema è molto elevata, il valore del display a cristalli liquidi e il valore misurato sono molto vicini al valore impostato, esiste una relazione lineare con la tensione di uscita del sensore e una certa relazione proporzionale con il peso. Questo è inseparabile dalla scelta dell'hardware e dalla corrispondenza dei suoi parametri e dalla scelta degli algoritmi di controllo del software.

Riepilogo del progetto

Questo progetto utilizza hardware come sensore a ultrasuoni, ICL7135 e altri chip e strumenti ad alta precisione per la misurazione del livello del liquido, in modo che la precisione del livello del liquido sia molto superiore al requisito che l'errore del livello del liquido non superi ± 0,3 cm. Questo progetto utilizza anche la comunicazione MAX485, il display LCD a cristalli liquidi OCM4X8C e altri chip e componenti, rendendo il design più in linea con i requisiti applicativi effettivi e riducendo di conseguenza la difficoltà di progettazione del software. Nel software, l'uso di metodi di programmazione standardizzati riduce efficacemente lo spazio di archiviazione richiesto dal programma. Attualmente questo argomento viene utilizzato principalmente per il rilevamento del livello delle acque sotterranee.