传感器设计方案.doc

利用传感器实现液位控制系统的设计方案

目录

内容摘要................................................................................................................I
一、前言....................................................................................................1
（一）概述......................................................................................................1
（二）发展趋势..............................................................................................1
二、液位控制系统分析..................................................................................2
（一）液位控制系统的工作原理..................................................................2
（二）液位控制的实现方式..........................................................................2
1、简单的机械式控制方式..........................................................................2
2、复杂控制系统控制方式...........................................................................3
三、液位控制系统的设计..............................................................................3
（一） 硬件设计 ...........................................................................................3
（二）软件设计..............................................................................................7
1、液位控制系统模型框图..........................................................................7
四、 设计方案优缺点对比..........................................................................7
五、 总结..........................................................................7

内容摘要
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。
随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展，工业生产中传统的检测和控制技术发生了根本性的变化。液位作为化工等许多工业生产中的一个重要参数，其测量和控制效果直接影响到产品的质量，因此液位控制成为过程控制领域中的一个重要的研究方向。液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。该系统利用了常见的芯片，设计并实现了液位控制系统的智能性及显示功能。电路组成简单，调试方便，性价比高，抗干扰性好等优点，能较好的实现水位监测与控制的功能。能够广泛的应用于工业场所。在本设计中较好的实现了水位监测与控制的功能。液位控制系统是以液位为被控参数的系统，液位控制一般是指对某控制对象的液位进行控制调节，以达到所要求的液位进行调节，以达到所要求的控制精度。
本文将利用两种传感器实现液位控制系统,并研究其可行性及优缺点.
关键词：
传感器；传感器技术；液位控制系统;单片机；PID；矩阵键盘；直流电机；LCD；上位机
一、前言
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器) 之一。
（一）概述
压力传感器是用于测量液体与气体的压强的传感器。压力传感器工作时将压力转换为电信号输出。
超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。
二、液位控制系统分析
随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制系统广泛应用于电子产品中，为了使我们对单片机控制的智能型控制系统有较深的了解。
利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
（一）液位控制系统的工作原理
压力传感器液位控制系统是以单片机芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。 
工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制系统特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。

超声波传感器液位控制系统，是通过超声波传感器采集水位信息，然后送单片机处理。若当前水位低于设定置，通过电机驱动水泵继续注水，电机采用算法控制。水位信息显示于液晶屏，设定值可通过键盘设置。
此方案选择单片机作为控制核心，通过键盘输入设定水位值。超声波测距显示出水位数值，所测得的水位数值在LCD液晶屏上显示。如果水位低于设定值，则控制中心驱动电机向水箱注水到设定值，如果水位低于2厘米，报警器报警。
图2 总体系统框图

（二）液位控制的实现方式
对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制系统控制方式。两种方式的实现如下：
1、简单的机械式控制方式
其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
2、复杂控制系统控制方式
这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、AD变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由DA变换给调压变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。
PID控制是在连续生产过程控制中，将偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)通过线形组合构成控制量，对控制对象进行控制。
对PID的常规应用中，三个参数一般是根据现场设备的使用情况或者设备的自身特征来进行确定，也有通过以往控制的经验来进行调试，这样可以通过调试来改变三个参数，以便改变控制器的性能，来获得更好的控制效果。如果一个系统能够用比较精确的数学模型来进行描述，这样的系统就比较适合用PID算法来进行控制，并且能够取得比较好的控制效果。
PID控制原理
在模拟控制系统中，PID控制比较常见。下面便是一种原理框图，简单地说明了PID控制的主要原理。从图中，可以看出，由控制器和被控制的对象组成了整个系统。

图3 PID原理图

最终形成的方案是
压力传感器液位系统选择利用单片机为控制核心，不使用PID控制，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
超声波传感器液位系统由单片机及超声波模块、直流电机、电机驱动模块、液晶显示屏、矩阵键盘等构成的液位控制系统。其中超声波模块负责对水位的高度进行测量，并将测量的水位信息传送到单片机进行处理，由单片机将之与设定值进行比较得到偏差，使用PID算法控制电机抽水。如当前水位低于设定水位，则单片机控制直流电机抽水进入水箱。水位信息实时显示在LCD12864液晶屏上，直至水位达到设定值为止。设定值可以由矩阵键盘输入。系统中设置了报警系统，如果水位低于2cm，报警系统启动，提醒设定水位，通过矩阵键盘输入水位信息，确定后，系统将自动注水入水箱，到达设定值则自动停止。以达到能自动控制水位的要求。测量到的水位亦能送到上位机显示以及上位机能输入设定水位。
三、液位控制系统的设计
随着计算机技术的发展,计算机控制技术在过程控制中占有十分重要的地位。众所周知,控制系统已被广泛使用,在其研究与发展上也已趋于完善,在工业生产过程中控制的应用也起到了使工程流程正常运转。
（一） 硬件设计
　　液位控制系统的硬件主要包括由单片机、传感器、直流电机、键盘电路、数码显示电路、AD转换器、电机驱动电路和输出控制电路等。

（二）软件设计
压力传感器液位控制系统的设计图7 程序设计框图
液位控制系统模型的软件设计框图如图所示。

　 　 图4 压力传感器液位控制程序框图
超声波传感器液位控制系统程序设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由系统主程序和中断程序构成。主程序完成单片机的初始化，超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、液晶显示和蜂鸣器报警等。系统程序设计的主要的功能是发射超声波、接受超声波、计算测量距离、数据计算、蜂鸣器报警和液晶显示。

图5 超声波液位控制程序流程图

超声波测距流程图如下：

图6 超声波测距流程
四、 设计方案优缺点对比
压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点。但是投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。此外压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。
超声波传感器。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。
根据对以上两种传感器性能的比较，考虑到灵敏度和经济实用性，可以看出超声波传感器方案是比较理想的。
五、 总结
　　本次课程设计是我所做的最综合的一个题目，基于单片机实现液位控制系统模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。在做设计时，第一步是按照设计要求来确定该题目可能需要的元器件，再慢慢根据个电子元件的功能及题目的要求一一进行筛选，最终确定用那些元件。第二步是设计方案并确定。最开始我选择了几个方案，但经过方案的比较及论证后去掉不合理的，最终其中方案来设计。
通过这次课程设计我深刻的感到了理论和实践之间的巨大差距极其之间的联系。平时理论知识学的很好，但是在课程设计中并不能得心应手，会遇到很多不会的操作，这就需要加强实践能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能相互促进、相互提高。另外，理论与实践也存着必然的联系。