應(yīng)用超聲波傳感器設(shè)計(jì)水位自動(dòng)控制系統(tǒng)研究
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系統(tǒng)功能概述及框圖
本設(shè)計(jì)利用MCS-51單片機(jī)結(jié)合數(shù)字芯片、模擬電路，完成對水位的檢測和自動(dòng)控制。
基本工作流程為：主機(jī)通過鍵盤設(shè)定自己和從機(jī)的液位，超聲波傳感器測出當(dāng)前水位對應(yīng)的電壓值，再經(jīng)過ICL7135 模數(shù)轉(zhuǎn)化送入控制器與設(shè)定值比較，單片機(jī)通過控制電磁閥調(diào)節(jié)主機(jī)液位，并把設(shè)定值與當(dāng)前值顯示在LCD上；主機(jī)控制器通過485 通訊對從機(jī)控制器傳輸設(shè)定值，從機(jī)控制器也可以如主機(jī)控制器一樣對液位進(jìn)行控制，并通過LCD 顯示主機(jī)給定值與當(dāng)前液位值；并利用485 通訊把從機(jī)當(dāng)前液位傳送給主機(jī)顯示出來。
系統(tǒng)由單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊、A/D 數(shù)據(jù)輸入模塊、485 通訊模塊、液位控制及報(bào)警模塊及鍵盤和顯示模塊等幾部分組成。系統(tǒng)總框圖如圖1 所示。
方案論證與比較
考慮系統(tǒng)的要求，在對器件的選擇過程中，側(cè)重于對傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇。
傳感器
系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要對以下三種傳感器進(jìn)行了選擇比較。
方案一：壓力傳感器
圖1：系統(tǒng)框圖
目前的液位壓力傳感器大部分是投入式靜壓液位變送器，而投入式靜壓液位傳感器只有參考大氣壓才能進(jìn)行準(zhǔn)確測量，然而連接電纜中的通氣會(huì)受到環(huán)境的影響，造成氣管內(nèi)壁冷凝，結(jié)露。露水滴到電子器件和傳感器上，會(huì)影響精度或者輸出漂移。同時(shí)，結(jié)露過快，變送器的使用壽命也會(huì)大大縮短。此壓力傳感器容易受到環(huán)境的影響而造成測量不準(zhǔn)確，并且安裝不方便。方案二：壓阻式壓力傳感器
壓阻式傳感器是用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制作擴(kuò)散壓敏電阻；硅平膜片在微小變形時(shí)有良好的彈性特性，當(dāng)硅片受壓后，膜片的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化；此變阻器容易受外部環(huán)境的影響，如溫度，從而造成測量不準(zhǔn)確，而且體積一般比較大，不易安裝、不易攜帶；一般其精確度也比較低。不能滿足設(shè)計(jì)的需要，所以不選擇。
方案三：超聲波傳感器
超聲波傳感器是工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)第一款在產(chǎn)品上帶有按鍵設(shè)定功能和自診斷功能的小型傳感器。它雖然體積小，但是具有其它大型傳感器所具有的功能，安裝使用方便而且不受被測物體的顏色影響，有許多特設(shè)功能，如：具有自診斷LED顯示和按鍵設(shè)定功能、溫度補(bǔ)償功能、可選擇模擬量或開關(guān)量輸出等；其供電電壓為10～30V，測量范圍為30mm～300mm，輸出電壓0V～10V，輸出電流為4mA～20mA，最小負(fù)載阻抗2.5 歐，精度可達(dá)到0.5mm，外形分為直線型和直角型。感應(yīng)口徑為18mm。
超聲波傳感器所具有的條件滿足設(shè)計(jì)所需要0～25cm 的液位控制，以及液位誤差不超過±0.3cm 的要求，并且解決了安裝不方便的難題。所以本設(shè)計(jì)選擇了精度高，體型小的超聲波傳感器。
A/D 轉(zhuǎn)換器
所采用的A/D 轉(zhuǎn)換器的精度和性能直接影響后端單片機(jī)接收數(shù)據(jù)的精度，在此我們對以下兩種AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較分析。
方案一：采用8 位ADC0809 A/D 轉(zhuǎn)換器
ADC0809 是常用的8 位A/D 轉(zhuǎn)換器，屬逐次逼近型，ADC0809 由單一+5V 供電，片內(nèi)含帶有鎖存功能的8 路模擬電子開關(guān)，可對0～+5V 8 路的模擬電壓信號分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100us，所以速度較快，但是ADC0809 芯片分辨率低，精度不夠，不能滿足本系統(tǒng)要求，不予采用。
方案二：采用4 位半雙積分A/D 轉(zhuǎn)換器ICL7135
ICL7135 是應(yīng)用廣泛的A/D 轉(zhuǎn)換器，動(dòng)態(tài)BCD 碼輸出的積分型A/D 轉(zhuǎn)換器。其特點(diǎn)是：精度高、極性自動(dòng)轉(zhuǎn)換輸出、自動(dòng)校零、單一電源工作、動(dòng)態(tài)BCD 碼輸出。由于雙積分方法的二次積分時(shí)間比較長，所以A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，通常為（3～10）次/s，此外，對周期變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。在同等精度的情況下，價(jià)格低于逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，因而在對速度要求不高的場合，更宜于采用這類A/D 轉(zhuǎn)換器。
考慮系統(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)采用控制精度較高的ICL7135 A/D 轉(zhuǎn)換器。
硬件電路及軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的硬件電路包括最小系統(tǒng)電路、液位控制及報(bào)警電路、 信號采集傳輸電路、鍵盤和顯示模塊等。
最小系統(tǒng)（電源供電電路與I/O 擴(kuò)展及選通電路）
本設(shè)計(jì)使用的最小系統(tǒng)板是以80C52 單片機(jī)為內(nèi)核，并且具有良好的擴(kuò)展性。CPU 外接11.0592MHz 的晶振，主要由74LS373 鎖存電路、74LS138 譯碼電路以及按鍵、顯示器件、ICL7135 及其外圍典型電路組成，并用8255 外擴(kuò)了I/O 接口。最小系統(tǒng)電路如圖2 所示。
圖2：最小系統(tǒng)電路圖
本電路需外接一個(gè)AC220/9V 的變壓器，變壓器的二次側(cè)通過整流濾波后輸入CW7805便可得到+5V 電壓，此電壓做最小系統(tǒng)的電源。系統(tǒng)中通過8255外擴(kuò)了PA、PB、PC共24個(gè)I/O口，以便作為系統(tǒng)的輸入輸出通道。用74LS138的輸出作為各個(gè)芯片的譯碼選擇端，除最小系統(tǒng)中使用的Y0～Y3外，還有Y4～Y7可供其它擴(kuò)展使用。
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