Дослідження системи автоматичного контролю рівня, розробленої за допомогою ультразвукового датчика

Огляд функцій системи та блок-схема

 

Ця конструкція використовує однокристальний мікрокомп’ютер MCS-51 у поєднанні з цифровим чіпом і аналоговою схемою для завершення виявлення й автоматичного контролю рівня води. Основний деталі ультразвукового датчика , які хост встановлює рівень рідини для себе та підпорядкованого через клавіатуру, ультразвуковий датчик вимірює значення напруги, що відповідає поточному рівню води, а потім надсилає його до контролера та порівнює із встановленим значенням за допомогою аналого-цифрового перетворення, а однокристальний комп’ютер керує електромагнітним клапаном, регулюючи рівень рідини в хості та відображає встановлене значення та поточне значення на РК-дисплеї; головний контролер передає встановлене значення на підлеглий контролер через зв’язок 485, і підлеглий контролер також може контролювати рівень рідини, як і головний контролер, і відображати встановлене значення та поточне значення рівня рідини в хості через РК-дисплей; і використовуйте зв’язок 485, щоб надіслати поточний рівень рідини підлеглого пристрою на хост і відобразити його.

 

Система складається з модуля обробки даних однокристальної мікрокомп’ютерної системи, модуля введення даних A/D, модуля зв’язку 485, модуля контролю рівня рідини та сигналізації, модуля клавіатури та дисплея. Демонстрація схеми та порівняння враховують вимоги системи. У процесі вибору пристрою основна увага приділяється підбору ультразвуковий датчик рівня рідини  та мікросхеми аналого-цифрового перетворення.

 

датчик

У процесі проектування системи були обрані та порівняні наступні три ультразвукові датчики.

Рішення 1: датчик тиску

 

 

В даний час більшість датчиків тиску рівня рідини є датчиками рівня рідини вхідного статичного тиску, і датчики рівня рідини вхідного статичного тиску можуть бути точно виміряні лише з посиланням на атмосферний тиск. Однак вентиляція в з'єднувальному кабелі буде залежати від навколишнього середовища, викликаючи конденсацію внутрішньої стінки трахеї, конденсацію. Краплі роси на електронних пристроях і датчиках можуть вплинути на точність або вихідний дрейф. У той же час, якщо конденсація буде надто швидкою, термін служби передавача буде значно скорочений. Цей датчик тиску легко піддається впливу навколишнього середовища та спричиняє неточні вимірювання, а також його незручно встановлювати.

 

Варіант 2: п'єзорезистивний датчик тиску

П’єзорезистивний датчик використовує процес інтегральної схеми, щоб безпосередньо створити дифузний варистор на кремнієвій плоскій діафрагмі в певній орієнтації кристала; силіконова плоска діафрагма має хороші пружні властивості, коли вона незначно деформована. Коли кремнієва пластина натискається, деформація діафрагми викликає зміну опору дифузійного резистора; на цей варистор легко впливає зовнішнє середовище, наприклад температура, що призводить до неточного вимірювання, а обсяг, як правило, великий, його нелегко встановити та переносити; загалом його точність відносно низька. Це не може задовольнити потреби дизайну.

 

Рішення 3: ультразвуковий датчик

Ультразвуковий датчик є першим невеликим датчиком з функцією налаштування клавіш і функцією самодіагностики в галузі. Хоча він невеликий, він виконує функції інших великих датчиків. Він простий у встановленні та використанні, і на нього не впливає колір об’єкта вимірювання. Він має багато спеціальних функцій, таких як: світлодіодний дисплей самодіагностики та функція налаштування клавіш, функція температурної компенсації, яка може вибрати аналогову величину або перемикати вихід тощо; напруга джерела живлення 10 ~ 30 В, діапазон вимірювання 30 мм ~ 300 мм, вихідна напруга 0 В ~ 10 В, вихідний струм 4 мА ~ 20 мА, мінімальний опір навантаження 2,5 Ом, а точність може досягати 0,5 мм. Форма поділяється на прямий тип і прямокутний тип. Індукційний калібр 18 мм. Ультразвуковий датчик має умови для контролю рівня рідини 0-25 см, необхідні для конструкції, і вимогу, щоб похибка рівня рідини не перевищувала ±0,3 см, і вирішує проблему незручного встановлення. Таким чином, ця конструкція вибирає ультразвуковий датчик з високою точністю і малими розмірами.

 

A/D перетворювач

Точність і продуктивність аналого-цифрового перетворювача безпосередньо впливають на точність даних, отриманих внутрішнім мікроконтролером. Тут ми порівнюємо та аналізуємо наступні два конвертери AD.

 

Рішення 1. Використовуйте 8-розрядний аналого-цифровий перетворювач ADC0809

ADC0809 — це широко використовуваний 8-розрядний аналого-цифровий перетворювач, який є типом послідовного наближення. ADC0809 живиться від одного +5В. Мікросхема містить 8 аналогових електронних перемикачів із функцією засувки, які можуть реагувати на 8 аналогових напруг від 0 до +5 В. Сигнал перетворюється в режимі розподілу часу, і для завершення перетворення потрібно близько 100 мкс, тому швидкість вища, але чіп ADC0809 має низьку роздільну здатність і недостатню точність, що не відповідає вимогам цієї системи і не використовується.

 

Варіант 2: Прийміть 4 з половиною подвійний інтегральний АЦП ICL7135

ICL7135 — це широко використовуваний аналого-цифровий перетворювач, вбудований аналого-цифровий перетворювач із динамічним виведенням коду BCD. Його характеристики: висока точність, вихід автоматичного перетворення полярності, автоматичне калібрування нуля, робота з одним джерелом живлення та вихід динамічного коду BCD. Оскільки час подвійної інтеграції методу подвійної інтеграції є відносно довгим, швидкість аналого-цифрового перетворення низька, зазвичай (від 3 до 10) разів/с. Крім того, інтеграція періодично змінюваного сигналу перешкод дорівнює нулю, а ефективність захисту від перешкод також відносно хороша. У разі однакової точності ціна нижча, ніж аналого-цифровий перетворювач типу послідовного наближення, тому краще використовувати цей тип аналого-цифрового перетворювача у випадках, коли вимоги до швидкості невисокі.

 

Враховуючи вимоги ст Ультразвуковий датчик для вимірювання відстані  , ця конструкція використовує аналого-цифровий перетворювач ICL7135 з високою точністю керування. Апаратна схема та схема програмного забезпечення. Апаратна схема цієї конструкції включає мінімальну системну схему, контроль рівня рідини та схему сигналізації, схему збору та передачі сигналу, клавіатуру та модуль дисплея. Мінімальна система (ланцюг живлення та схема розширення вводу/виводу та стробоскоп). Найменша системна плата, що використовується в цій конструкції, базується на 80C52 мікроконтролер, і він має гарну масштабованість. Центральний процесор підключений до кварцевого генератора 11,0592 МГц, який в основному складається зі схеми засувки 74LS373, схеми декодування 74LS138, кнопок, пристрою відображення, ICL7135 і типових периферійних схем, а також використовує 8255 для розширення інтерфейсу введення/виведення. Мінімальна схема системи показана на малюнку 2.

проектування програмного забезпечення

Програмна частина в основному використовує однокристальний мікрокомп’ютер серії 51 як контролер, вихідна напруга датчика відбирається, значення вибірки порівнюється з установленим значенням, однокристальний мікрокомп’ютер керує електромагнітним клапаном для регулювання рівня рідини, хост встановлює значення для розширення через зв’язок 485, а контролер розширення контролює рівень рідини розширення. Частина програмного забезпечення включає частину вибірки ICL7135, частину зв'язку 485, частину цифрової обробки, частину дисплея, частину клавіатури тощо. Щоб уникнути неточних даних вимірювання, викликаних рухом ультразвукового датчика для вимірювання відстані, спеціально додано функцію налаштування нуля для подальшого підвищення точності системи. Основна блок-схема програми показана на малюнку 4.

Експериментальні результати та аналіз

Необхідне випробувальне обладнання — це 4-розрядний високоточний цифровий мультиметр 1/2, шкала та цифровий осцилограф із подвійною трасою 100 МБ.

З наведених вище даних ми бачимо, що точність тестових даних кожного блоку виявлення системи є дуже високою, значення рідкокристалічного дисплея та виміряне значення дуже близькі до встановленого значення, існує лінійна залежність від вихідної напруги датчика та певна пропорційна залежність від ваги. Це невід’ємно від вибору апаратного забезпечення та відповідності його параметрів та вибору алгоритмів керування програмним забезпеченням.

Резюме дизайну

Ця конструкція використовує такі апаратні засоби, як ультразвуковий датчик, ICL7135 та інші високоточні мікросхеми та інструменти для вимірювання рівня рідини, тому точність рівня рідини є набагато вищою, ніж вимога, щоб похибка рівня рідини не перевищувала ±0,3 см. Ця конструкція також використовує зв’язок MAX485, рідкокристалічний РК-дисплей OCM4X8C та інші мікросхеми та компоненти, що робить дизайн більш відповідним фактичним вимогам програми та, відповідно, зменшує складність розробки програмного забезпечення. У програмному забезпеченні використання стандартизованих методів програмування ефективно зменшує простір для зберігання, необхідний програмі. В даний час цей предмет в основному використовується для визначення рівня грунтових вод.