一种非接触式液位开关设计及其应用.pdf

一种非接触式液位开关设计及其应用一种非接触式液位开关设计及其应用 The Design and Application of a Contactless Liquid Switch(广东工业大学广东工业大学)林小平林小平 陶福兆陶福兆 唐露新唐露新 丁磊丁磊 Lin,Xiaoping Tao,fuzhao Tang,luxin Ding,lei 摘要：本文介绍了一种非接触液位开关的设计与应用，详细说明了根据电容式传感器理论及高频信号理论设计的非接触液位开关的电路组成及设计细节，主要突出了非接触液位开关的廉价、可靠及易用性，并给出了非接触液位开关的实际应用案例及效果。关键词：非接触液位开关；电容式传感器；高频信号 中图文分类号：TP368.1 文献标识码：B Abstract：This article mainly introduced the design and application of a contactless liquid switch,It described the component and design detail of the contactless liquid switch circuit,which is based the principle of capacity theory and high frequency theory,and it emphasized the cheapness,credibility and simpleness of the contactless liquid switch.The application case and results of the contactless liquid switch were given finally.Key words:Contactless liquid switch;Capacity Sensor;High Frequency Signal 1.引言 传感器技术正从分立的、“笨重”的、昂贵且没有灵活性的仪器演变为智能化的、可自动校准的硅基单元。同时硅敏感器件以及分立的仪器所选用的测量方法也从原来的多种变换原理，如磁、光和压电等，向电容式原理演变。目前飞速发展的无线传感器网络亦是在基于传统传感器技术的基础上，融入无线传输及网络技术的产物1。电容式传感器可用于多种不同的应用场合。简单的电容式传感器用于有或无的检测，这方面的实例是监测容器中的液位，而复杂的电容式传感器可以实现很高的模拟信号精度和线性度，而与数字电路结合的多电极系统也具有很高的数字信号精度。近年来电容式传感器广泛应用于测量、开关、通信、接近觉传感器等方面。笔者设计的非接触式液位开关就是基于电容式传感器的一种设计应用。2.非接触液位开关设计1 所谓的“非接触”是指液位开关无需与液体直接接触，而是安装在储存液体的容器外壁 上，这要求储存液体的容器是绝缘材料，若储存液体的容器是导电的，应该采用接触式的测量方法。图 1 非接触液位开关的组成框图 林小平：工程师 基金项目：广东省自然科学基金资助项目（编号：05001838）如图 1 所示，非接触液位开关的组成包括接地金属电极、高频振荡电路、波形整形及高 频整流电路和电源电路。2.1 接地金属电极 接地金属电极的作用是与待测液体形成接近电容，按照电容理论，金属电极与空气之间形成的电容大概几个皮法（本设计中因为液位开关与储存液体的容器外壁紧贴，所以该电容可以忽略），而与液体之间形成的电容会根据液位与电极的相互位置有关，从几个皮法到几十皮法不等。因为本设计主要用于“有”或“无”的检测，所以无需准确测量电容值。通过调节与接地金属电极相连的可变电阻可以适应不同的容器外壁厚度。2.2 高频振荡电路 如图 2 所示，利用施密特触发器 U1B 形成振荡电路，通过调节 R2 和 C1 的参数，可以获得不同频率的锯齿波，再通过 U1C 获得规整的矩形波信号。图 2 高频振荡电路图 2.3 波形整形及高频整流电路电路 如图 3 所示，利用施密特触发器 U1A、肖特基二极管等组成，该电路是非接触液位开关设计的关键部分。如果被测液位没有达到设定位置，即没有与接地电极形成电容，那么由高频振荡电路产生的高频信号会通过 U1A 及 D2，通过整流电路的作用而将 D2 的输出置为高电平，液位开关的输出为低电平，表示液位未到设定位置。D2 选用肖特基二极管的原因是利用了肖特基二极管的高速开关特性（ns 级）。如果被测液位达到设定位置，即与接地电极形成电容，那么由高频振荡电路产生的高频信号会通过该电容，即电容的“高通特性”，从而将 D2 的输出置为低电平，液位开关的输出为高电平，表示液位到达设定位置，同时可将发光二极管点亮。图 3 波形整形及高频整流电路电路图 上述电路中的施密特触发器采用 74HC14，它是六集成施密特触发器芯片，充分满足设计的需求。2.4 电源电路 本设计提供了 530V DC 的电源电路，如图 4 所示，通过 LM2931 芯片及外围组容器件实现，以应对不同应用的需求。典型应用中的供电电压为 5V DC。图 4 电源电路图 3.非接触液位开关应用2345678 笔者将非接触液位开关应用于“新型浴缸控制器设计”项目中，取得了良好的效果。“新 型浴缸控制器设计”采用基于 Soc 的多单片机集散控制的方式实现新型按摩浴缸中包含的水泵、气泵、加热器、收音机、电话、阀门、灯光等功能控制。其中主单片机选用 ATMega8515，它具有 8KFlash，512Byte RAM，512Byte EEROM，4 个 8 位 I/O 端口，供电电压 2.75.5V,最高主频 16MHZ。其中与液位控制相关的部分包括进水控制、消毒控制水泵、气泵、加热器的启动控制。控制器的系统结构图如图 5 所示。图 5 新型按摩浴缸控制器结构图 液位控制是新型按摩浴缸的一个基本功能。将非接触液位开关安装于绝缘的亚克力外壁上，既免去了安装接触式液位检测点的工作，又可以方便地调节适当的进水位置，同时还提供了准确、可靠的液位检测以及简单的售后维护，在节约成本的同时，亦提高了工作效率。消毒的控制是采用消毒液与臭氧结合的方式进行，而非接触液位开关的作用是检测消毒液是否用完，以提示用户进行更换。应注意的是消毒液的检测电路从逻辑上刚好与水位检测相反，所以电路设计中须多加一级反相器。上述水位及消毒液液位的检测均采用直接接入单片机相应 IO 口的方式进行水泵、气泵、加热器的启动必须是以水位到达设定位置为前提的，图 6 是水泵启动的流程图，显然液位检测具有很重要的作用。键盘检测按下水泵启动按键？水位达到设定位置？给出水泵启动信号以LCD显示提示水位未到NYYN其他功能模块 图 6 水泵控制程序框图 4.结束语 本文作者的创新点在于利用高频电路理论与电容式传感器的理论设计出一种简单、可 靠、廉价且安装简易的非接触液位传感器，并可以方便地与嵌入式单片机接口以实现简单的闭环控制，同时亦可以直接驱动继电器实现大功率器件的控制。而且该非接触液位开关可以应用到从水处理、化工、食品一直到废水处理，特别适合于污液和污物以及难度很大的干燥材料等方面，工作时不受比重、电导率或黏滞系数的影响，是一种极有推广潜力的实用产品。非接触液位开关设计已获得实用新型专利授权（专利号为 ZL200520055470.4）。笔者认为作为研发的热点，可以将上述非接触液位开关的设计与射频无线技术结合，形成基于无线传感器的故障检测及数据传输网络。参考文献 1中国电子学会 敏感技术分会 北京电子学会编.2002/2003 传感器与执行器大全（年卷）.北京：电子工业出版社，2004.2丁磊.CPLD 在基于单片机的多入多出控制系统中的应用.微计算机信息，2006，22：172174，286.3 耿德根，宋建国，马潮，叶勇建.AVR 高速单片机原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2002.4 丁磊.一种基于 RC5 编码的按摩浴缸用红外遥控器设计.微计算机信息，2006，6-2：1417.5 丁磊.基于多单片机集散控制的新型浴缸控制器设计.微计算机信息，2006，7-2：97-99.6.7 Ali K.Benkhalil,Stanley S.Ipson and William Booth.A novel CPLD based implementation of a motion detection algorithm for surveillance applications.IEEE 1998 CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE.8 张克彦.AVR 单片机实用程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，2004.9 Andreas Hett&Tobias Schubert.The Mobile Hardware Lab.2nd Global Virtual Learning and Higher Education Conference,2003.10 穆健，于会山，李淑红，任海涛.基于单片机的蒸汽浴房智能化设计.微计算机信息，2005年第 21 卷第 7 期，5859.11 陈志斌，卓家靖.基于单片机和 CPLD 的嵌入式脉冲发生器设计.微计算机信息，2005年第 21 卷第 2 期，107108.12 黄任.AVR 单片机与 CPLD/FPGA 综合应用入门.北京：北京航空航天大学出版社，2004.作者简介作者简介：林小平(1962)，女，汉族，硕士，广东工业大学计算机学院工程师，主要从事嵌入式系统，软件工程研究。E-mail:linxiaoping；通信地址：广州市番禺小谷围岛大学城中五路 广东工业大学计算机学院 510006 陶福兆（1983），男，本科在校生。广东工业大学计算机学院。唐露新（1958），男，教授，硕士生导师，广东工业大学信息工程学院。丁磊（1968），男，副教授，广东工业大学计算机学院。Biography:Lin,Xiaoping(1962-),Female(Chinese),Master,Engineer of Faculty of Computer,Guangdong University of Technology,major in the research of embedded system,software engineering.