電容式液位傳感器課程設(shè)計(jì)-1

1、電容式智能液位儀 目錄目錄摘要··········································21.導(dǎo)言····

2、3;····································32.傳感器············

3、3;··························42.1理想的電容式傳感器·····················

4、83;···················42.2電路模型·····························&

5、#183;·····················52.3傳感器特性··························

6、3;······················62.4傳感器結(jié)構(gòu)··························&

7、#183;······················73. 硬件電路設(shè)計(jì)·························

8、83;·······113.1硬件電路劃分········································

9、3;······113.2單片機(jī)的選用··········································

10、;·····113.3直流充放電式電容測量電路設(shè)計(jì)·······························133.4信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)········

11、83;··································143.5單片機(jī)電路及模數(shù)轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)············&#

12、183;··················153.6通信電路設(shè)計(jì)·····························

13、83;·················164.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)·······························

14、;··184.1編程環(huán)境與編程語言·········································18 4.2軟件總體設(shè)計(jì)··

15、83;············································185. 電容測量電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析··&#

16、183;··············195.1實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果·································&#

17、183;···········195.2實(shí)驗(yàn)分析·····································

18、;··············21參考文獻(xiàn)···································

19、;···22摘要設(shè)計(jì)一種多功能智能化液位檢測裝置，采用ATmega8作為硬件電路核心，以圓柱形電容探頭為液位檢測傳感器，利用電容頻率轉(zhuǎn)換原理將電容變化為頻率變化，利用單片機(jī)檢測頻率，軟件計(jì)算液位高度。本裝置具有機(jī)械去液面波動(dòng)，用軟件進(jìn)行溫度修正、線性校正、用戶自校正，通信和多液體選擇等功能。本文主要?jiǎng)?chuàng)新之處是提出一種適合于波動(dòng)液面液位檢測的智能液位儀，具有溫度補(bǔ)償、用戶自校正和通信等功能。本文設(shè)計(jì)了高度為100cm的柱形電容液位檢測傳感器，電容器具有結(jié)構(gòu)簡單，電路實(shí)現(xiàn)容易，利用555振蕩電路實(shí)現(xiàn)了電容到頻率的轉(zhuǎn)換，利用程序?qū)崿F(xiàn)頻率到高度轉(zhuǎn)換，理論正確可靠，推算過程

20、合理，利用軟件分段修正減小了線性誤差。在電容的兩端裝有液位緩沖器，采用機(jī)械的方式減小液面波動(dòng)。由實(shí)驗(yàn)測試可知，本液位檢測裝置性能穩(wěn)定，檢測可靠，測量精度達(dá)到1cm, 分辨率可0.1cm，達(dá)到車載式噴霧機(jī)液位檢測的要求。利用此方案可根據(jù)需要設(shè)計(jì)各種量程的液位檢測裝置，適用性較廣。 ·2·1.導(dǎo)言 河流、水庫或容器的液位可以通過測量浸在液體內(nèi)兩電極間的電容而進(jìn)行監(jiān)控。使用電容式傳感器進(jìn)行液位測量，具有以下優(yōu)點(diǎn)：低成本（即對(duì)于傳感器有比較成熟的技術(shù)）、低功耗、高線性度、對(duì)應(yīng)用場合的幾何形狀有較高的適應(yīng)性。 電容式液位傳感器的工作原理取決于液體類型。對(duì)于導(dǎo)電液體，為了避免短路，兩個(gè)

21、傳感器電極中至少有一個(gè)是絕緣的。在氣-液分界面以下，液體表現(xiàn)為導(dǎo)體，因此，電容的電解質(zhì)僅僅是絕緣電極。在氣-液分界面以上，電解質(zhì)就是絕緣電極與電極之間的空氣，因而產(chǎn)生更小的電容。另一方面，對(duì)于非導(dǎo)電液體，電極不需要絕緣。在氣-液分界面以下，電解質(zhì)是液體（其介電常數(shù)高于空氣）。而分界面以上，則是空氣。對(duì)于兩種類型的液體，隨著液位的升高，在氣液分界面以下的電極的面積也就增加，進(jìn)而導(dǎo)致電容增大。 電容式傳感器可分為兩類：浮力電容式傳感器（即該傳感器的電極都不接地），還有接地電容式傳感器（即傳感器兩個(gè)電極中的一個(gè)是接地的）。前者使用范圍更大，應(yīng)用更廣泛，因?yàn)槟艿挚闺s散電容干擾的接口電路可以對(duì)它們的數(shù)據(jù)

22、進(jìn)行讀取。然而，由于浮力電容式傳感器的安全原因或者操作條件的限制，接地電容式傳感器在一些領(lǐng)域中還是有一些應(yīng)用的。例如：接地金屬容器中導(dǎo)電液體的液位的測量。文獻(xiàn)【6】公布了一個(gè)0.6mm的非線性誤差線（0.1%）和一項(xiàng)對(duì)于60cm的測量范圍允許有0.1mm的非線性誤差的決議。另一方面， ·3·文獻(xiàn)【7】公布了一個(gè)1%的非線性誤差線和一項(xiàng)對(duì)于70cm的測量范圍允許有1mm的非線性誤差的決議。 在許多工業(yè)應(yīng)用中，傳感器是遠(yuǎn)離電子器件的。例如：在油庫底部的水位測量。在這些情況下，為了減少外部噪聲的影響干擾，傳感器用屏蔽電纜連接到接口電路。對(duì)于接地電容傳感器，普通的被動(dòng)屏蔽（防護(hù)罩連

23、接地面）是不合適的，因?yàn)殡娎|的附加電容與電容器的電容同時(shí)存在，而且電纜的附加電容能夠遠(yuǎn)大于由于環(huán)境條件引起的傳感器的電容。為了減少這種附加電容的影響，接地電容式傳感器一般采用有源屏蔽技術(shù)連接到接口電路。 本文介紹了以遠(yuǎn)程電容式傳感器為基礎(chǔ)的液位測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。它提供了在有源電路中對(duì)因附加元件產(chǎn)生的影響的詳細(xì)分析該系統(tǒng)已經(jīng)通過在接地金屬容器中測量液體導(dǎo)電水平的測試。2. 傳感器2.1 理想的電容式傳感器 當(dāng)測量導(dǎo)電液體的液位時(shí)，傳感器的總電容實(shí)際上等于氣液分界面以下兩電極間的電容。這類電容顯示了一個(gè)同軸電極配置。換言之一個(gè)電極是導(dǎo)線，另一個(gè)電極是絕緣導(dǎo)線周圍的導(dǎo)電液體。因此，該電容的理論值

24、可用下式進(jìn)行計(jì)算：在這里為真空介電常數(shù)，為絕緣線的相對(duì)介電常數(shù)，d1和d2分 ·4·別是絕緣線的內(nèi)徑和外徑，h是液位高。兩個(gè)因素中，第一個(gè)是考慮到金屬線做成U型，做一個(gè)近似，電容加倍。2.2 電路模型圖2a是為電容式傳感器設(shè)計(jì)的電路模型。電容Cx是理想電容，Rw和Cw分別是液體的電阻和電容。Ls是電感系數(shù)。 Rw 當(dāng)液體能夠?qū)щ?，并且激發(fā)信號(hào)的頻率不太高（幾十到幾百千赫），Rw的影響將優(yōu)于Cw，并且Ls的影響可以忽略。將電路模型簡化為圖2b，這更接近理想值（即只受Rw的影響）。因?yàn)檫@個(gè)原因，用作接口電路的振蕩器工作在這樣的頻率范圍。另一方面，在高頻下，Cw的影響優(yōu)于Rw，因

25、此電路模型簡化為2c。這種高頻電路模型適用于對(duì)主動(dòng)屏蔽電路進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 ·5·2.3 傳感器特性 設(shè)計(jì)傳感器原型的阻抗使用阻抗分析儀在20kHz到15MHz內(nèi)進(jìn)行測量。然后，測量結(jié)果用于提取2a中電路模型的參數(shù)。圖3顯示不同的自來水水位的特性結(jié)果。電容Cw隨著水位高低線性增減，正如公式一。靈敏度是0.47pf/mm這與前節(jié)中所陳述的值及其相似。盡管電容Cw能夠線性增減，但電阻Rw的增減與液位的變化成反比，這正是我們所期望的。最后，電感Ls隨液位的變化線性增減，這是因?yàn)楫?dāng)前回路面積隨著液位的升高而減小。 ·6· 2.4 傳感器結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)如圖： 整個(gè)

26、傳感器可以分為上下兩部分：上部為數(shù)據(jù)采集和處理模塊，下部為十段電容傳感器和電容傳感器外電極。 上部包括電源模塊、ATmega16單片機(jī)、人機(jī)交互模塊和通訊模塊。全部安裝在傳感器頂部的防水盒中。防水盒采用航空街頭外接天線。接入20V電源的輸入以及RS-485串行通訊電纜。防水盒上方安裝有狀態(tài)指示燈、按鍵和LCD顯示屏，實(shí)現(xiàn)傳感器工作指示和人機(jī)交互。 下部包括十段獨(dú)立的電容傳感器和電容傳感器外電極。電容傳感器外電極公用，套在整個(gè)電容傳感器外部。中間是聚四氟乙烯絕緣管將 ·7·所測介質(zhì)和電容傳感器隔離。十段獨(dú)立的電容傳感器每一段的結(jié)構(gòu)如下圖：聚四氟乙烯絕緣管內(nèi)是電容傳感器內(nèi)電極，

27、高為10cm，中間是電容測量電路板，包括ATmega8單片機(jī)、電容測量電路和通訊電路，其中電容測量電路分別和電容傳感器內(nèi)、外電極相連。 電容傳感器截面圖如圖所示： 這種獨(dú)立的電容測量模塊的設(shè)計(jì)雖然增加了整體復(fù)雜度和開發(fā)成本，但是這樣的設(shè)計(jì)可以極大的縮小連接電容測量模塊和電容極板的導(dǎo)線距離，從而極大的減小了導(dǎo)線電容對(duì)于測量的影響，提高了液位測量的精度。 系統(tǒng)功能模塊劃分 系統(tǒng)按功能可以劃分為以下模塊： ·8· 四個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)用戶輸入 LCD顯示實(shí)現(xiàn)油氣油水界面位置顯示、油層厚度顯示、不同功能狀態(tài)下內(nèi)容顯示。這些都保證了用戶能夠簡單快捷的設(shè)定、使用和維護(hù)傳感器，提高用戶的操作體驗(yàn)

28、。 （5）通信模塊：包括兩部分，傳感器內(nèi)部串行通信和外部RS-485總線通信。 ·9·系統(tǒng)工作框圖： ·10· 3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 硬件電路設(shè)計(jì)3.2單片機(jī)的選用了RISC的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機(jī)都具備了1MIPS/MHZ的高速處理能力。 ·11·AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)得折中策略，采用局部寄AVR單片機(jī)具有多種省電休眠模式，且可5V-2.7V寬電壓運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)。 ·12·3.3直流充放電式電容測量電路設(shè)計(jì) ·13· 3.4信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) ·14·3.5 單片機(jī)電路及模數(shù)轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì) 每一段電容傳感器中都含有一個(gè)ATmega8單片機(jī)，因此ATmega8單片機(jī)共有十個(gè)，每一個(gè)電路如圖： ·15·用于狀態(tài)指示LED控制。3.6通信電路設(shè)計(jì) ·16·方便與TTL電路連接。 （2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps，最大傳輸距離可達(dá)1200米。 （3）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，