利用压力传感器实现液位控制系统的设计课程设计Word文档格式.docx
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1、液位控制系统模型框图........................................................................................11
2、调试....................................................................................................................11
五、
遇到的问题分析..................................................................................................................11
六、
总结.......................................................................................................................12
参考文献........................................................................................................................12
液位控制系统设计
1、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。
液位控制在多个领域都有使用，所以实现其自动化检测具有非常重要的意义。
通过压力传感器实现液位控制系统，具有体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；
具有较高的性能价格比；
系统不易受到干扰，可靠性高等优势。
（1）概述
在各类传感器中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，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。
除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。
在该液位控制系统的设计方案中，所使用的传感器为六角测压测重传感器，将水重量产生的压强转化为电压值输出，通过对电压大小的控制，从而实现传感器在液位控制中的功能。
（2）发展前景
由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。
压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。
国外液位控制系统的发展已相当成熟，我们国内也在朝着这方面努力，而且好多企业与国际接轨，有了不菲的成绩。
比如单片机控制的智能型液位控制系统的运用等等。
总的来说，发展方向有：
（1）高速化，高效化，低能耗。
提高液位控制系统的工作效率，降低生产成本。
（2）机电液一体化。
充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个控制系统的完善。
（3）自动化、智能化。
微电子技术的高速发展为液位控制系统的自动化和智能化提供了充分的条件。
智能化不仅仅体现的在液位控制，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有与液面不接触的特点。
（3）设计思想
该课程设计是通过相关硬件组合调试实现对液位高度的控制，通过一系列的放大比较将模拟信号转化为数字化的信号，然后通过对数字信号的各种处理实现类比，将液位高度的变化通过数字信号的不同反映出来，显示结果，实现对液位高度的实时监控。
通过在水箱底部安装压电传感器，水箱水位高度发生变化时，引起水压强产生波动，然后传感器把水压转换成电压信号，经放大器放大后输送到电压比较器。
经比较后的输出电压有高低两种电平，若为低电平则表明水位正常，高电平时启动接在后面的三极管电子开关，集电极继电器导通，电流流经发光二极管，从而实现水位的显示控制。
2、液位控制系统分析
（一）液位控制系统的工作原理
设计的组成：
水位检测、水位控制、显示部分。
液位控制是基于自动控制的智能化系统，其主要组成部分包括：
压电传感器，放大器，比较器，三极管电子开关，继电器等。
其工作原理是：
通过压电传感器将液体压力转换为电压信号进行输出，由于传感器转化灵敏度比较低，输出电压达不到比较要求，需加前置放大器，经放大后的信号与设定的参考电压一起输入比较器，通过对比较器输出电压的判断决定三极管是否导通，导通后的三极管集电极输出放大后的电流，流入继电器，当电流产生的磁场足够强时，可使继电器常开端闭合，显示灯亮，从而达到液位控制的目的。
（2）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
这种控制方式是通过在水桶的底部安装压电传感器，将液体压力转换为电压信号进行输出，由于传感器转化灵敏度比较低，输出电压达不到比较要求，需加前置放大器，经放大后的信号与设定的参考电压一起输入比较器，通过对比较器输出电压的判断决定三极管是否导通，导通后的三极管集电极输出放大后的电流，流入继电器，当电流产生的磁场足够强时，可使继电器常开端闭合，显示灯亮，从而达到液位控制的目的。
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。
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。
3、方案选择
3、液位控制系统的设计
1、传感器的选用
传感器可使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。
压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定
（O～70℃），传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。
其引脚分布如图3所示。
1脚为信号输出
（一）；
2脚为信号输出
（一）；
3脚为激励电压；
4脚为地；
5脚为信号输出（+）；
6脚为信号输出（+）。
在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；
另一端与传感器连接。
水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到放大器。
另一种传感器是：
MPX5700A压力传感器
测量范围：
0to700kPa
输出：
0.2to4.7VOUTPUT
温度补偿范围：
0-85°
C
测量方式：
表压差压绝压
工作特性参数
参数
符号
最小
典型
最大
单位
压力范围
Pop
700
KPa
供电电压
Vs
4.75
5.0
5.25
Vdc
供电电流
l0
7.0
10
mAdc
满量程输出（0-85℃）
VFSS
4.388
4.5
4.613
V
零位电压偏差（0-85℃）
Voff
0.088
0.2
0.313
灵敏度
△V/△P
6.4
mV／KPa
精度（0-85℃）
±
2.5
％VFSS
响应时间（1O％～90％）
tR
1．0
ms
稳定度
l0+
0.1
mA
基于实用性及节约的考虑，我们决定使用第二种传感器。
此传感器的灵敏度为6.4mv/kPa，而根据课程设计要求，水位高度最大值为2M，即最大电压输出值为128mv，并可知道，此传感器满足精度0.1m的要求。
2、放大器的选用
由于传感器的输出值只有128mv，太小，不能直接输入比较器进行比较，所以需加前置放大器，电压的放大可通过三极管或运算放大器实现，在设计伊始的时候，大家的想法是通过三极管进行放大，因为三极管型号比较多，既经济又可以挑选，而且接线方式比较简单，但是由于三极管的放大倍数需公式计算，且放大倍数的理论计算值同实际工作中的放大倍数误差较大，最终放弃了三极管，选择通用型低功耗集成四运放LM324，对电压值进行放大。
LM324的芯片引脚图如下：
LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。
可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V.
LM324内含4个独立的高增益、频率补偿的运算放大器，既可接单电源使用（3～30V），也可接双电源使用（±
1.5～±
15V），驱动功耗低，可与TTL逻辑电路相容。
3、比较器的选用
右图表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线，称为传输特性。
电路图（b）传输特性当ui＜UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作。
输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压UZ，即uO＝UZ
当ui＞UR时，运放输出低电平，DZ正向导通，输出电压等于稳压管的正向压降UD，即uo＝－UD
因此，以UR为界，当输入电压ui变化时，输出端反映出两种状态，高电位和低电位。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
4、三极管电子开关
VT基极限流电阻器R确定:
其计算的方法很简单，把三极管C、E极间看成短路，求解集电极电流Ic，然后IB—rc/p，在计算In的限流电阻时，以（3～5）倍I。
的值代人计算，以使得三极管能工作在充分饱和状态。
由于应用于开关电路，对三极管的p值要求就不严格.
根据三极管的电流分配作用，在基极输入一个较弱的电流IB，就可以控制集电极电流Ic有较强的变化。
在调试电路时，接通电源，继电器应能在电压满足时工作，测量VT集电极、发射极之间电压UCE≤0.35V，说明三极管已饱和导通，三极管开关电路工作正常，否则会使VT过热而损坏。
5、继电器的选择
在没有给线圈通电前用万用表测试一下导通，有三个脚是通的，不通的一个脚就是常开脚，给线圈通5VDC的电压，再测剩下的两个脚不通的脚就是常闭脚，剩下的两个脚就是公共点，两脚之间是导通的。
.
6、输出显示部分
方案一：
液晶显示器。
如果选择此方案，将会降低系统的功耗，这样就可以用电池供电，便于携带。
但液晶显示器的驱动电路复杂，使用起来有一定的难度。
方案二：
用数码管作为显示器。
数码管的驱动电路简单，使用方便，如果选择了此方案，那么在夜间看时间的时候就不需要有光源，非常方便。
其缺点是功耗较大。
方案三：
直接用发光二极管作为显示标志，当发光二极管有电流流过，被点亮时提示液位达到最高警戒位或者最低下限，简单直接。
因此我们选择了方案三。
（二）调试过程
1、液位控制系统模型框图
2、调试
5、
遇到的问题分析
（1）电路设计
在电路设计过程，刚开始的时候几乎是一筹莫展，还好在组员的帮助下，有了最初的思维模型，排除了用单片机CPU进行控制的想法，开始着手通过硬件设备来实现功能。
既然是硬件实现就必须有原理图，实际电路，及具体的元器件型号。
第一个元器件是继电器，因为之前从未用过，对此弥补的方法就是从网上搜索现成的元器件型号及参数，所幸继电器的介绍及选择还是很多，所以这个问题倒是很快就得到解决了。
之后就是重头戏的传感器，从最开始采用的是四对高亮二极管和光敏三极管组成的液位传感器，其电路图如下：
四个液位传感器不能实现对液位的实时监控，所以最终我们放弃了。
然后是计划采用贴片式压电传感器，eTouch-ss类型的，其原理图如下：
但是由于灵敏度及转换系数，量程范围等参数一直搜索不到，所以最终我们也放弃了。
最后的决定就是课程设计中使用的MPX5700A压力传感器。
元器件型号确定后，就是实际电路图的绘制。
由于对这些关键芯片都是一知半解，所以具体的使用电路画起来是难上加难，最后在老师的帮助下添加了一些具体的上拉电阻，偏置电阻等。
最终形成了最后的实际电路。
（2）调试过程
总结
本次课程设计是我所做的最综合的一个题目，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。
最开始我选择了两个方案，但经过方案的比较及论证后去掉不合理的一个，最终用那个最好的方案来设计。
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，在指导老师的帮助下才能使课程设计最终成功。
参考文献：
[1]王熠东.传感器应用电路400例.中国电力出版社.2008
[2]窦振中.实用电工电子线路.福建科学技术出版社.2011
[3]赵清.电子电路识图.电子工业出版社.2006
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