Cercetare privind sistemul de control automat al nivelului proiectat de senzorul cu ultrasunete

Prezentare generală a funcțiilor sistemului și diagramă bloc

 

Acest design folosește microcomputer MCS-51 cu un singur cip combinat cu cip digital și circuit analog pentru a finaliza detectarea și controlul automat al nivelului apei. De bază părți ale senzorului cu ultrasunete pe care gazda setează nivelul de lichid al lui însuși și al sclavului prin tastatură, senzorul cu ultrasunete măsoară valoarea tensiunii corespunzătoare nivelului curent al apei, apoi o trimite controlerului și o compară cu valoarea setată prin conversia analog-digitală, iar computerul cu un singur cip controlează supapa solenoidală, reglează nivelul lichidului gazdei și afișează valoarea setată și valoarea curentă pe LCD; controlerul gazdă transmite valoarea setată controlerului slave prin comunicarea 485, iar controlerul slave poate controla, de asemenea, nivelul lichidului ca și controlerul gazdă și afișează valoarea setată și valoarea curentă a nivelului lichidului gazdei prin LCD; și utilizați comunicarea 485 pentru a trimite nivelul curent de lichid al slave către gazdă și pentru a-l afișa.

 

Sistemul este compus dintr-un modul de procesare a datelor de sistem de microcomputer cu un singur cip, modul de introducere a datelor A/D, modul de comunicație 485, modul de control și alarmă al nivelului de lichid, tastatură și modul de afișare. Demonstrarea și compararea schemei iau în considerare cerințele sistemului. În procesul de selecție a dispozitivului, accentul se pune pe selecția senzor de nivel de lichid cu ultrasunete  și cipuri de conversie analog-digital.

 

senzor

În timpul procesului de proiectare a sistemului, următorii trei senzori ultrasonici au fost selectați și comparați.

Soluția 1: Senzor de presiune

 

 

În prezent, majoritatea senzorilor de presiune de nivel de lichid sunt transmițătoare de nivel de lichid de presiune statică de intrare, iar senzorii de nivel de lichid de presiune statică de intrare pot fi măsurați cu precizie numai cu referire la presiunea atmosferică. Cu toate acestea, ventilația în cablul de conectare va fi afectată de mediu, provocând condens pe peretele interior al traheei, condens. Picăturile de rouă de pe dispozitivele electronice și senzorii pot afecta precizia sau deviația de ieșire. În același timp, dacă condensul este prea rapid, durata de viață a transmițătorului va fi mult scurtată. Acest senzor de presiune este ușor afectat de mediu și provoacă măsurări inexacte și este incomod de instalat.

 

Opțiunea 2: Senzor de presiune piezorezistiv

Senzorul piezoresistiv folosește un proces de circuit integrat pentru a face direct un varistor difuz pe o diafragmă plată de siliciu într-o anumită orientare a cristalului; diafragma plată din silicon are proprietăți elastice bune atunci când este ușor deformată. Când placa de siliciu este presată, deformarea diafragmei face ca rezistența rezistenței de difuzie să se modifice; acest varistor este ușor afectat de mediul extern, cum ar fi temperatura, rezultând măsurarea inexactă, iar volumul este în general mare, nu este ușor de instalat și nu este ușor de transportat; în general, precizia sa este relativ scăzută. Nu poate satisface nevoile de design.

 

Soluția 3: Senzor cu ultrasunete

Senzorul cu ultrasunete este primul senzor mic cu funcție de setare a tastei și funcție de autodiagnosticare din industrie. Deși este mic, are funcțiile altor senzori mari. Este ușor de instalat și utilizat și nu este afectat de culoarea obiectului de măsurat. Are multe funcții speciale, cum ar fi: afișaj cu LED-uri de auto-diagnosticare și funcție de setare a tastei, funcție de compensare a temperaturii, care poate alege cantitatea analogică sau ieșirea de comutare etc.; Tensiunea sa de alimentare este de 10 ~ 30 V, domeniul de măsurare este de 30 mm ~ 300 mm, tensiunea de ieșire este de 0 V ~ 10 V, curentul de ieșire este de 4 mA ~ 20 mA, impedanța minimă de sarcină este de 2,5 ohmi, iar precizia poate ajunge la 0,5 mm, Forma este împărțită în tip drept și tip unghi drept. Calibrul de inducție este de 18 mm. Senzorul cu ultrasunete are condițiile pentru a îndeplini controlul nivelului lichidului de 0-25 cm cerut de proiectare și cerința ca eroarea nivelului lichidului să nu depășească ± 0,3 cm și să rezolve problema instalării incomode. Prin urmare, acest design selectează un senzor ultrasonic cu precizie ridicată și dimensiuni reduse.

 

convertor A/D

Precizia și performanța convertorului A/D utilizat afectează direct acuratețea datelor primite de microcontrolerul back-end. Aici comparăm și analizăm următoarele două convertoare AD.

 

Soluția 1: utilizați un convertor A/D ADC0809 pe 8 biți

ADC0809 este un convertor A/D de 8 biți utilizat în mod obișnuit, care este un tip de aproximare succesivă. ADC0809 este alimentat de un singur +5V. Cipul conține 8 comutatoare electronice analogice cu funcție de blocare, care pot răspunde la tensiuni analogice de la 0 la +5V. Semnalul este convertit în time-sharing și durează aproximativ 100us pentru a finaliza o conversie, astfel încât viteza este mai rapidă, dar cipul ADC0809 are o rezoluție scăzută și o precizie insuficientă, care nu poate îndeplini cerințele acestui sistem și nu este utilizat.

 

Opțiunea 2: adoptați 4 și jumătate convertor A/D dublu integral ICL7135

ICL7135 este un convertor A/D utilizat pe scară largă, un convertor A/D integral cu ieșire dinamică a codului BCD. Caracteristicile sale sunt: ​​înaltă precizie, ieșire de conversie automată a polarității, calibrare automată a zero, funcționare cu o singură sursă de alimentare și ieșire dinamică a codului BCD. Deoarece timpul de integrare dublă al metodei de integrare dublă este relativ lung, viteza de conversie A/D este lentă, de obicei (3 până la 10) ori/s. În plus, integrarea semnalului de interferență care se schimbă periodic este zero, iar performanța anti-interferență este, de asemenea, relativ bună. În cazul aceleiași acuratețe, prețul este mai mic decât convertorul A/D de tip aproximare succesivă, așa că este mai indicat să folosiți acest tip de convertor A/D în ocaziile în care cerințele de viteză nu sunt mari.

 

Având în vedere cerințele Senzor ultrasonic pentru măsurarea distanței  , acest design folosește convertorul A/D ICL7135 cu o precizie ridicată de control. Circuitul hardware și designul software. Circuitul hardware al acestui design include circuitul minim al sistemului, circuitul de control al nivelului de lichid și circuitul de alarmă, circuitul de achiziție și transmisie a semnalului, tastatura și modulul de afișare. Sistem minim (circuit de alimentare și extindere I/O și circuit stroboscopic). are o scalabilitate bună. CPU este conectat cu un oscilator cu cristal de 11,0592MHz, care este compus în principal dintr-un circuit de blocare 74LS373, un circuit de decodare 74LS138, butoane, un dispozitiv de afișare, un ICL7135 și circuitele sale tipice periferice și utilizează 8255 pentru a extinde interfața I/O. Circuitul minim al sistemului este prezentat în Figura 2.

proiectare software

Partea software folosește în principal microcomputer cu un singur cip din seria 51 ca controler, tensiunea de ieșire a senzorului este eșantionată, valoarea eșantionată este comparată cu valoarea setată, microcomputerul cu un singur cip controlează supapa solenoidală pentru a regla nivelul lichidului, gazda setează valoarea la extensie prin comunicarea 485, iar controlerul de extensie controlează nivelul lichidului de extensie. Partea software include partea de eșantionare ICL7135, partea de comunicare 485, partea de procesare digitală, partea de afișare, partea de tastatură și așa mai departe. Pentru a evita datele de măsurare inexacte cauzate de mișcarea senzorului cu ultrasunete pentru măsurarea distanței, se adaugă în special o funcție de ajustare la zero pentru a îmbunătăți și mai mult acuratețea sistemului. Diagrama principală a programului este prezentată în Figura 4.

Rezultate experimentale și analize

Echipamentul de testare necesar este un multimetru digital de înaltă precizie 1/2 cu 4 cifre, o scară și un osciloscop digital cu dublă urmărire de 100M.

Din datele de mai sus, putem vedea că acuratețea datelor de testare a fiecărei unități de detectare a sistemului este foarte mare, valoarea afișajului cu cristale lichide și valoarea măsurată sunt foarte apropiate de valoarea setată, există o relație liniară cu tensiunea de ieșire a senzorului și o anumită relație proporțională cu greutatea, aceasta este inseparabilă de alegerea hardware-ului și de potrivirea parametrilor săi de control software și de alegerea algoritmilor software.

Rezumatul designului

Acest design folosește hardware cum ar fi senzorul cu ultrasunete, ICL7135 și alte cipuri și instrumente de înaltă precizie pentru măsurarea nivelului lichidului, astfel încât precizia nivelului lichidului să fie mult mai mare decât cerința ca eroarea nivelului lichidului să nu depășească ± 0,3 cm. Acest design folosește, de asemenea, comunicația MAX485, ecranul LCD cu cristale lichide OCM4X8C și alte cipuri și componente, făcând designul mai în conformitate cu cerințele actuale ale aplicației și reducând în mod corespunzător dificultatea proiectării software-ului. În software, utilizarea metodelor de programare standardizate reduce efectiv spațiul de stocare necesar programului. În prezent, acest subiect este utilizat în principal pentru detectarea nivelului apei subterane.