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システム機能の概要とブロック図
この設計では、MCS-51 シングルチップ マイクロコンピュータをデジタル チップとアナログ回路と組み合わせて使用し、水位の検出と自動制御を完了します。基本的な 超音波センサー部分は 、ホストがキーボードを介して自身とスレーブの液位を設定し、超音波センサーが現在の水位に対応する電圧値を測定し、それをコントローラーに送信し、アナログデジタル変換を通じて設定値と比較し、シングルチップコンピューターが電磁弁を制御してホストの液位を調整し、設定値と現在値をLCDに表示します。ホストコントローラーは485通信を通じて設定値をスレーブコントローラーに送信し、スレーブコントローラーもホストコントローラーと同様に液面を制御でき、ホストの設定値と現在の液面値をLCDを通じて表示します。 485通信を使用してスレーブの現在の液面をホストに送信し、表示します。
このシステムは、シングルチップマイコンシステムデータ処理モジュール、A/Dデータ入力モジュール、485通信モジュール、液面制御および警報モジュール、キーボードおよび表示モジュールで構成されています。スキームのデモンストレーションと比較では、システムの要件を考慮します。デバイスの選択プロセスでは、次の点に重点が置かれます。 超音波液面センサー とアナログデジタル変換チップ。
センサー
システム設計プロセス中に、次の 3 つの超音波センサーが選択され、比較されました。
解決策 1: 圧力センサー
現在、液面圧力センサの多くは入力静圧液面発信器であり、入力静圧液面センサは大気圧を基準とした場合のみ正確に測定することができます。しかし、接続ケーブル内の通気は環境の影響を受け、気管の内壁に結露が発生し、結露が発生します。電子機器やセンサーに結露が生じると、精度や出力ドリフトに影響を与える可能性があります。同時に、結露が速すぎると、送信機の寿命が大幅に短くなります。この圧力センサーは環境の影響を受けやすく、測定が不正確になり、設置も不便です。
オプション 2: ピエゾ抵抗圧力センサー
ピエゾ抵抗センサーは、集積回路プロセスを使用して、特定の結晶方位のシリコン平坦ダイヤフラム上に拡散バリスタを直接作成します。シリコン製の平坦なダイヤフラムは、わずかに変形しても良好な弾性特性を示します。シリコンウェーハが押されると、ダイアフラムが変形して拡散抵抗の抵抗が変化します。このバリスタは温度などの外部環境の影響を受けやすいため、測定が不正確になり、一般に体積が大きく、設置や持ち運びが容易ではありません。一般に、その精度は比較的低いです。デザイン上のニーズには応えられません。
解決策 3: 超音波センサー
超音波センサーは業界初のキー設定機能と自己診断機能を備えた小型センサーです。小さいながらも他の大型センサーの機能を備えています。設置と使用が簡単で、測定対象物の色の影響を受けません。自己診断LED表示とキー設定機能、アナログ量やスイッチ出力を選択できる温度補償機能など、多くの特別な機能を備えています。電源電圧は10〜30V、測定範囲は30mm〜300mm、出力電圧は0V〜10V、出力電流は4mA〜20mA、最小負荷インピーダンスは2.5オーム、精度は0.5mmに達します。形状はストレートタイプとライトアングルタイプに分けられます。誘導口径は18mmです。超音波センサーは、設計で要求される0〜25cmの液面制御と、液面誤差が±0.3cmを超えないという要件を満たす条件を備えており、設置の不便さの問題を解決します。したがって、この設計では高精度で小型の超音波センサーが選択されます。
A/Dコンバータ
使用される A/D コンバータの精度と性能は、バックエンド マイクロコントローラが受信するデータの精度に直接影響します。ここでは、以下の 2 つの AD コンバータを比較分析します。
解決策 1: 8 ビット ADC0809 A/D コンバータを使用する
ADC0809 は、一般的に使用される逐次比較型の 8 ビット A/D コンバータです。 ADC0809 は単一の +5V で駆動されます。このチップにはラッチ機能を備えた 8 つのアナログ電子スイッチが含まれており、0 ～ +5V の 8 つのアナログ電圧に応答できます。信号は時分割で変換され、変換が完了するまでに約 100us かかるため速度は速くなりますが、ADC0809 チップは分解能が低く、精度が不十分なため、このシステムの要件を満たすことができず、使用されません。
オプション 2: 4.5 ダブル積分 A/D コンバータ ICL7135 を採用
ICL7135 は広く使用されている A/D コンバータであり、ダイナミック BCD コード出力を備えた統合型 A/D コンバータです。高精度、自動極性変換出力、自動ゼロ校正、単一電源動作、ダイナミックBCDコード出力が特長です。 2 重積分方式は 2 重積分時間が比較的長いため、A/D 変換速度は遅くなり、通常 (3 ～ 10 回/s) となります。さらに、周期的に変化する干渉信号の積分はゼロであり、耐干渉性能も比較的良好です。同じ精度であれば逐次比較型A/Dコンバータよりも価格が安いため、速度要求が高くない場合にはこのタイプのA/Dコンバータを使用するのが適しています。
の要件を考慮すると、 距離測定用の超音波センサでは 、この設計は、高い制御精度を備えた ICL7135 A/D コンバータを使用しています。ハードウェア回路とソフトウェア設計。この設計のハードウェア回路には、最小限のシステム回路、液面制御およびアラーム回路、信号取得および送信回路、キーボードおよび表示モジュールが含まれています。最小限のシステム (電源回路、I/O 拡張およびストロボ回路)。この設計で使用されている最小のシステムボードは、80C52 マイクロコントローラに基づいており、優れた拡張性を備えています。 CPU には 11.0592MHz の水晶発振器が接続されており、主に 74LS373 ラッチ回路、74LS138 デコード回路、ボタン、表示デバイス、ICL7135 およびその周辺の代表回路で構成され、8255 を使用して I/O インターフェイスを拡張しています。最小システム回路を図 2 に示します。
ソフトウェア設計
ソフトウェア部分は主に51シリーズシングルチップマイコンをコントローラとして使用し、センサーの出力電圧をサンプリングし、サンプリングした値を設定値と比較し、シングルチップマイコンがソレノイドバルブを制御して液面を調整し、ホストが485通信を通じてエクステンションに値を設定し、エクステンションコントローラがエクステンション液面を制御します。ソフトウェア部には、ICL7135サンプリング部、485通信部、デジタル処理部、表示部、キーボード部などが含まれます。距離測定用の超音波センサーの動きによる測定データの不正確を回避するために、特にゼロ調整機能を追加し、システムの精度をさらに向上させました。メインプログラムのフローチャートを図 4 に示します。
実験結果と分析
必要なテスト機器は、4 桁 1/2 高精度デジタル マルチメータ、スケール、100M デュアル トレース デジタル オシロスコープです。
上記のデータから、システムの各検出ユニットのテストデータの精度が非常に高く、液晶表示値と測定値が設定値に非常に近く、センサー出力電圧と線形関係があり、重量と一定の比例関係があることがわかります。これは、ハードウェアの選択とそのパラメーターの一致、およびソフトウェア制御アルゴリズムの選択から切り離すことができません。
設計概要
この設計では、超音波センサー、ICL7135、その他の高精度チップや液面測定機器などのハードウェアを使用しているため、液面精度は液面誤差が±0.3cmを超えないという要件よりもはるかに高くなります。この設計では、MAX485通信、OCM4X8C液晶ディスプレイLCD、その他のチップやコンポーネントも使用しているため、実際のアプリケーション要件により沿った設計となり、それに応じてソフトウェア設計の難易度も軽減されます。ソフトウェアでは、標準化されたプログラミング手法を使用することで、プログラムに必要な記憶領域が効果的に削減されます。現在、この主題は主に地下水位検出に使用されています。
