Badania nad systemem automatycznej kontroli poziomu zaprojektowanego za pomocą czujnika ultradźwiękowego

Przegląd funkcji systemu i schemat blokowy

 

W tej konstrukcji zastosowano jednoukładowy mikrokomputer MCS-51 w połączeniu z układem cyfrowym i obwodem analogowym w celu zakończenia wykrywania i automatycznej kontroli poziomu wody. Podstawowe części czujnika ultradźwiękowego , za pomocą których host ustawia poziom cieczy sam i urządzenie podrzędne za pomocą klawiatury, czujnik ultradźwiękowy mierzy wartość napięcia odpowiadającą aktualnemu poziomowi wody, a następnie wysyła ją do sterownika i porównuje z ustawioną wartością poprzez konwersję analogowo-cyfrową, a komputer jednoukładowy steruje zaworem elektromagnetycznym, reguluje poziom cieczy hosta i wyświetla ustawioną wartość i aktualną wartość na wyświetlaczu LCD; sterownik główny przesyła ustawioną wartość do sterownika podrzędnego za pośrednictwem komunikacji 485, a sterownik podrzędny może również kontrolować poziom cieczy tak jak sterownik główny oraz wyświetlać ustawioną wartość i aktualną wartość poziomu cieczy hosta za pomocą wyświetlacza LCD; i użyj komunikacji 485, aby wysłać bieżący poziom cieczy urządzenia podrzędnego do hosta i wyświetlić go.

 

System składa się z modułu przetwarzania danych jednoukładowego mikrokomputera, modułu wprowadzania danych A/D, modułu komunikacyjnego 485, modułu kontroli poziomu cieczy i modułu alarmowego, klawiatury i modułu wyświetlacza. Demonstracja i porównanie schematu uwzględniają wymagania systemu. W procesie wyboru urządzenia nacisk kładziony jest na wybór ultradźwiękowy czujnik poziomu cieczy  i układy konwersji analogowo-cyfrowej.

 

transduktor

Podczas projektowania systemu wybrano i porównano trzy następujące czujniki ultradźwiękowe.

Rozwiązanie 1: Czujnik ciśnienia

 

 

Obecnie większość czujników ciśnienia poziomu cieczy to wejściowe przetworniki poziomu cieczy pod ciśnieniem statycznym, a wejściowe czujniki poziomu cieczy pod ciśnieniem statycznym można dokładnie mierzyć jedynie w odniesieniu do ciśnienia atmosferycznego. Jednakże środowisko będzie miało wpływ na wentylację kabla połączeniowego, powodując kondensację wewnętrznej ściany tchawicy, kondensację. Krople rosy na urządzeniach elektronicznych i czujnikach mogą mieć wpływ na dokładność lub dryft wyjściowy. Jednocześnie, jeśli kondensacja będzie zbyt szybka, żywotność przetwornika zostanie znacznie skrócona. Na ten czujnik ciśnienia łatwo wpływa środowisko, co powoduje niedokładne pomiary i jest niewygodny w instalacji.

 

Opcja 2: Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia

Czujnik piezorezystancyjny wykorzystuje proces układu scalonego do bezpośredniego wykonania rozproszonego warystora na płaskiej membranie krzemowej w określonej orientacji kryształów; płaska membrana silikonowa ma dobre właściwości elastyczne, gdy jest lekko odkształcona. Po dociśnięciu płytki krzemowej odkształcenie membrany powoduje zmianę rezystancji rezystora dyfuzyjnego; na warystor łatwo wpływa środowisko zewnętrzne, takie jak temperatura, co powoduje niedokładny pomiar, a objętość jest na ogół duża, nie jest łatwy w instalacji i nie jest łatwy do przenoszenia; generalnie jego dokładność jest stosunkowo niska. Nie jest w stanie zaspokoić potrzeb projektu.

 

Rozwiązanie 3: Czujnik ultradźwiękowy

Czujnik ultradźwiękowy to pierwszy w branży mały czujnik z funkcją ustawiania kluczy i funkcją autodiagnostyki. Mimo, że jest niewielki, posiada funkcje innych dużych sensorów. Jest łatwy w instalacji i obsłudze i nie ma na niego wpływu kolor mierzonego obiektu. Posiada wiele funkcji specjalnych, takich jak: wyświetlacz LED do autodiagnostyki i funkcja ustawiania klawiszy, funkcja kompensacji temperatury, która może wybrać wielkość analogową lub wyjście przełączające itp.; jego napięcie zasilania wynosi 10 ~ 30 V, zakres pomiarowy wynosi 30 mm ~ 300 mm, napięcie wyjściowe wynosi 0 V ~ 10 V, prąd wyjściowy wynosi 4 mA ~ 20 mA, minimalna impedancja obciążenia wynosi 2,5 oma, a dokładność może osiągnąć 0,5 mm. Kształt jest podzielony na typ prosty i typ kątowy. Kaliber indukcyjny wynosi 18 mm. Czujnik ultradźwiękowy spełnia wymagania wymagane w projekcie kontroli poziomu cieczy w zakresie 0-25 cm oraz wymaganie, aby błąd poziomu cieczy nie przekraczał ± 0,3 cm, a także rozwiązuje problem niewygodnej instalacji. Dlatego w tej konstrukcji wybrano czujnik ultradźwiękowy o dużej dokładności i niewielkich rozmiarach.

 

Przetwornik A/D

Dokładność i wydajność zastosowanego przetwornika A/D bezpośrednio wpływają na dokładność danych odbieranych przez mikrokontroler zaplecza. Tutaj porównujemy i analizujemy następujące dwa konwertery AD.

 

Rozwiązanie 1: Użyj 8-bitowego przetwornika A/D ADC0809

ADC0809 to powszechnie stosowany 8-bitowy przetwornik A/D, będący typem kolejnego przybliżenia. ADC0809 zasilany jest pojedynczym +5V. Układ zawiera 8 analogowych przełączników elektronicznych z funkcją zatrzasku, które mogą reagować na napięcia analogowe od 0 do +5 V 8. Sygnał jest konwertowany w trybie podziału czasu, a konwersja zajmuje około 100 us, więc prędkość jest większa, ale układ ADC0809 ma niską rozdzielczość i niewystarczającą dokładność, co nie może spełnić wymagań tego systemu i nie jest używany.

 

Opcja 2: Zastosuj 4 i pół podwójnego zintegrowanego przetwornika A/D ICL7135

ICL7135 to szeroko stosowany przetwornik A/D, zintegrowany przetwornik A/D z dynamicznym wyjściem kodu BCD. Jego cechy to: wysoka precyzja, automatyczna konwersja polaryzacji, automatyczna kalibracja zera, praca z jednym zasilaczem i dynamiczne wyjście kodu BCD. Ponieważ czas podwójnego całkowania w metodzie podwójnego całkowania jest stosunkowo długi, prędkość konwersji A/C jest niska, zwykle (3 do 10) razy/s. Ponadto integracja okresowo zmieniającego się sygnału zakłócającego wynosi zero, a działanie przeciwzakłóceniowe jest również stosunkowo dobre. Przy tej samej dokładności cena jest niższa niż w przypadku kolejnego przetwornika A/D typu przybliżonego, dlatego bardziej wskazane jest stosowanie tego typu przetwornika A/D w sytuacjach, gdy wymagania dotyczące prędkości nie są duże.

 

Biorąc pod uwagę wymagania ww ultradźwiękowy czujnik do pomiaru odległości  , w tej konstrukcji zastosowano przetwornik A/D ICL7135 o dużej dokładności sterowania. Obwód sprzętowy i projekt oprogramowania. Obwód sprzętowy tej konstrukcji obejmuje minimalny obwód systemu, obwód kontroli poziomu cieczy i obwód alarmowy, obwód gromadzenia i transmisji sygnału, klawiaturę i moduł wyświetlacza. Minimalny system (obwód zasilania oraz obwód rozszerzeń we/wy i stroboskopowy). Najmniejsza płyta systemowa zastosowana w tej konstrukcji oparta jest na mikrokontrolerze 80C52 i ma dobrą skalowalność. Procesor jest połączony z oscylatorem kwarcowym o częstotliwości 11,0592 MHz, który składa się głównie z obwodu zatrzaskowego 74LS373, obwodu dekodującego 74LS138, przycisków, urządzenia wyświetlającego, układu ICL7135 i jego typowych obwodów peryferyjnych, a także wykorzystuje 8255 do rozszerzenia interfejsu we/wy. Minimalny obwód systemu pokazano na rysunku 2.

projektowanie oprogramowania

Część oprogramowania wykorzystuje głównie jednoukładowy mikrokomputer serii 51 jako kontroler, próbkowane jest napięcie wyjściowe czujnika, próbkowana wartość jest porównywana z ustawioną wartością, jednoukładowy mikrokomputer steruje zaworem elektromagnetycznym w celu regulacji poziomu cieczy, host ustawia wartość dla rozszerzenia poprzez komunikację 485, a kontroler rozszerzenia kontroluje poziom cieczy w rozszerzeniu. Część oprogramowania obejmuje część próbkującą ICL7135, część komunikacyjną 485, część do przetwarzania cyfrowego, część wyświetlającą, część klawiatury i tak dalej. Aby uniknąć niedokładnych danych pomiarowych spowodowanych ruchem czujnika ultradźwiękowego do pomiaru odległości, specjalnie dodano funkcję regulacji zera, aby jeszcze bardziej poprawić dokładność systemu. Główny schemat działania programu pokazano na rysunku 4.

Wyniki eksperymentów i analizy

Wymagany sprzęt testowy to 4-cyfrowy, precyzyjny multimetr cyfrowy 1/2, skala i podwójny oscyloskop cyfrowy 100M.

Z powyższych danych wynika, że ​​dokładność danych testowych każdej jednostki detekcyjnej systemu jest bardzo wysoka, wartość wyświetlacza ciekłokrystalicznego i wartość zmierzona są bardzo zbliżone do wartości ustawionej, istnieje liniowa zależność od napięcia wyjściowego czujnika i pewna proporcjonalna zależność od masy. Jest to nierozerwalnie związane z wyborem sprzętu i dopasowaniem jego parametrów oraz wyborem algorytmów sterujących oprogramowaniem.

Podsumowanie projektu

W tej konstrukcji zastosowano sprzęt, taki jak czujnik ultradźwiękowy, ICL7135 oraz inne precyzyjne chipy i przyrządy do pomiaru poziomu cieczy, dzięki czemu dokładność poziomu cieczy jest znacznie wyższa niż wymaganie, aby błąd poziomu cieczy nie przekraczał ± 0,3 cm. W tej konstrukcji zastosowano również komunikację MAX485, wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD OCM4X8C oraz inne chipy i komponenty, dzięki czemu projekt jest bardziej zgodny z rzeczywistymi wymaganiami aplikacji i odpowiednio zmniejsza trudność projektowania oprogramowania. W oprogramowaniu zastosowanie standardowych metod programowania skutecznie zmniejsza przestrzeń dyskową wymaganą przez program. Obecnie tematyka ta wykorzystywana jest głównie do detekcji poziomu wód gruntowych.