Pesquisa sobre sistema de controle de nível automático projetado pelo sensor ultra-sônico

Visão geral da função do sistema e diagrama de blocos

Este design usa microcomputador de chips MCS-51 combinado com chip digital e circuito analógico para completar a detecção e o controle automático do nível de água. O básicopartes do sensor ultra-sônicoQue o host coloca o nível de líquido de si e o escravo através do teclado, o sensor ultrassônico mede o valor de tensão correspondente ao nível de água atual e, em seguida, envia para o controlador e compara com o valor definido através do Analog-to-Digital A conversão, e o computador de chip único controla a válvula solenóide ajusta o nível de líquido do host e exibe o valor definido e o valor atual do LCD; O controlador do host transmite o valor definido para o controlador escravo através de 485 comunicação, e o controlador escravo também pode controlar o nível de líquido como o controlador do host e exibir o valor definido e o valor atual do nível de líquido do host através do LCD; e use a comunicação 485 para enviar o nível de líquido atual do escravo para o host e exibi-lo.

O sistema é composto por um módulo de processamento de dados do sistema de microcomputador de chip único, módulo de entrada de dados A / D, módulo de comunicação de 485, controle de nível de líquido e módulo de alarme, teclado e módulo de exibição. Demonstração e comparação do esquema consideram os requisitos do sistema. No processo de seleção do dispositivo, o foco está na seleção desensor de nível líquido ultra-sônicoe chips de conversão analógicos para digital.

sensor

Durante o processo de design do sistema, os três sensores ultra-sônicos a seguir foram selecionados e comparados.

Solução 1: sensor de pressão

Atualmente, a maioria dos sensores de pressão de nível de líquido são transmissores de nível de líquido de pressão estática de entrada, e os sensores de nível de líquido de pressão estática de entrada só podem ser medidos com precisão com referência à pressão atmosférica. No entanto, a ventilação no cabo de conexão será afetada pelo ambiente, causando a parede interna da condensação de traquéia, condensação. Gotas de orvalho em dispositivos eletrônicos e sensores podem afetar a precisão ou a deriva de saída. Ao mesmo tempo, se a condensação for muito rápida, a vida útil do transmissor será grandemente encurtada. Esse sensor de pressão é facilmente afetado pelo ambiente e causa a medição imprecisa e é inconveniente para instalar.

Opção 2: sensor de pressão piezoresistiva

O sensor piezoresistive usa um processo de circuito integrado para fazer um varistor difuso em um diafragma plano de silício em uma determinada orientação de cristal; O diafragma plano de silício tem boas propriedades elásticas quando é ligeiramente deformada. Quando a bolacha do silício é pressionada, a deformação do diafragma causa a resistência do resistor de difusão a alterações; Este varistor é facilmente afetado pelo ambiente externo, como temperatura, resultando em medição imprecisa, e o volume é geralmente grande, não é fácil de instalar e não é fácil de transportar; Geralmente sua precisão é relativamente baixa. Não pode atender às necessidades do design.

Solução 3: sensor ultrassônico

O sensor ultra-sônico é o primeiro sensor pequeno com a função chave de ajuste e a função de autodiagnóstico na indústria. Embora seja pequeno, tem as funções de outros grandes sensores. É fácil de instalar e usar e não é afetado pela cor do objeto de medição. Tem muitas funções especiais, tais como: Display LED de auto-diagnóstico e função de configuração de chave, função de compensação de temperatura, que pode escolher a quantidade analógica ou saída de saída, etc.; Sua tensão de alimentação é de 10 ~ 30V, faixa de medição é 30 mm ~ 300mm, a tensão de saída é 0V ~ 10V, a corrente de saída é 4mA ~ 20mA, a impedância mínima de carga é de 2,5 ohm, e a precisão pode atingir 0.5mm, a forma é dividida em tipo reto e tipo de ângulo reto. O calibre de indução é de 18 mm. O sensor ultra-sônico tem as condições para atender ao controle de nível de líquido de 0-25cm exigido pelo projeto e o requisito de que o erro de nível líquido não exceda ± 0,3cm e resolve o problema da instalação inconveniente. Portanto, este design seleciona um sensor ultrassônico com alta precisão e tamanho pequeno.

Conversor A / D

A precisão e o desempenho do conversor A / D usado afetam diretamente a precisão dos dados recebidos pelo microcontrolador de back-end. Aqui nós comparamos e analisamos os dois conversores de anúncios a seguir.

Solução 1: Use Conversor ADC0809 A / D de 8 bits

ADC0809 é um conversor A / D comumente usado de 8 bits, que é um tipo de aproximação sucessiva. ADC0809 é alimentado por um único + 5V. O chip contém 8 switches eletrônicos analógicos com uma função de trava, que podem responder a voltagens analógicas de 0 a + 5V 8. O sinal é convertido em compartilhamento de tempo, e leva cerca de 100us para completar uma conversão, portanto, a velocidade é mais rápida, mas o chip ADC0809 tem baixa resolução e precisão insuficiente, que não pode atender aos requisitos deste sistema e não é usado.

Opção 2: Adote 4 e meio conversor de integral duplo A / D ICL7135

O ICL7135 é um conversor A / D amplamente utilizado, um conversor A / D integral com saída de código BCD dinâmico. Suas características são: alta precisão, saída de conversão de polaridade automática, calibração automática de zero, operação de fonte de alimentação única e saída de código BCD dinâmico. Como o duplo momento integração do método de integração dupla é relativamente longo, a velocidade de conversão A / D é lenta, geralmente (3 a 10) vezes / s. Além disso, a integração do sinal de interferência periodicamente é zero, e o desempenho anti-interferência também é relativamente bom. No caso da mesma precisão, o preço é menor que o conversor do tipo A / D de aproximação sucessiva, por isso é mais adequado para usar este tipo de conversor A / D nas ocasiões em que o requisito de velocidade não é alto.

Considerando os requisitos doSensor ultra-sônico para medição de distância , este design usa o Conversor A / D ICL7135 com alta precisão de controle e design de software de hardware.O circuito de hardware deste design inclui o circuito mínimo do sistema, controle de nível de líquido e circuito de alarme, circuito de aquisição de sinal e módulo de transmissão Sistema minimal (circuito de fonte de alimentação e expansão de E / S e circuito strobe). A menor placa de sistema usada neste projeto é baseada no microcontrolador 80C52, e tem uma boa escalabilidade. A CPU está conectada com um oscilador de cristal de 11.0592MHz, que é principalmente composto de um circuito de trava 74LS373, um circuito de decodificação de 74LS138, botões, um dispositivo de exibição, um ICL7135 e seus circuitos típicos periféricos, e usa 8255 para expandir a E / S interface. O circuito mínimo do sistema é mostrado na Figura 2.

Design de software

A parte do software usa principalmente o microcomputador de chips de 51 séries como o controlador, a tensão de saída do sensor é amostrada, o valor amostrado é comparado com o valor definido, o microcomputador de chip único controla a válvula solenóide para ajustar o nível de líquido, o O host define o valor para a extensão através de 485 comunicação e o controlador de extensão controla o nível de líquido de extensão. A parte do software inclui peça de amostragem ICL7135, 485 parte de comunicação, peça de processamento digital, parte de exibição, parte do teclado e assim por diante. Para evitar os dados de medição imprecisos causados ​​pelo movimento do sensor ultrassônico para medição de distância, uma função de ajuste zero é especialmente adicionada para melhorar ainda mais a precisão do sistema. O fluxograma principal do programa é mostrado na Figura 4.

Resultados Experimentais e Análise

O equipamento de teste necessário é um multímetro digital de alta precisão de 4 dígitos de 4 dígitos, escala e osciloscópio digital de traço duplo de 100m.

A partir dos dados acima, podemos ver que a precisão dos dados de teste de cada unidade de detecção do sistema é muito alta, o valor de exibição de cristal líquido e o valor medido são muito próximos do valor definido, há um relacionamento linear com a saída do sensor A tensão e uma certa relação proporcional com o peso, isso é inseparável da escolha do hardware e da correspondência de seus parâmetros e a escolha dos algoritmos de controle de software.

Resumo do projeto

Este design usa hardware, como sensor ultrassônico, ICL7135 e outros chips e instrumentos de alta precisão para medição de nível de líquido, para que a precisão do nível de líquido seja muito maior do que a exigência de que o erro de nível líquido não exceda ± 0,3cm. Este design também usa comunicação max485, LCD de cristal líquido OCM4x8c e outros chips e componentes, tornando o design mais em linha com os requisitos reais da aplicação, e reduzindo correspondentemente a dificuldade de design de software. No software, o uso de métodos de programação padronizados reduz efetivamente o espaço de armazenamento requerido pelo programa. Atualmente, este assunto é usado principalmente para detecção de nível de água subterrânea.