Penyelidikan mengenai Sistem Kawalan Tahap Automatik Direka oleh Penderia Ultrasonik

Gambaran keseluruhan fungsi sistem dan gambarajah blok

 

Reka bentuk ini menggunakan mikrokomputer cip tunggal MCS-51 digabungkan dengan cip digital dan litar analog untuk melengkapkan pengesanan dan kawalan automatik paras air. Yang asas bahagian sensor ultrasonik yang mana hos menetapkan paras cecair itu sendiri dan hamba melalui papan kekunci, sensor ultrasonik mengukur nilai voltan yang sepadan dengan paras air semasa, dan kemudian menghantarnya kepada pengawal dan membandingkan dengan nilai yang ditetapkan melalui penukaran analog-ke-digital, dan komputer cip tunggal mengawal injap solenoid melaraskan paras cecair hos, dan memaparkan nilai set dan nilai semasa pada LCD; pengawal hos menghantar nilai yang ditetapkan kepada pengawal hamba melalui komunikasi 485, dan pengawal hamba juga boleh mengawal tahap cecair seperti pengawal hos, Dan memaparkan nilai set dan nilai tahap cecair semasa hos melalui LCD; dan gunakan komunikasi 485 untuk menghantar paras cecair semasa hamba kepada hos dan memaparkannya.

 

Sistem ini terdiri daripada modul pemprosesan data sistem mikrokomputer cip tunggal, modul input data A/D, modul komunikasi 485, kawalan paras cecair dan modul penggera, papan kekunci dan modul paparan. Demonstrasi dan perbandingan skema mengambil kira keperluan sistem. Dalam proses pemilihan peranti, tumpuan adalah pada pemilihan sensor paras cecair ultrasonik  dan cip penukaran analog-ke-digital.

 

penderia

Semasa proses reka bentuk sistem, tiga penderia ultrasonik berikut telah dipilih dan dibandingkan.

Penyelesaian 1: Penderia tekanan

 

 

Pada masa ini, kebanyakan penderia tekanan paras cecair adalah pemancar paras cecair tekanan statik input, dan penderia paras cecair tekanan statik input hanya boleh diukur dengan tepat dengan merujuk kepada tekanan atmosfera. Walau bagaimanapun, pengudaraan dalam kabel sambungan akan terjejas oleh persekitaran, menyebabkan dinding dalaman pemeluwapan trakea, pemeluwapan. Titisan embun pada peranti elektronik dan penderia boleh menjejaskan ketepatan atau hanyutan output. Pada masa yang sama, jika pemeluwapan terlalu cepat, hayat perkhidmatan pemancar akan sangat dipendekkan. Sensor tekanan ini mudah dipengaruhi oleh persekitaran dan menyebabkan pengukuran tidak tepat, dan menyusahkan untuk dipasang.

 

Pilihan 2: Penderia tekanan piezoresistif

Penderia piezoresistif menggunakan proses litar bersepadu untuk terus membuat varistor meresap pada diafragma rata silikon dalam orientasi kristal tertentu; diafragma rata silikon mempunyai sifat keanjalan yang baik apabila ia sedikit cacat. Apabila wafer silikon ditekan, ubah bentuk diafragma menyebabkan rintangan perintang resapan berubah; varistor ini mudah dipengaruhi oleh persekitaran luaran, seperti suhu, mengakibatkan pengukuran yang tidak tepat, dan jumlahnya secara amnya besar, ia tidak mudah dipasang dan tidak mudah dibawa; umumnya ketepatannya agak rendah. Ia tidak dapat memenuhi keperluan reka bentuk.

 

Penyelesaian 3: Penderia ultrasonik

Penderia ultrasonik ialah penderia kecil pertama dengan fungsi tetapan kunci dan fungsi diagnosis diri dalam industri. Walaupun ia kecil, ia mempunyai fungsi sensor besar yang lain. Ia mudah dipasang dan digunakan serta tidak terjejas oleh warna objek pengukur. Ia mempunyai banyak fungsi khas, seperti: paparan LED diagnosis diri dan fungsi tetapan kunci, fungsi pampasan suhu, yang boleh memilih kuantiti analog atau output suis, dsb.; voltan bekalan kuasanya ialah 10 ~ 30V, julat pengukuran ialah 30mm ~ 300mm, voltan keluaran ialah 0V ~ 10V, arus keluaran ialah 4mA ~ 20mA, impedans beban minimum ialah 2.5 ohm, dan ketepatan boleh mencapai 0.5mm , Bentuknya dibahagikan kepada jenis lurus dan jenis sudut kanan. Kaliber aruhan ialah 18mm. Sensor ultrasonik mempunyai syarat untuk memenuhi kawalan paras cecair 0-25cm yang diperlukan oleh reka bentuk, dan keperluan bahawa ralat paras cecair tidak melebihi ±0.3cm, dan menyelesaikan masalah pemasangan yang menyusahkan. Oleh itu, reka bentuk ini memilih sensor ultrasonik dengan ketepatan tinggi dan saiz kecil.

 

Penukar A/D

Ketepatan dan prestasi penukar A/D yang digunakan secara langsung mempengaruhi ketepatan data yang diterima oleh mikropengawal belakang. Di sini kami membandingkan dan menganalisis dua penukar AD berikut.

 

Penyelesaian 1: Gunakan penukar ADC0809 A/D 8-bit

ADC0809 ialah penukar A/D 8-bit yang biasa digunakan, yang merupakan jenis anggaran berturut-turut. ADC0809 dikuasakan oleh satu +5V. Cip ini mengandungi 8 suis elektronik analog dengan fungsi selak, yang boleh bertindak balas kepada voltan analog 0 hingga +5V 8. Isyarat ditukar dalam perkongsian masa, dan ia mengambil masa kira-kira 100us untuk menyelesaikan penukaran, jadi kelajuannya lebih pantas, tetapi cip ADC0809 mempunyai resolusi rendah dan ketepatan yang tidak mencukupi, yang tidak dapat memenuhi keperluan sistem ini dan tidak digunakan.

 

Pilihan 2: Gunakan penukar A/D kamiran berganda 4 setengah ICL7135

ICL7135 ialah penukar A/D yang digunakan secara meluas, penukar A/D integral dengan output kod BCD dinamik. Ciri-cirinya ialah: ketepatan tinggi, output penukaran kekutuban automatik, penentukuran sifar automatik, operasi bekalan kuasa tunggal, dan output kod BCD dinamik. Memandangkan masa penyepaduan berganda kaedah penyepaduan berganda adalah agak panjang, kelajuan penukaran A/D adalah perlahan, biasanya (3 hingga 10) kali/s. Di samping itu, penyepaduan isyarat gangguan yang berubah secara berkala adalah sifar, dan prestasi anti-gangguan juga agak baik. Dalam kes ketepatan yang sama, harga adalah lebih rendah daripada penukar A/D jenis anggaran berturut-turut, jadi adalah lebih sesuai untuk menggunakan penukar A/D jenis ini dalam keadaan di mana keperluan kelajuan tidak tinggi.

 

Memandangkan keperluan yang sensor ultrasonik untuk pengukuran jarak  , reka bentuk ini menggunakan penukar ICL7135 A/D dengan ketepatan kawalan yang tinggi.Litar perkakasan dan reka bentuk perisian.Litar perkakasan reka bentuk ini termasuk litar sistem minimum, kawalan paras cecair dan litar penggera, pemerolehan isyarat dan litar penghantaran, papan kekunci dan modul paparan.Sistem minimum (litar bekalan kuasa dan pengembangan I/O dan litar strob) yang digunakan dalam reka bentuk0 dan papan sistem strob terkecil ini adalah 8 C5. mempunyai skalabilitas yang baik. CPU disambungkan dengan pengayun kristal 11.0592MHz, yang kebanyakannya terdiri daripada litar selak 74LS373, litar penyahkodan 74LS138, butang, peranti paparan, ICL7135 dan litar tipikal persisiannya, dan menggunakan 8255 untuk mengembangkan antara muka I/O. Litar sistem minimum ditunjukkan dalam Rajah 2.

reka bentuk perisian

Bahagian perisian terutamanya menggunakan mikrokomputer cip tunggal 51 siri sebagai pengawal, voltan keluaran sensor diambil sampel, nilai sampel dibandingkan dengan nilai yang ditetapkan, mikrokomputer cip tunggal mengawal injap solenoid untuk melaraskan paras cecair, hos menetapkan nilai kepada sambungan melalui komunikasi 485, dan pengawal sambungan mengawal tahap cecair sambungan. Bahagian perisian termasuk bahagian pensampelan ICL7135, bahagian komunikasi 485, bahagian pemprosesan digital, bahagian paparan, bahagian papan kekunci dan sebagainya. Untuk mengelakkan data ukuran yang tidak tepat yang disebabkan oleh pergerakan sensor ultrasonik untuk pengukuran jarak, fungsi pelarasan sifar ditambah khas untuk meningkatkan lagi ketepatan sistem. Carta alir program utama ditunjukkan dalam Rajah 4.

Keputusan dan analisis eksperimen

Peralatan ujian yang diperlukan ialah multimeter digital 4 digit 1/2 ketepatan tinggi, skala dan osiloskop digital surih dwi 100M.

Daripada data di atas, kita dapat melihat bahawa ketepatan data ujian setiap unit pengesanan sistem adalah sangat tinggi, nilai paparan kristal cecair dan nilai yang diukur adalah sangat hampir dengan nilai yang ditetapkan, terdapat hubungan linear dengan voltan keluaran sensor, dan hubungan berkadar tertentu dengan berat, Ini tidak dapat dipisahkan daripada pilihan perkakasan dan pemadanan parameternya dan pilihan algoritma kawalan perisian.

Ringkasan reka bentuk

Reka bentuk ini menggunakan perkakasan seperti sensor ultrasonik, ICL7135 dan cip dan instrumen berketepatan tinggi lain untuk pengukuran aras cecair, supaya ketepatan aras cecair jauh lebih tinggi daripada keperluan ralat aras cecair tidak melebihi ±0.3cm. Reka bentuk ini juga menggunakan komunikasi MAX485, LCD paparan kristal cecair OCM4X8C dan cip dan komponen lain, menjadikan reka bentuk lebih selaras dengan keperluan aplikasi sebenar, dan dengan itu mengurangkan kesukaran reka bentuk perisian. Dalam perisian, penggunaan kaedah pengaturcaraan piawai dengan berkesan mengurangkan ruang storan yang diperlukan oleh program. Pada masa ini, subjek ini digunakan terutamanya untuk pengesanan paras air bawah tanah.