高精水位水温显示控制器设计

20l 1年 1月 第 1期(总第 146期) 广 西轻工业 GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY 计算机与信息技术 高精水位水温显示控制器设计 蓝良生 甘祥清 (河池学院物理与电子工程系，广西 宜州 546300) 【摘 要】 设计一种基于单片机对水位水温进行高精度测量并做出相应控制的 电路 模拟电路李宁答案12数字电路仿真实验电路与电子学第1章单片机复位电路图组合逻辑电路课后答案 。利用电容法测量水位。由555电路 组成基本的振荡器，将 自制的平板电容 C作为RC振荡电路的主要部分，同时采用一个基准电容置于水下，以提高水位的测量精 度。平板电容采用电容保护环技术，水温的检测主要由DS1624温度传感器来实现 ，通过 I2C总线实现与 AT89S52的通信。 AT89S52将水位水温的数据经处理，由LCD1602液晶N,-Tz,结果，并驱动相关控制电路，实现水位水温的控制。 【关键词】 电容法；水位测量；温度传感器；单片机；液晶显示器；555振荡电路 【中图分类号】TP273【文献标识码】 A 【文章编号】 1003—2673(2011)01～52—03 1前言 水位水温检测是现代检测技术的一个重要组成部分，当前 水位测量主要是依靠水位传感器来实现，各种水位传感器有着 自身的工作原理及受llr作环境的影响。水温测量主要是依靠温 度传感器来实现，但是对于系统的进行高精度水位水温的检 测，还是有很多的技术难题，对于水位的测量，要考虑不同水质 及温度的影响，这就要求对水质进行深入的分析，进行相关的 数据补偿，因此，对高精度水位水温的检测及实时控制的研究 很有现实意义。 2设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的确定 2。1水位传感器的选择方案 水位的测量是通过水位传感器检测并进行测量，有浮子式 水位传感器、压力式水位传感器、超声波水位传感器、电容式水 位传感器等。 这些传感器的工作原理简单，但各有缺点，精确度不是很 高。本设计就是要克服以上传感器的缺点 ，用一个有基准可比 较的电容式水位传感器来检测水位，可以在系统里进得修正， 提高测量精度。电容法测水位主要依据是水位的高低变化时， 引起极板间相对介电常数的变化，从而使电容量改变。电容量 与水位的关系近似正比的关系。将电容量转换为频率，再确定 水位。 2．2水温测量方案的传感器选择 温度传感器简单的可以分为两类，模拟式温度传感器和数 字式温度传感器。模拟式传感器的测温误差相对较大。数字式 温度传感器可以将检测到的温度直接转换为数字量，有利于单 片机的读取和处理，从系统的可靠性和稳定性考虑 ，本设计就 采用数字式的温度传感器进行测温。 3系统硬件电路的设计 3．1系统硬件电路构架及测量控制原理 本系统利用电容法测量水位，将容量转换为频率。用温度 传感器检测水温，水位水温的数据由单片机处理，通过单片机 的 I／0口输出控制继电器的工作进而对水位及水温控制，并用 发光二极管指示当前控制的过程。水位及水温的实时情况由显 示器进行显示。 【作者简介】蓝良生(1972一)，男，讲师，研究方向：电子与通信一 52 3．1．1 系统硬件 电路的设计 本设计是以单片机为主要的核心处理系统，利用单片机对 测量数据处理 、显示、控制，从而实现 自动化控制。设计系统原 理方框图如图 1所示。 3．1．2 系统工作原理 以单片机为核心，水位的测量利用电容式传感器产生相应 的频率，由单片机通过算法确定频率的大小再确定水位。通过 设定水位的上下限并报警及做出相应的控制。而温度传感器检 测水温，并将数值送入单片机处理及显示。 图 1 系统原理方框图 3．1．3单片机和外部器件的选择 系统中枢部分采用具有 8K的 flash存储器的51单片机 中AT89S52单片机，性价比高，两个定时计数器满足本设计的 需要。温度传感器采用具有 13位的 A／D转换精度 DS1624 数字式温度传感器 ，与单片机通信简单。电容式液位传感器采 用 自行设计的平板式结构电容传感器。显示器采用可以同时显 示两行 16字的液晶显示器 LCD1602。 3．2 自制平板电容传感器的设计 3．2．1电容传感器的工作原理与分类 以平板电容器为例，详解电容式传感器的工作原理。电容 量是构成电容器的两极板形状、大小、相互位置及介电常数的 函数。如图2所示。 图2平板电容器 当忽略电容器边缘效应时，则图2所示的平板电容的电容为 c：草 ：三 (1) 式中 c一电容量；s—平板电容板的极板面积 ；s为极板 间介质的介电常数；e。是真空介电常数；s 是极板间介质的 相对介电常数。由式子可知，当 s、d、S之中的某一个参数改 变，将引起电容量 C的改变。 电容传感器分为变间隙(极距)式、变面积式、变介质式三 种工作方式。 3．2．2电容式传感器的测量电路 本系统由于要对在测量不同水质的水位时能保证精度，因 而采用变介电常数式电容传感器 ，同时采用将电容转换为频率 进行测量。测量电路以555振荡电路为基本硬件电路把电容变 化量变成频率的变化量为系统提供水位信号。 3．2．3 555振 荡电路 555定时器组成的多谐振荡器时，主要利用到 RC振荡电 路，电路接线图如图3所示。在电路接通电源后，RC振荡电路 开始工作。电容 C开始充电，由 增加到 时，Q输出 端为低电平 ，此过程通过电阻充电；而由 降到 时，Q 输出端为高电平，此过程通过 R：和三极管放电。电容器 C充电 需要的时间为 tpH=(Rl+R 2)Cln2一O．7(Rl+R2)C (2) 电容器 C放电需要的时间为 t =R，Cln2—0．7R，C (3) 有(2)、(3)式子，可以推知 Q端输出的波形频率为 f_ — (4) lpH+t。L (R1+2R2)C ⋯ 图 3 555组成的多谐振 荡器 3．2．4本系统设计的平板电容测水位原理 当电容式传感器中的电介质改变时，其介电常数发生变 化，从而引起电容量发生变化。本系统设计的自制平板电容总 长 20cm，用于测量水位的极板长 15．5cm，即可测量水位的最 大量程。用于做基准的电容位于最下方。做基准电容的目的就 是：系统检测的水位不会因不同的水质造成水的相对介电常数 不同，以及外部环境，如温度等影响水位测量的精度。基准板块 和自制平板电容传感器如图 4、图 5所示。 卜_ m __1 曰 三[ 图4基准电容板 53 图 5 自制平板 电容器 自制平板电容器在用于测量水位时，将平板电容器置于 水中。两个极板问的距离需要经过调试得出。接地板块直接接 地，而测量板块分为上下两个部分，上面部分是用于水位测量， 下面小块部分是做基准电容。将自制平板电容器置于水中测量 的原理图如图 6所示。 设水位高度为 H mm，测量最大长度为 L mm。水位测量电 容 C的大小与水的相对介电常数、极板面积有关。C。的极板间 相对介电常数式空气的介电常数 e。，C 的介电常数即为水的 介电常数 ￡ ，极板宽度为 a，基准电容检测长度为b。C是和的 并联组成。 ／ ， —、、 — ／ H 一 7 7 、 、 、 ～ ／ 图 6 水位测量原理 图 基准电容设为 C 。测量水位电容 C与 H的关系为 C=C，+C2= 趔 基准电容 C 为 r、 0 2ab J一 — — 因此，由式子(4)、(5)、(6)，可以推知如下式子 ： ‘ C s 0￡2all+s 0￡l(L-H) 所以测量水位 H与频率的关系为 H：墨 ￡ 2一 ￡ 1 1 8 2H+8 1(L—H) (5) (6) (7) (8) 式中的 8 可以通过式子(2—4)、(2—6)推算得出为 8 1= ： ： (9) 一 ￡0abfj(Rl+2R2) 由于测量电容中还涉及绝缘膜的介电常数的影响，因而， 在软件设计时就要多次的进行非线性校正。以提高水位测量的 精度。 3．3基于 A"1-89S52单片机系统及外围电路 图 7 AT89S52的最小 系统 3．3．1基 于AT89S52的最小 系统 AT89S52单片机是与 5 1系列单片机兼容，其芯片内部集 成了 8通道 10位 AD转换器 、512字节的 EEPROM存贮器、 2O个中断源、内置晶振等功能，性能优越。而本系统设计中，单 片机主要是用于数据处理与显示，而有关电容经转换频率送入 单片机测定时，只用到一个定时 ／计数器。同时，用 c语言编写 的程序生成 HEX文件后将近 8K。基于本系统的总体设计思 路：电路结构简单 、可靠性强 、低成本等考虑，从性价比就体现 出AT89S52在本系统设计的优越性。基于 AT89S52的最小系 统如图 7所示。 3．3．2基 于 AT89S52的 LCD1602显示 电路 AT89S52单片机本系统设计的核心，水位水温数据在经 过单片机的处理后 ，均送入 LCD1602显示 。LCD1602与 AT89S52单片机的连接见图 8。 图8 LCD1602与AT89852单片机的连接 4 系统软件部分的设计 4．1水位测量程序流程图 水位的测量是通过 555及 RC振荡电路产生频率，由于设 计中使用基准电容，因此有两个频率需要测量 ，通过 CD4066 54 模拟开关将两路频率分别测量，单片机将数据缓存起来，通过 算法将频率转换为相应的水位。水位测量程序流程图如下图 9 所示。 图9水位检测程序流程 图 1O水温检测程序流程 4．2水温测量程序流程图 水温的测量主要是通过 DS1624温度传感器的测量，这 款芯片将温度值直接转化为 1 3位的数字值 ，利于单片机的读 取和处理。水温测量程序流程图如上图 10所示。 5调试过程及数据统计 5．1调试过程 硬件设计及软件编程部分做好之后，调试是其中一个重要 的环节，通过调试 ，可以分析水位水温的情况，并可以针对性的 进行相应的补偿。本设计的调试过程分为水位调试和水温调 试。 5．2 结论 经过试验 ，发现水位的变化有些不规则，通过分析经过 555输出端的频率输出，得到一条曲线，在低水位和高水位变 化较大，而中等水位时，曲线近似直线。在程序中需多次进行水 位补偿。但是系统还是不够稳定，基准电容变化不规律，因此水 位测量还是有较大的误差。水温的测量较为准确，基本达到预 期的目的。 参考文献 ⋯章虎．基于分布式微机多点液位检测系统『D】．中国地质大学，2007 『2J董鸿燕．多点实时高精度温度传感系统【D1．中国地质大学(北京)， 2008． 【31黄颖琦．C8051片内温度传感器测量环境温度fD]．贵州大学，2008． 【4l刘湘．浸入式水位测量系统的研究【D】．合肥工业大学，2008． 【51何道清．传感器与传感器技术[MI．北京：科学出版社。2008． 『6J采清民．传感器与单片机接口及实例【M】北京：北京航空航天大学出 版社．2008：149—162