Onderzoek naar automatisch niveaucontrolesysteem ontworpen door ultrasone sensor

Systeemfunctieoverzicht en blokdiagram

 

Dit ontwerp maakt gebruik van de MCS-51 microcomputer met enkele chip in combinatie met een digitale chip en een analoog circuit om de detectie en automatische controle van het waterniveau te voltooien. De basis ultrasone sensoronderdelen waarmee de host het vloeistofniveau van zichzelf en de slaaf instelt via het toetsenbord, de ultrasone sensor meet de spanningswaarde die overeenkomt met het huidige waterniveau, en stuurt deze vervolgens naar de controller en vergelijkt deze met de ingestelde waarde via de analoog-naar-digitaal conversie, en de computer met één chip bestuurt de magneetklep, past het vloeistofniveau van de host aan en geeft de ingestelde waarde en huidige waarde op het LCD-scherm weer; de hostcontroller verzendt de ingestelde waarde naar de slave-controller via 485-communicatie, en de slave-controller kan ook het vloeistofniveau regelen zoals de hostcontroller, en de ingestelde waarde en de huidige vloeistofniveauwaarde van de host weergeven via het LCD-scherm; en gebruik 485-communicatie om het huidige vloeistofniveau van de slaaf naar de host te sturen en weer te geven.

 

Het systeem bestaat uit een gegevensverwerkingsmodule met een microcomputersysteem met één chip, een A/D-gegevensinvoermodule, een 485-communicatiemodule, een vloeistofniveaucontrole- en alarmmodule, een toetsenbord en een displaymodule. De demonstratie en vergelijking van het schema houden rekening met de vereisten van het systeem. Bij het keuzeproces van het toestel ligt de focus op de keuze van ultrasone vloeistofniveausensor  en analoog-naar-digitaal conversiechips.

 

sensor

Tijdens het systeemontwerpproces zijn de volgende drie ultrasoonsensoren geselecteerd en vergeleken.

Oplossing 1: druksensor

 

 

Momenteel zijn de meeste vloeistofniveaudruksensoren statische drukvloeistofniveauzenders, en statische drukvloeistofniveausensoren kunnen alleen nauwkeurig worden gemeten met verwijzing naar de atmosferische druk. De ventilatie in de aansluitkabel wordt echter beïnvloed door de omgeving, waardoor de binnenwand van de luchtpijp condenseert, condensatie. Dauwdruppels op elektronische apparaten en sensoren kunnen de nauwkeurigheid of het afwijken van de uitvoer beïnvloeden. Tegelijkertijd zal de levensduur van de zender aanzienlijk worden verkort als de condensatie te snel is. Deze druksensor wordt gemakkelijk beïnvloed door de omgeving en veroorzaakt onnauwkeurige metingen, en is lastig te installeren.

 

Optie 2: Piëzoresistieve druksensor

De piëzoresistieve sensor maakt gebruik van een geïntegreerd circuitproces om direct een diffuse varistor op een plat siliciumdiafragma te maken in een bepaalde kristaloriëntatie; het platte siliciumdiafragma heeft goede elastische eigenschappen als het enigszins vervormd is. Wanneer de siliciumwafel wordt ingedrukt, zorgt de vervorming van het diafragma ervoor dat de weerstand van de diffusieweerstand verandert; deze varistor wordt gemakkelijk beïnvloed door de externe omgeving, zoals temperatuur, wat resulteert in onnauwkeurige metingen, en het volume is over het algemeen groot, niet eenvoudig te installeren en niet gemakkelijk mee te nemen; over het algemeen is de nauwkeurigheid ervan relatief laag. Het kan niet voldoen aan de ontwerpbehoeften.

 

Oplossing 3: Ultrasone sensor

Ultrasone sensor is de eerste kleine sensor met sleutelinstelfunctie en zelfdiagnosefunctie in de branche. Hoewel hij klein is, heeft hij de functies van andere grote sensoren. Het is eenvoudig te installeren en te gebruiken en wordt niet beïnvloed door de kleur van het meetobject. Het heeft veel speciale functies, zoals: zelfdiagnose LED-display en sleutelinstelfunctie, temperatuurcompensatiefunctie, die analoge hoeveelheid of schakeluitgang kan kiezen, enz.; de voedingsspanning is 10 ~ 30V, het meetbereik is 30 mm ~ 300 mm, de uitgangsspanning is 0V ~ 10V, de uitgangsstroom is 4mA ~ 20mA, de minimale belastingsimpedantie is 2,5 ohm en de nauwkeurigheid kan 0,5 mm bereiken. De vorm is verdeeld in recht type en haaks type. Het inductiekaliber is 18 mm. De ultrasone sensor voldoet aan de voorwaarden om te voldoen aan de vloeistofniveauregeling van 0-25 cm die vereist is door het ontwerp, en aan de vereiste dat de vloeistofniveaufout ± 0,3 cm niet overschrijdt, en lost het probleem van ongemakkelijke installatie op. Daarom kiest dit ontwerp voor een ultrasone sensor met hoge nauwkeurigheid en klein formaat.

 

A/D-omzetter

De nauwkeurigheid en prestaties van de gebruikte A/D-converter hebben rechtstreeks invloed op de nauwkeurigheid van de gegevens die door de back-end-microcontroller worden ontvangen. Hier vergelijken en analyseren we de volgende twee AD-converters.

 

Oplossing 1: gebruik de 8-bits ADC0809 A/D-converter

ADC0809 is een veelgebruikte 8-bits A/D-omzetter, van het opeenvolgende benaderingstype. ADC0809 wordt gevoed door een enkele +5V. De chip bevat 8 analoge elektronische schakelaars met een grendelfunctie, die kunnen reageren op 0 tot +5V 8 analoge spanningen. Het signaal wordt geconverteerd in time-sharing en het duurt ongeveer 100us om een ​​conversie te voltooien, dus de snelheid is hoger, maar de ADC0809-chip heeft een lage resolutie en onvoldoende nauwkeurigheid, die niet aan de vereisten van dit systeem kan voldoen en niet wordt gebruikt.

 

Optie 2: Gebruik 4,5 dubbele integrale A/D-omzetter ICL7135

ICL7135 is een veelgebruikte A/D-converter, een integrale A/D-converter met dynamische BCD-code-uitvoer. De kenmerken zijn: hoge precisie, automatische polariteitsomzetting, automatische nulkalibratie, bediening met enkele voeding en dynamische BCD-code-uitvoer. Omdat de dubbele integratietijd van de dubbele integratiemethode relatief lang is, is de A/D-conversiesnelheid langzaam, gewoonlijk (3 tot 10) keer/s. Bovendien is de integratie van het periodiek veranderende interferentiesignaal nul en zijn de anti-interferentieprestaties ook relatief goed. Bij dezelfde nauwkeurigheid is de prijs lager dan die van de A/D-omzetter van het opeenvolgende benaderingstype, zodat het geschikter is om dit type A/D-omzetter te gebruiken in gevallen waarin de snelheidsvereiste niet hoog is.

 

Gezien de eisen van de ultrasone sensor voor afstandsmeting  , dit ontwerp maakt gebruik van de ICL7135 A/D-converter met hoge regelnauwkeurigheid. Hardwarecircuit en softwareontwerp. Het hardwarecircuit van dit ontwerp omvat het minimale systeemcircuit, vloeistofniveaucontrole en alarmcircuit, signaalverwervings- en transmissiecircuit, toetsenbord en displaymodule. Minimaal systeem (voedingscircuit en I/O-uitbreiding en stroboscoopcircuit). Het kleinste systeembord dat in dit ontwerp wordt gebruikt, is gebaseerd op de 80C52-microcontroller en heeft een goede schaalbaarheid. De CPU is verbonden met een kristaloscillator van 11,0592 MHz, die voornamelijk bestaat uit een 74LS373-vergrendelcircuit, een 74LS138-decoderingscircuit, knoppen, een weergaveapparaat, een ICL7135 en de typische randcircuits ervan, en gebruikt 8255 om de I/O-interface uit te breiden. Het minimale systeemcircuit wordt getoond in Figuur 2.

software-ontwerp

Het softwaregedeelte maakt voornamelijk gebruik van de 51-serie single-chip microcomputer als controller, de uitgangsspanning van de sensor wordt bemonsterd, de bemonsterde waarde wordt vergeleken met de ingestelde waarde, de single-chip microcomputer bestuurt de magneetklep om het vloeistofniveau aan te passen, de host stelt de waarde in op de extensie via 485-communicatie, en de uitbreidingscontroller regelt het extensievloeistofniveau. Het softwaregedeelte omvat het ICL7135-bemonsteringsgedeelte, 485-communicatiegedeelte, digitaal verwerkingsgedeelte, weergavegedeelte, toetsenbordgedeelte enzovoort. Om onnauwkeurige meetgegevens te voorkomen die worden veroorzaakt door de beweging van de ultrasone sensor voor afstandsmeting, is speciaal een nulaanpassingsfunctie toegevoegd om de nauwkeurigheid van het systeem verder te verbeteren. Het stroomschema van het hoofdprogramma wordt weergegeven in Figuur 4.

Experimentele resultaten en analyse

De vereiste testapparatuur is een 4-cijferige 1/2 uiterst nauwkeurige digitale multimeter, een schaalverdeling en een 100M dual-trace digitale oscilloscoop.

Uit de bovenstaande gegevens kunnen we zien dat de nauwkeurigheid van de testgegevens van elke detectie-eenheid van het systeem zeer hoog is, dat de weergavewaarde van vloeibare kristallen en de gemeten waarde zeer dicht bij de ingestelde waarde liggen, dat er een lineair verband bestaat met de uitgangsspanning van de sensor, en een zekere proportionele relatie met het gewicht. Dit is onlosmakelijk verbonden met de keuze van de hardware en het matchen van de parameters ervan en de keuze van softwarebesturingsalgoritmen.

Ontwerp samenvatting

Dit ontwerp maakt gebruik van hardware zoals een ultrasone sensor, ICL7135 en andere zeer nauwkeurige chips en instrumenten voor het meten van het vloeistofniveau, zodat de nauwkeurigheid van het vloeistofniveau veel hoger is dan de vereiste dat de vloeistofniveaufout ± 0,3 cm niet overschrijdt. Dit ontwerp maakt ook gebruik van MAX485-communicatie, OCM4X8C LCD-scherm met vloeibare kristallen en andere chips en componenten, waardoor het ontwerp beter aansluit bij de daadwerkelijke toepassingsvereisten en dienovereenkomstig de moeilijkheidsgraad van het softwareontwerp vermindert. In software vermindert het gebruik van gestandaardiseerde programmeermethoden effectief de opslagruimte die het programma nodig heeft. Momenteel wordt dit onderwerp vooral gebruikt voor grondwaterstanddetectie.