工业用液位传感器的设计毕业论文.docx

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工业用液位传感器的设计毕业论文

第1章整体设计概述

随着微电子、计算机、网络和通讯技术的飞速发展以及综合自动化程度的不断提高，目前广泛应用于工业自动化领域的智能仪表，其技术也同样在过去的二十多年里得到了迅猛的发展。

目前国外智能仪表占据了国际应用市场的绝大比重，但价格一般都比较昂贵，性价比并不是很高，不适用于普遍应用。

下面就一款低成本工业用智能液位传感器做如下介绍。

1.1液位传感器的分类

当前市场上所能够看到的液位传感器种类繁多，测试原理不同测试方法也不尽相同。

下面就对不同类型的液位传感器做简要分类。

按液位传感器转换过程中的能量关系分类，可分为能量转换型和能量控制型。

能量转换型是磁性翻柱液位传感器直接将被测量的物理量即为输出量；能量控制型是由外部供给液位传感器能量，而由被测量来控制输出的物理量。

按液位传感器转换原理分类，可分为电阻式、微波式、激光式、超声式、光电式、热电式、电感式、电容式、电磁式、压电式、光纤式及核辐射式等等。

按液位传感器转换过程中的物理现象分类，可分为结构型和物性型。

结构型是依靠液位传感器结构变化来实现参数转换的;物性型是利用液位传感器的敏感元件特性变化实现参数转换的。

按液位传感器的用途分类.可分为重量、位移、速度、加速度、力、电压、电流、温度、压力、流量、功率参数等等。

按液位传感器输出量的形式分类，可分为模拟式和数字式传感器。

模拟式液位传感器输出为模拟量信号，数字式液位传感器输出直接为数字量信号。

按液位传感器的功能分类.可分为传统型和智能型。

传统型磁翻板液位传感器一般是指只具有显示和输出功能的液位传感器，真正意义上的智能液位传感器，推理、感知、应该具备学习、通讯等功能，具有精度高、性能价格比高、使用方便等特点。

1.2液位传感器的应用场合

液位传感器作为液位测量的主要智能仪表广泛应用于：

河流、石油化工、水利水电、环境监测以及自来水厂、污水处理厂等众多领域。

根据使用场合的不同可以选择不同原理类型的液位传感器进行安装。

1.3液位传感器的发展前景

在现阶段，液位传感器产业化发展仍存在不小的挑战。

液位传感器产品达到10大类、42小类、6000多个品种，呈现出良好的发展态势，但是在我国的所有生产液位传感器的企业来看，外资企业优势明显，国内外企业综合实力悬殊，这是因为我国生产企业规模小，人才短缺、研发能力弱，最关键的还是技术，难与国外企业抗衡。

主要表现在以下三个方面：

（1）核心技术和基础能力欠缺，核心芯片严重依赖国外进口，国内企业在高精度、高敏感度分析、成分分析和特殊应用的高端方面与国外企业差距明显。

（2）在设计、可靠性、封装等方面，缺乏统一标准和自主知识产权，在接口、深刻蚀、高温欧姆接触、高可靠MEMS封装、快速测试、高仿真模拟等技术方面尚未取得突破性进展和产业化验证;

（3）产品在品种、规格、系列等方面还不够全面，在测量精度、温度特性、响应时间、稳定性、可靠性等技术指标方面仍有不小差别，因此中国浮子液位计传感器企业任重道远。

由此可见，液位传感器在我国近阶段有很不错的发展前景，但单单从技术方面来将还并不是很成熟，还有待于进一步的提高。

1.4液位传感器整体介绍

1.4.1整体设计框图

本设计中液位传感器采用称重原理，采样器件为称重传感器，将重量转换成电压信号输出。

首先根据连通器的原理，将少量液体引流至液位关内部，此时液位管内液位的高度和待测容器内液位的高度相同。

再通过测量液位管内部液体的重量从而计算出液位的高度。

该高度即为待测容器液位的高度。

经过现场使用需求分析，本液位传感器具有就地显示功能、参数设置功能、声光报警功能、频率输出功能、RS485总线通讯功能。

由于采样器件输出的信号为模拟量（电压信号），因此这里还需要增加A/D转换功能。

因此，在设计之初通过以上需求分析，本传感器设计如下功能电路：

1、CPU（AT89S52单片机）：

对采样数据综合运算处理，控制各功能模块工作；

2、显示模块：

采用数码管，将采样处理后的实际液位高度显示出来；

3、数据存储模块：

存储对传感器设置的一些参数，如：

报警点、零点、总线地址等数据；

4、A/D转换模块：

将采样器件输出的模拟量信号转换为对应的数字量信号，并将该信号传递给CPU；

5、数据采集模块：

即采样器件，经重量物理量转换为电压信号物理量；

6、红外接收模块：

接收红外遥控器发送的数据；

7、频率输出模块：

输出（200~1000）HZ频率信号；

8、总线通讯模块：

用于RS485通讯；

9、声光报警模块：

用于非正常状态下声光报警；

10、电源模块：

给CPU以及其他功能模块电路供电。

通过上述要求分析可得如下图1-1所示的系统框图。

图1-1系统框图

1.4.2功能单元详细介绍

1、CPU

通过整体考虑系统的输入/输出情况，本传感器所需要的单片机硬件资源如下：

数码管显示需要11个I/O口；与数据存储芯片通讯需要2个I/O口；AD转换接口需要4个I/O口；红外接收模块需要1和I/O口；频率输出需要1个I/O口；RS485通讯需要1个I/O口和一组串行接口。

通讯芯片采用I2C接口，红外接收采用外部中断和定时器配合的方式。

综上所述，本设计中选定ATMEL公司生产的单片机型号为AT89S52，该单片机符合上述所需求的硬件要求，唯一缺陷是该单片机没有I2C接口，可通过通用I/O口经软件模拟输出I2C协议。

2、显示模块

考虑到该传感器使用的特殊性，有可能安装在较高的位置，因此需保证在3~5米的范围内能够清楚的看到显示数值。

所以本传感器采用数码管显示方式。

设计为4位数码管，采用单片机连接译码器，由译码器来控制三极管，有三极管来驱动4位数码管，并控制其亮暗。

在参数设置界面下，第一位数码管作为功能显示位，其余三位作为参数值显示位；在数据显示界面下，四位数码管均作为液位高度显示值位，实时地显示液位高度的变化情况。

3、数据存储模块

CAT24WC08是一个8K位串行CMOSE2PROM内部含有512个8位字节CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗CAT24WC01有一个8字节页写缓冲器CAT24WC08有一个16字节页写缓冲器该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。

该芯片数据通讯采用I2C方式，由于本设计中所使用的单片机没有I2C接口，因此这里需要通过软件（即程序）对I2C协议进行模拟，然后通过通用I/O输出，才能正常建立数据存储关系。

4、A/D转换模块

本设计中采用的A/D转换芯片为AD7705，AD7705是AD公司新推出的16位转换器。

器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路,可编程数字滤波器等部件。

能直接将传感器测量到的多路微小信号进行转换。

这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。

它采用三线串行接口,有两个全差分输入通道,能达到01003%非线性的16位无误码数据输出,其增益和数据输出更新率均可编程设定,还可选择输入模拟缓冲器,以及自校准和系统校准方式。

工作电压3V或5V。

3V电压时,最大功耗为1mW,等待模式下电源电流仅为8uA。

通过查询相关资料该芯片完全满足本液位传感器的量程、精度及响应速度的要求，具体参数将会在第二章硬件设计中着重介绍。

5、数据采集模块

在设计之初笔者查询了许多相关资料，对于液位传感器的设计原理和方法有很多；如接触式、非接触式、红外检测、浮子检测、超声波检测等等。

本设计中从设计成本及广泛的应用性方面考虑，采用称重的原理。

这样做的目的是：

首先采样器件（称重传感器）成本相对较低；其次，液位首先引流至液位管，液体和采样器件无接触，这样不存在液体的化学性质对采样原件造成干扰或损坏。

保证传感器对于任何液体都能够进行测量，没有任何限制。

6、红外接收模块

考虑到本传感器的安装特殊性，有可能安装在人手无法触及的高度，因此不适合采用按键的方式对传感器进行参数设置。

这里选择红外遥控的方式对参数进行设置，遥控器发送的数据使传感器能够正常接收的最短距离大于5米，能够保证数据的正常接收。

本设计中不涉及遥控器的设计，本设计中所使用的遥控器由市场采购而得，遥控器具体发送的命令形式将在第三章软件设计中着重介绍。

7、频率输出模块

考虑到本传感器与其他类似设备兼容，进行数据传递，因此本传感器集成了频率输出功能，可根据采样到的数据（0~1000）cm，输出国际标准的（200~1000）HZ的频率信号，该信号高电平＞4.5V，低电平＜0.5V，占空比为50%，脉冲宽度＞0.3ms。

该传感器频率信号由单片机内部定时器产生，由单片机I/O口输出，考虑到外接存在的各种干扰信号，因此在信号输出级采用光电隔离的方式，从而保证外界的干扰信号对传感器内部系统不会造成干扰。

8、RS485通信模块

考虑到输出信号形式的多样化，以及与其他设备的兼容性，该传感器集成了总线输出模块，采用RS485接口，运用目前市场上产品比较流行的modbus-RTU协议，能够保证与市场常见的其他设备无缝连接，保证数据的正确传输。

通信芯片使用MAXIM公司生产的MAX3082芯片，该芯片采用差分信号传输，因此有较远的传输距离，一般2公里以上。

该芯片同时具有很强的抗干扰能力，能够很好地滤除干扰信号。

在芯片的输出端增加了瞬态电压抑制器，能够很好的抑制总线上的浪涌电压，从而保证通讯芯片免受其害，造成不可恢复的后果。

9、声光报警模块

声光报警模块采用发光二极管和蜂鸣器组合的形式，为能到到足够的亮度，因此我们选择两个10mm的红色发光二极管；为能够达到足够大的响度，蜂鸣器采用直流12V规格。

为降低整机工作的功耗，在报警状态下采用声光交替形式，即蜂鸣器工作时发光二极管不工作，蜂鸣器不工作时发光二极管工作，有效的降低了整机功耗。

10、电源模块

在一个单片机控制系统中，电源模块起到至关重要的作用，因为电源模块的带载能力和输出文波直接影响到单片机系统工作的稳定性和准确性，因此对电源模块的设计一定要避免以上不良影响。

以免影响单片机系统的正常工作或工作处于临界点。

经分析可知传感器系统所需要的电压有两种：

直流5V，给传感器系统的所有功能芯片供电；直流6V，给称重传感器供电。

考虑到干扰的存在，因此在5V电压中，需使用隔离电源；在单片机系统和外界输出接口处也加以隔离，以达到隔离干扰的目的，保证传感器系统的正常工作。

第2章硬件介绍

2.1总体概述

该液位传感器适用于高温高压、强腐蚀、易结晶、易堵塞等恶劣条件下连续检测各种液体，适合测量污水、酸碱溶液、和锅炉的水位,整机安装方便、可靠性高、精度高，可替代传统的浮球式、投入式、差压式等液位变送器在各种场合下应用。

该传感器可通过数码管实时地显示被测容器内当前液位的高度，具有液位高于上限设定值报警和低于下限设定值报警功能，具有（200~1000）HZ的频率输出功能，具有RS485总线通讯功能，具有数据存储功能，具有红外遥控功能等。

当液位传感器安装完成后，通过红外遥控器对传感器的各个参数进行设置，可设置的参数有：

零点值、线性度设置、高限位报警点、低限位报警点、RS485通讯地址设置，这些参数经红外遥控器修改后数据将会存储在E2PROM中，即使传感器断电后该数据仍然存在，不会丢失。

传感器再次上电后，内部参数仍为上一次修改存储的内容。

另外还具有频率信号查询功能，即通过红外遥控器查看功能6内容，可以查看到当前的频率输出。

这个功能主要是方便工程维护人员在不使用其他仪器的情况下方便地查看频率输出情况，以更快的速度解决现场问题而设。

显示模块采用数码管显示方式，首先亮度较高，数码管尺寸可根据实际情况选择不同尺寸；其次数码管有足够的亮度，即使在光照较强的情况下也能够清楚的观察到显示值；再次从成本上考虑，数码管价格相对要便宜的多。

以上三点均是数码管比液晶或其他屏所具有的优点，所以本设计中考虑使用数码管显示。

本设计中采用4位数码管显示，第一位数码管在参数调节状态下作为功能项显示用，其余三个数码管作为参数值显示用。

为节省单片机的I/O口，所以显示采用译码器控制的方式，若不采用译码器位选信号将需要4个I/O口，采用译码器后位选信号仅需要3个I/O口，这样就可以节省出一个I/O口做其他用途。

本设计中采样器件选用称重传感器，该传感器输出为模拟量电压信号，而本设计中所使用的单片机仅能处理数字信号，因此在这里就需要将模拟量信号转换为数字量信号才能被单片机接收并处理。

这里就需要用到A/D转换器，本设计中采用AD7705芯片来完成A/D转换功能，AD7705是AD公司新推出的16位转换器。

器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路,可编程数字滤波器等部件。

能直接将传感器测量到的多路微小信号进行转换。

这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。

工作电压3V或5V。

3V电压时,最大功耗为1mW,等待模式下电源电流仅为8uA。

声光报警电路采有两个三极管、两个10mm发光二极管、一个12V蜂鸣器组成。

报警信号由单片机给出，用三极管来驱动蜂鸣器和发光二极管。

考虑到尽可能的降低整机功耗，因此两个三极管分别用PNP型和NPN型，保证在同一时刻只用一种报警状态，能够有效地降低整机功耗。

频率输出由内部定时器定时，由I/O口输出。

考虑到外部干扰信号有可能会对单片机系统造成干扰，因此在单片机系统和频率输出端之间增加光耦加以隔离，以达到隔离干扰信号的目的，保证单片机系统的稳定运行。

在光耦的输出端加一个上拉电阻，保证频率输出由足够的功率，便于远距离传输频率信号不至于衰减的过多，从而使下级设备能够正常读取频率输出值。

在频率输出的信号端增加瞬态电压抑制器加以对浪涌电压进行抑制保护光耦免受伤害。

同时在输出端增加发光二极管作为频率输出指示，能够比较直观的观察到有无频率输出，便于现场查找原因和解决问题。

RS485总线采用MAXIM公司的MAX3082芯片，该芯片采用差分信号传输，因此有较远的传输距离，一般2公里以上。

该芯片同时具有很强的抗干扰能力，能够很好地滤除干扰信号。

在芯片的输出端增加了瞬态电压抑制器，能够很好的抑制总线上的浪涌电压，从而保证通讯芯片免受其害，造成不可恢复的后果。

考虑到总线上有可能会出现不可知的干扰信号，会对单片机系统造成干扰，使单片机系统误工作或无法正常工作，因此在单片机系统与总线芯片之间增加光耦以达到光电隔离的目的，避免干扰信号经总线电路进入单片机系统。

考虑到MAX3082芯片的接收和发送端工作时波特率会比较高，普通光耦无法正常工作，因此本设计中在MAX3082芯片的接收和发送端均采用了肖特基结构的快速光耦，从而保证数据能够正确的传输。

以免影响单片机系统的正常工作或工作处于临界点。

本设计中需要5V和6V和12V三个电压等级的直流电压，考虑到现场一般只有交流220V和交流380V电压，为方便使用这里需要对电压进行转换；首先需将220V交流电压转换为12V交流电压，这里需要选择变压器，然后将交流12V电压转换成直流电压，这里需要用到整流桥，为了减小该直流电压的脉动，还需要增加滤波电容。

到此12V直流已经获得，为得到直流5V和6V电压，这里还需要增加L7805和L7806，这样就可以获得5V和6V电压。

到此三种不同等级的电压均以获得。

下一步就要考虑电压对系统工作稳定性的影响，由于交流电网中有可能使用大功率电气设备如电动机等，在起动和停止的过程中会对电网造成很大的冲击，因此输出的12V电压就会有很大的波动，造成单片机系统无法正常工作；或者电网中使用到变频器，这样在电动机的起停过程中也会对电网造成很大的干扰信号，导致单片机系统无法正常工作。

为保证系统的稳定运行，在12V直流电压的输出端需要增加12V转12V的直流稳压隔离电源模块，这样既起到了稳压的目的同时也起到了与电网隔离的目的，就能够保证直流12V电压的稳定性，间接保证直流5V和直流6V电压的稳定性，从而保证单片机系统的稳定运行。

由于RS485芯片直接与外部总线连接，所以考虑到外界的干扰或其他异常现象（如雷击）的发生，这里RS485通讯芯片有单独电源供电，即使总线保护电路没有起到作用，发生上述情况也也不至于损坏单片机系统以及其他电路。

由于数字信号在数据处理过程中速递比较快，有可能会对模拟信号造成干扰，是模拟信号的波形发生畸变，造成采样不准间接影响输出值，因此在模拟信号的电源地与数字信号的电源地之间需要串联一个0Ω电阻，以达到单点接地的目的，将数字信号对模拟信号的影响降低到最小。

2.2单元电路介绍

2.2.1CPU

1、参数介绍

本设计采用的单片机为ATMEL公司的AT89S52单片机，经综合考虑分析设计需求及性价比，该单片机资源及运行速度均符合设计要求，具体参数如下：

●兼容MCS-51系列产品；

●8k字节FLASH存储器支持在系统编程，可承受1000次擦写周期；

●256字节片内RAM;

●工作电压4.0V到5.5V；

●全静态时钟0到33MHZ；

●三级程序存储器加密；

●32个可编程I/O口线；

●3个16位定时/计数器；

●6个中断源（2个外部中断，3个定时器中断，1个串行中断）；

●全双工UART串行口；

●低功耗支持Idle和Power-down方式；

●Power-down方式支持中断唤醒；

●内部集成看门狗，使用户的应用系统更坚固；

●双数据指针；

●上电复位标志；

●双数据指针式数据操作更加快捷方便；

●较高的处理速度，最高可使用33MHZ的晶振频率；

●封装形式为DIP40。

该单片机具有充足的硬件资源，而且操作简单，便于开发，具有较低的成本。

是一款性价比相当高的入门级单片机。

因此本设计中选择该单片机作为液位传感器的CPU。

2、电路介绍

单片机最小系统包括复位电路、时钟电路、电源三个部分组成，满足以上三个条件单片机系统才能够正常工作。

EA信号也需要介绍一下，当EA接高电平（5V）时选择内部存储区，当EA接低电平（0V）时选择外部存储区域。

本设计中由于内部存储区足以满足本设计需要，因此被设计中选择内部存储区域，即此时该引脚上拉（5V）。

AT89S52单片机复位电路规定，当晶振在运行中只要复位引脚出现2个机器周期的高电平，即可复位。

由于本设计中选择的晶振频率为11.0592MHZ,因此由下面计算可得：

由频率：

f=11.0592MHZ；

得周期：

t=1/f=1/（11.0592*106）=9.04*10-8S；

得机器周期：

T=12t=12*9.04*10-8=1.085*10-6S；

所以复位时间必须满足：

3τ>T；

即：

τ>T/3=3.62*10-7S；

计算时间常数τ：

选择电阻为10KΩ，电容为0.1uF；

τ=R*C=10*103*0.1*10-6=1*10-3S；

这里3τ>>T,所以单片机能够正常复位。

图2-1复位电路

AT89S52芯片内部有一个用反向放大器构成的振荡器，反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2把ATAL1和XTAL2与外部的石英晶体及两个电容连接起来可构成一个石英晶体振荡器，两个电容的一端分别连接在晶体振荡器的两只脚上，另一端接地。

这两个电容的作用是上电时帮助石英晶体起振，运行时起到稳定振荡频率的目的。

该电容的取值范围是：

5~30pF，该单片机晶体振荡器的取值范围为：

2~33MHZ。

为使RS485通讯时的误码率为0，顾本设计中所选的晶体振荡器的频率为：

11.0592MHZ。

图2-2振荡电路

3、电路图

图2-3单片机最小系统电路

2.2.2显示电路

1、参数介绍

本设计中显示电路所使用的显示元件是数码管，采用译码器和三极管配合的方式来提供数码管所需要的位选控制信号，控制每一位数码管显示不同的数字。

设计中使用的译码器的型号为：

74LS138，该芯片参数如下：

●额定工作电压：

DC5V；

●最大工作电流：

小于等于10mA；

●电压波动范围：

4.75V~5.25V；

●有效输入高电平电压：

大于2V；

●有效输入低电平电压：

小于0.8V；

●输出高电平电压：

5V；

●输出低电平电压：

小于0.3V；

●输出高电平电流：

小于等于1mA；

●输出低电平电流：

小于20mA；

●封装形式：

DIP16。

工作原理：

当一个选通端S1为高电平，另两个选通端/S2和/S3均为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

当S1为0时，不论/S2和/S3以及（A0、A1、A2）为什么状态，输出端均为1，当/S2和/S3为1时，不论S1以及（A0、A1、A2）为什么状态，输出端均为1。

利用S1、/S2和/S3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。

若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

表2-174LS138真值表

输入

输出

/S2+/S3

A2A1A0

/Y0/Y1/Y2/Y3/Y4/Y5/Y6/Y7

×××

11111111

×××

11111111

000

01111111

001

10111111

010

11011111

011

11101111

100

11110111

101

11111011

110

11111101

111

11111110

从74LS138的参数介绍中可以看出，当输出端为低电平时可以拉出高达20mA的电流，而为高电平时仅能输出最大1mA的电流信号，因此本设计中采取低电平控制方式以便获得较高的电流。

设计中三极管的型号必须为PNP型，这里选择9012三极管来驱动数码管。

该三极管作为开关使用，工作在饱和区而不是工作在放大区，PNP型三极管主要参数介绍如下：

●集电极-发射极电压：

-30V；

●集电极-基电压：

-40V；

●射极-基极电压：

-5V；

●集电极电流：

0.5A；

●耗散功率：

0.625W；

●结温：

150℃；

●特怔频率：

最小150MHZ；

●放大倍数：

30∼90；

●封装形式：

TO-92。

由于驱动三极管采用PNP型，所以这里数码管只能选择共阳型。

本设计中需要显示4位数值，这里选择四位一体数码管，考虑便于观察顾选择0.56英寸红色数码管，型号为LG5641BH。

2、硬件介绍

设计中使用单片机的P1.0∼P1.2口作为74LS138的控制端，为保证74LS138正常工作因此这里使能控制端SA接VCC，SB和SC接地。

由于本设计中共4位数码管，所以这里输出信号只需要取Y0∼Y3四个即可。

输出信号与三极管之间通过4.7kΩ电阻耦合，如下图2-4所示。

图2-4显示驱

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