液位传感器设计论文（共8篇）
液位传感器设计论文 篇1
利用压力传感器实现液位控制系统的设计工学论文
摘要：控制器单片机，液位控制高度，报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。
关键词：传感器；AD转换；控制器；外围硬件电路
0引言
随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。
1系统设计方案比较说明
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，一种是复杂的控制器控制方式。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)复杂控制器控制方式。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。
针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，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。
2工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51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0～5V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。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
3硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。
3.1单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片。
3.2传感器
传感器使用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。 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AD转换器。
3.3键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。
3.4液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。
3.5AD转换电路及控制输出
AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。
4软件设计
4.1键盘程序
由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加减键、取消键和复位键。
值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。
5结束语
基于单片机实现液位控制器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。
参考文献：
[1]黄智伟.传感器技术.，21（9）：31～33
[2]窦振中.单片机原理主程序设计.北京航空航天大学出版社.
[3]贾民平.测试技术.高等教育出版社
液位传感器设计论文 篇2
关键词：谐振式,液位传感器,液位检测,相关性研究
0 引言
在工农业生产过程中,大型喷雾机等工作机械的液位检测对工作过程中有效控制及药液的合理配置具有重要意义,例如在药液即将耗近的情况下,控制系统及时发出指令,防止抽水泵空转,可以有效提高设备的使用寿命。目前对液位的检测有差压法、超声波、接触电极法等多种方案,但是普遍存在着测量精度较低、测量设备价格较高的缺点。基于谐振液位传感器装置可以为喷雾等工作领域提供准确、可靠、价格低廉的液位测量方案。谐振式液位传感器已在洗衣机等家电中获得了部分应用,液位的高低可以通过输出频率表征,因此可以实现在全量程范围内无级高精度测量。在工农业等液位检测应用中,根据作业机械液位装置的使用特点,对液位传感器进行检测电路设计及结构优化,实现了对液位的高精度检测。
1 谐振式液位传感器的工作原理
1.1 谐振式液位传感器的结构
液位传感器通过导管将液箱中的液体液位转换为在气室中的不同气压,在密闭的情况下,气体压力与液位H成正比关系,当液位上升时,气压升高,导板在导向轴以及支撑限位点的作用下平行上移。同时,固定在导板上的磁性元件发生平行上移,使得磁性元件与线圈之间的相对位置发生了变化,最终引起了线圈电感值的变化,线圈与电容构成三点式振荡电路,因此当液位发生变化时,振荡电路的输出频率发生相应的改变。谐振液位传感测量装置结构如图1所示。
1.2 液位与频率关系的建立
当液位发生变化时,定义ρ为液体的密度,H为液位高度,则液箱底部压强P为:
气压在导板地面的薄膜上产生压力为F1,并驱动磁性元件在线圈中产生Δlc的相对位移,同时磁性元件收到连接弹簧的反作用力为F2。设S为薄膜有效接触面积,K为弹簧弹性系数,则F1,F2的计算公式为:
式中:K,ρ,S都为常数,F1=F2,则得出液位与磁性之间的线性关系为:
根据线圈电感参数计算公式,可以得出当磁体元件位移为Δlc时,线圈的电感变化值ΔL为:
从式(5)可以得出,Δlc与ΔL之间存在线性关系,同时也与液位高度H之间存在线性关系。
最终可以得出在三点式振荡电路的输出频率与液位之间存在惟一的反向关系。
2 液位与频率之间关系的测试与优化
2.1 测试方案的制定与数据记录
式(5)表明液位变化量H与电感量变化值ΔL之间存在良好的线性关系,电容三点式振荡电路的输出频率如式(6)所示,其中CΣ为振荡回路中的总电容。
在谐振回路电容不变的前提下,电感量与输出频率之间呈现一定的反向关系,但是为非线性关系,因此在测试中采用了多点测试的方案,并在较小的变化范围进行了f与液位H之间的线性回归分析,建立了两者之间的一次线性回归模型。
在保证气室的密闭性,光滑无杂质后测试了不同尺寸传感器在不同水位下的输出频率,测试结果见表1。
2.2 液位与频率数学模型的构建
根据以上测试数据,对液位以及频率进行变量相关性分析,为数学模型的建立奠定基础,设输出频率为因变量x,液位为自变量y,二者之间的相关性通过式(7)计算其相关系数:
代入表1中的测试数据,计算得相关系数为0.985,结果表明传感器的输出频率与液位之间的高度相关,存在确定的反向关系,根据设计的需要,采用简单的一元线性回归分析得出二者之间的关系方程为:
3 传感器结构改进、频率测量的软硬件设计
3.1 传感器结构的改进
传感器结构中膜的有效接触面积等对于传感器的频率输出都具有较大影响,如果液位传感器应用于移动工作设备中,可能导致测量产生较大的误差。因此在结构设计方面,根据实际情况采用不同弹性系数的弹簧进行测试。同时在导管处安装薄膜型减压阀或者波纹管,采用波纹管一般要求采用介质流通性能较好的先导式,以保证测量的准确性。实际应用中一般都采用金属储气罐以增加密闭气室空气的体积,可以在液位快速变化时起到缓冲的作用以保护传感器及相应电路。经过实际应用检测,改进后的传感器结构能够保证气室无液体渗入,在复杂的应用环境下测量精确度较高。
3.2 传感器液位频率输出电路
液位传感器频率输出电路主要是将振荡电路的输出信号进行调理,设计中传感器的内部线圈为580匝,电感量在3.30~5.40 m H之间连续变化,输出电路中设计电容三点式振荡电路的电容C1=C2=0.022μF,电阻R1=1 kΩ,R2=4.7kΩ,采用CD4069UB数字反向器作为信号输出耦合电路,当被测液位发生变化时,输出端输出频率呈近似线性关系的方波信号。输出电路如图2所示。
3.3 频率测试软件设计
对于频率的测试,主要功能是要能够完成输出频率的实时检测,同时要能够完成液位的换算与显示。运算中涉及到浮点数的计算较多,因此采用了AVR系列的微控制器进行编程,编程过程中采用了内部的定时器T0进行液位传感器的输出脉冲检测,设TCNT0为T0的当前计数值,液位高度由数码管或者LCD进行扫描显示。在程序设计中传感器输出频率的计算如下:
4 结论
本文采用高精度的谐振式液位传感器替代了传统的液位测量,液位测量的有效范围由原来的600 mm增加到1 200 mm以上,经过结构以及电路优化过的传感器测量液位时,液位与输出频率之间的相关系数达到了0.985,呈现出良好的线性度。采用弹簧以及机电机构进行优化,可以实现对液位的高精度测量,同时无级的测量方案在液位测量系统工作时,有效提升了用水效率以及水泵等部件的使用寿命,高精度的谐振式液位传感器在工农业等方面具有重要的应用推广价值。
参考文献
[1]刘凯,邹德福,廉五州,等.纳米传感器的研究现状与应用[J].仪表技术与传感器,2008(1):10-12.
[2]郑东旭.《传感器与检测技术》课程教学研究[J].科技信息,2008(33):255.
[3]BLAABJERG F,CONSOLI A,FERREIRA J A,et al.The future of electronic power processing and conversion[J].IEEE transactions on industry applications,2005,41(1):3-8.
[4]YAO C,ZHU T,TANG J,et al.Hybridization assay of hepatitis B virus by QCM peptide nucleic acid biosensor[J].Biosensors and bioelectronics,2008,23(6):879-885.
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[6]阚君武,唐可洪,王淑云,等.压电悬臂梁发电装置的建模与仿真分析[J].光学精密工程,2008,16(1):71-75.
[7]FERREIRA G N M,DA-SILVA AC,TOMÉB.Acoustic wave biosensors:physical models and biological applications of quartz crystal microbalance[J].Trends in biotechnology,2009,27(12):689-697.
液位传感器设计论文 篇3
关键词：金属膜片 光纤液位传感器 电路设计
随着使用要求的提升，传统的液位传感器已经不能充分的满足现实的需求。尤其是在特殊场合，例如在易燃易爆场所不能存在电荷以及其它环境受限的条件。经过不断地发展，传统的液位传感器得到了长足的发展，当下新发展起来的光纤液位传感器较之传统的液位传感器具有可靠性高、反应快、能耗小以及抗干扰能力强的优势，在军事以及民用市场存在着较大的应用前景。
1、光纤液位传感器的工作原理
光纤液位传感器基于液体高度以及静压力之间的关系，通过金属膜片将静压力转换为光强的变化来达到液位测量目的。这里金属膜片主要作为一种换能器件，从而实现了将液位变化直接的转换为反射光强度，从而实现了通过监测光强变化来对液位进行监测的目的。同时金属膜片在这里还发挥着隔离不同介质的作用，并且以其优良的线性度以及高重复性，成为了很好的压力与位移变化的转换器件。光纤液位传感器的研发实现了通过液位变化来调制光强的输出，表现出稳定性高、结构简单以及经济实用的特点。
光纤液位传感器的构成较为简单，主要分为光源、传感头、信号处理以及接口显示等部分。进入光纤的光要首先经过耦合处理，然后经过光纤传输照射到金属膜片中心点，金属膜片在液位变化时会导致照射到膜片上的反射光的改变，一部反射光被接收光纤束接收，最后经过探测器将反射的光信号转换为电压或者电流输出。其中金属膜片会在液位高度变化时发生反射光变化，致使输出光强改变，这一变化经过电路处理后表现为电压或者电流变化，最后由A/D转换为数字信号，借助于单片机的数据采集以及处理从而直接显示液位高度。
2、传感器电路设计
2.1前置放大电路
在实际测量中由光电探测器输出的信号很弱，为此需要经过放大处理，但是这样就可能导致电流或者电压的失调，甚至引发自激干扰以及零点漂移。为此为了确保有用信号不被淹没或者干扰，不仅需要借助于高灵敏度的探测器，同时也需要对使用到的前置放大器进行优选。这里我们使用美国Analog Digital 公司的OP27以及AD620两种产品。其中OP27具有高精度、噪声低的运放，可以实现输出的微弱信号转换为低噪声的电压信号的目的；AD620作为一种精密仪表放大器，具有较高的共模抑制比、较低的温漂系数以及噪声系统，同时具有简单的电路设计，仅需要一个外接电阻就可以精确地实现放大倍数确定，从而实现将OP27的输出信号放大到设定强度，并且这个过程中的电压漂移很小。
2.2A/D转换电路
A/D转换电路作为数据采集电路设计以及选择中的核心部件，也是前向通道中模拟系统以及数字系统连接所不可或缺的部分，为此科学、准确的选择A/D转换器具有至关重要的意义。实际中对于液位测量的一般要求是测定0mm—1200mm范围以及相关误差为±3mm，为此对转换速度以及系统分辨率提出了一定要求。实际测试表明，当前置放大器的输出电压信号大约变化20mv时，一般的8位或者是10位的A/D转换器不能满足精度要求，也就是不能分辨这一微弱的变化。为此这里要采用Analog Digital 公司生产的单片高速12位逐次比较型A/D转换器AD574。这种型号的转换器具有功耗低、外接元器件少以及精度高的特点，同时具备自动极性转换以及自动校零的功能，只需要在外部外接少量的电阻、电容器件就可以构成一个完整的A/D转换器。这一型号的A/D转换器的转换时间为25μs，同时数字位数可以在12或者8位之间转换。当设置为12位时，转换器的数字输出会分两次被单片机读取并转换。此外，AD574还具有单极性以及双极性两种输出方式，从而可以实现直接的与微机接口。AD574的内部配置有很强的接口控制电路，分为5根控制线来分别实现定时、寻址、启动、读出功能。
3.单片机处理与显示
由于在信号检测系统的实际应用中会出现信号较弱以及电路输出信号非线性增强的情况，从而极大地影响了系统测量的精度以及动态范围。为此这里在电路设计中使用单片机对输出的信号数据进行线性补偿。STC89C52作为光纤液位传感器的数据采集中的核心部件，不仅具有功耗低、稳定性好的特性，同时价格适中并且易于外围电路的扩展使用。这种单片机具有8k的Flash程序以及512字节的数据存储器，可以很好地与MCS—51指令系统以及8052产品引脚兼容，同时兼备在线下载功能。
前段模拟信号被A/D转换器转换为数字信号后，AD574A的28脚STS会转变为高电平信号，从而通知单片机转换结束并开始数据读取。当单片机采集到STS端的高电平信号时就会进入中断服务程序，将转换的结果与数据表格中的数据进行比对后，如果转换数据处于转换表格中，開始调用数据处理程序以及显示程序。
光纤液位传感器作为传统液位传感器的替代品，在实际的应用中表现出了良好的稳定性、便捷性以及抗干扰能力，不失为一种适用于恶劣测量环境的理想测试手段。此外这一测量技术还可以和计算机通信功能整合实现功能拓展以及网络管理。
参考文献：
[1]马忠梅，籍顺心等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社1999.
[2]B.Culshaw J.bakin著，李少慧，宁雅农等译.光纤传感器[M].湖北：华中理工大学出版社，1997.
[3]贾伯年，俞朴.传感器技术[M].江苏：东南大学出版社，19920.
传感器课程设计 篇4
设计题目：智能温控风扇传感器
这次传感器的课程设计题目我们小组选了温度控制风扇传感器，这个实验涉及了模电、电路的一些基础部分，同时也让我们了解了电路排版、焊接的一些基本技能。其实刚开始我们小组选的并不是这个温控风扇传感器，而是基于电阻式传感器而来的测重仪，后来去老师那里要材料老师说电阻式传感器设计的侧重仪所需要的单片机偏贵，叫我们最好换另外的。在一起商量以后我们决定换成了温控风扇传感器。
在我们做实物的时候我们也遇到了很多的麻烦和问题。在组装排版的时候由于洞洞板不是很大这就对我们的排版有了一定的要求，不然到时候焊接电路也会变得很繁琐。由于以前我们都没有接触过焊接刚开始的时候焊接的也不是很好，有时候还会不能连在一起的导线黏在一起，经过一定的练习之后慢慢掌握了要领焊接起来就很快乐。面对着看去很复杂的电路图我们在做的过程中也要做到很仔细的区观察并且在焊的时候要再去确认一遍电路的正确性。这样就减少了不必要的麻烦，省的到时候检查的时候错误过于多。
我在领了材料以后看了一下，以为没有温度传感器后来我才发现DS18B20是这么小，以至于我把他当成了三极管。这也是由于我没有对这个温度传感器的了解菜会产生这种情况的。当我们焊接了以后对这个喜欢干起进行调试，出现了数码管没有亮，后来经过寻找问题后发现一个地方没有焊接好。在经过纠正调试以后传感器成功运行。
矿用风速传感器的设计 篇5
矿用风速传感器用于检测煤矿井下各坑道、风口、主风扇等处的风速。在煤炭开采的过程中，总有瓦斯涌出。为稀释矿井空气中的瓦斯，需不断地向井下输送新鲜空气。风量是通风系统的重要参数之一。因此，对矿井风速的监测是矿井监控的主要内容之一。
1.2矿用风速传感器的安装位置
安装：风速传感器可安装在主要测风站和进回风巷等地。安装地应在距顶板较好无明显淋水，不妨碍运输和行人安全的地方，传感头指向应与风流方向一致。安装前应首先测量通道平均风速，任选一点安装，遥控器对准传感器按动上、下键，使就地显示为平均风速即可。注意：传感器安装一定要牢固，不得摆动，传感器测风面一定要垂直风流方向。
1.3矿用风速传感器的技术指标
测量范围：0.4 ～15m/s
测量误差：≤±0.3m/s
输出信号：频率型200Hz~1000Hz或电流型1mA~5mA
工作电压：12V～21V(DC)
工作电流：≤90 mA
传输距离：≤2Km
1.4矿用风速传感器的分类
（1）按传感器用途可分为环境参数传感器与生产参数传感器。
（2）按供电方式可分为自带电源式传感器与外接电源式传感器两种。
（3）按其输出信号形式可分为模拟量、开关量、累计脉冲量等。模拟信号应符合下列信号制式：电流模拟信号为1～5mA或4～20mA，频率模拟信号为200～1000Hz或5～15Hz。
（4）按作用原理不同可分为：机械翼式风速传感器、电子翼式风速传感器、热效应式风速传感器超声波风速传感器。
（5）按风速的测量范围可分为高速风速传感器（V>10m/s）、中速风速传感器（V=0.5m/s～10m/s）、低速风速传感器(V =0.3m/s～0.5m/s)
1.5测风方法
测量井巷的风量一般要在测风站内进行，在没有测风站的巷道中测风时，要选一段巷道没有漏风、支架齐全、断面规整的直线段进行测风。
空气在井巷中流动时，由于受到内外摩擦的影响，风速在巷道断面内的分布是不均匀的I如图1-1所示。在巷道轴心部分风速最大，而靠近巷道周壁风速最小，通常所说的风速是指平均风速而言，故用风表测风必须测出平均风速。为了测得巷道断面上的平均风速，测风时可采用路线法，即将风表按图1-2所示的路线均匀移动测出断面上的风速；或者采用分格定点法，如图1-3所示，即将巷道断面分为若干方格，使风表在每格内停留相等的时问，进行移动测定，然后计算出平均风速。根据断面大小，常用的有9点法、
12
点法等。
图1-1风速流动状态 图1-2 线路法测风 图1-3定点法测风
测风时，根据测风员的站立姿势不同又分为迎面法和侧身法两种。
迎面法是测风员面向风流方向，手持风速传感器，将手臂向正前方伸直进行测风。此时因测风人员立于巷道中间，阻挡了风流前进，降低了风速传感器测得的风速。为了消除测风时人体对风流的影响，须将测算的真实风速乘以校正系数(1.14)才能得出实际风速。
侧身法是测风人员背向巷道壁站立，手持风速传感器，将手臂向风流垂直方向伸直，然后测风。用侧身法测风时，测风人员立于巷道内减少了通风断面，从而增大了风速，需对测风结果进行校正，其校正系数按下式计算：
S?0.4 S?S
式中 K―--测风校正系数，
S――测风站的断面积（m2），
0.4--- 测风人员阻挡风流的断面积（m2）。
1.6测风注意事项
(1) 风速传感器度盘一侧背向风流，即测风员能看到度盘；否则，风速传感器指针会发生倒转。
(2) 风速传感器不能距人体太近，否则会引起较大的误差。
(3) 风速传感器在测量路线上移动时，速度一定要均匀。在实际工作中，这点常不被重视，由此引起的误差是很大的。如果风速传感器在巷道中心部分停留的时间长，则测量结果较实际风速偏高；反之，测量结果较实际值偏低。
(4)叶轮式风速传感器一定要与风流方向垂直，在倾斜巷道测风时，更应注意。如表1-1传感器偏角对测量结果的影响。由表1-1可知偏角10°以内时所产生的误差可忽略
不计。
表1-1传感器偏角对测量结果的影响
风度偏角/(°)
O
5
10
15
20 风表平均读数 141．O 140.5 139．O 137.5 132．O 误差/% O．35 1.42 2.50 6.50
(5) 在同一断面测风次数不应小于3，三次测量结果的最大误差不应超过5%。
(6)传感器的量程应和测定的风速相适应，否则将造成风速传感器损坏或量程不准确。
(7)为了减小测量误差，一般要求在1min时间内，使传感器从移动路线的起点到达终点。
(8)使用前还应注意传感器的校正有效期。
1.7 各类传感器性能比较
表1-2各类传感器性能的比较
矿用风速传感器的种类 优点 缺点
精度低，不能直接指示风
体积小，质量轻，可测平
机械翼式风速传感器
均速度。
测微风。
叶片有惯性运动，所以测
接近开关式
能发展遥测，精确度比机
电子翼式风速传感器 （感应式）
械翼式高，能直接指示瞬
电容式
时风速。
光电式
低也不能测。
热线式
没有惯性影响，高低风速
热效应式风速传感器 热球式
均可测，能发展遥测。
热敏电阻式 成份的影响。
结构简单，寿命长，性能稳定，不受风流的影响，精超声波风速传感器
度高，风速测量范围大。 呈非线性，受湿度和气体热敏电阻和热球的测值风速过高不能测、风速过机械翼式大，构造复杂，量值偏大，体积和质量比速，不能自动遥测，不能
通过表中的比较，可以明显的看到，设计传感器最好的选择就是超声波风速传感器。不仅结构简单，性能稳定，不受风流影响而且精度高，测量范围大。
1.8超声波风速传感器的主要特点
1.超声波旋涡式风速传感器具有如下特点(1)采用超声波涡街原理具有可动部件，可靠性高介质适应性强等特点。(2)红外线遥控调校，避免校正时干扰流场(3)采用新型单片微机和高集成数字化电路，电路结构简单，性能可靠，便于维修与调试(4)外壳采用全不锈钢材料-设计，增强了传感器的抗冲击和抗腐蚀能力
2.超声波旋涡式风速传感器具有如下优点：
（1）无可动部件，无机械磨损，性能稳定，使用寿命长；
（2）输出本身就是与风速成线性关系的脉冲频率信号，没有零点漂移，且敏感元件灵敏度变化不会直接影响输出，测量精度高；
（3）输出信号不受流体特性（温度、湿度、压力、成份、密度、粘度、矿尘等）影响；
（4）响应迅速。
第2章工作原理及设计方案
2.1工作原理
矿用风速传感器是利用卡曼涡街原理和超声波旋涡式风速传感器工作原理下面分别介绍卡曼涡街效应和旋涡式风速传感器。
2.1.1卡曼涡街原理
超声波旋涡式风速传感器是利用卡曼涡街效应设计的。在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡曼涡街，如图2-1所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。
图2-1卡曼涡街效应
vf?s?d
式中：f-漩涡频率；
s-常数；圆柱形挡体的s值为0.21；
v-未扰动流体的速度；
d-阻挡体宽度（或直径）
首先将风速转换成与风速成正比的旋涡频率，然后通过超声波将旋涡频率转换成超声波脉冲，后将超声波脉冲转换成电脉冲，从而测得风速。由于超声波旋涡式风速传感器具有寿命长，易维护，成本低等优点。因此，在矿井监控系统中获得了广泛应用。
我们知道，在流动的水中，垂直于流向插人一阻挡体，在阻挡体的下游会产生两列内旋的互相交替的旋涡。可以证明：在无限界流场中，垂直流向插入一根无限长非流线形阻挡体，阻挡体的下游将产生两列内旋、互相交替的旋涡，若对流速、阻挡体截面面积和形状作适当的限制，则旋涡频率与流速成正比：其旋涡的发生频率为 f，被测介质来流的平均速度为 V ，旋涡发生体迎面宽度为d ，交替产生的漩涡数通过压电元件检测出频率 f ，经电子线路检测后送给定时控制器、锁定寄存器进行运算处理给显示电
路进行显示。
2.1.2超声波旋涡式风速传感器工作原理：
如图2-2 所示。在风洞中设置确旋涡发生杆（即阻挡体），在阻挡体下方安装一对超声波发射器和接收器，当流动空气经过旋涡发生杆时，在其下方产生两列内旋相互交替的涡旋。由于旋涡对超声波的阻挡作用，超声波接收器将会收到强度随旋涡频率变化的超声波，即旋涡没有阻挡超声波时，接收到的超声波强度最大，旋涡正好阻挡超声波时，
接收到的超声波强度最小。超声波接收器将接收到的幅度变化的超声波转换成电信号，所经过放大、解调、整形等就可获得与风速成正比的脉冲频率。
图2-2超声波旋涡式风速传感器工作原理
当发生杆一定时，风速越大，形成的卡曼旋涡就越强，对超声波束调制度越大。当风速很低时，会形不成旋涡。为检测较低的风速，可以增大发生杆直径或提高超声波接收器的灵敏度。能产生旋涡的发生杆直径与风速关系如图
2-3 所示。
图2-3产生旋涡的发生杆直径与风速关系
超声波发射与接收器的形状、截面尺寸、相对位置、坚固程度、发射与接收器偏移角度等都会影响灵敏度。超声波发射与接收器应设置在其轴线距发生杆的距离为发生杆直径6 倍的地方，以保证线性度。超声波的工作频率应为140～150kHz，即高于风速旋涡频率两个数量级，但不要过高，过高会造成超声波在空气中传播时的严重衰减。
2.2设计方案
矿用风速传感器主要由：电源电路，发射电路，接收电路，整形电路，频流转换，就地显示组成。超声波旋涡风速传感器是利用卡曼涡街对超声波调制原理来实现对风速的测量的。传感器输出1~5mA的直流模拟信号，其值对应0~15m/s的风速值。并有就地数字显示功能。可直读风速值。与KJ1型矿井环境监测系统配套使用时，可对煤矿井下的风速进行遥测。其测量范围0.4~15m/s。
1.电源电路：由三端固定集成稳压器W和由闸流管SCR、稳压管D4组成的保护电路构成。由电源箱供给21V450mA直流电源，经本电路稳压后输出12V直流电压作为传感器的工作电路，当W由于某种原因损坏，使输出电压大于13V时，稳压管D4被击穿，闸流管SCR导通电流经SCR流入地，从而实现就地保护。
2.发射电路：该电路由电感三点式振荡器（哈特莱电路）和乙类推挽功率放大器组成。振荡器产生141.5KHz的连续等幅正弦波，由变压器输入端，经功率放大后施加到发射换能器F上。发射电压约11V，发射功率约200mW。
3.接收电路：由中频放大器、检波器、低频放大器组成。
发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级LC选频放大器组成，放大器的中心频率为141.5KHz，频带宽度为3 KHz，电压放大倍数为600~800倍，输出电压有效值为1V，当输入端短路时输出端最大噪声电压不大于4mV。
检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为5~10 mV，其值随风速增加而增大。
低频放大器采用8FC7型单电源运放构成两级放大器，每级放大约20倍，频率范围在20~1200Hz，当输入端短路时，输出端噪声电压不大于1 mV.
4.整形电路：由BG6、BG7两只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换，一路送给就地显示电路，另一路送给频率―电流转换电路。
5.频率―电流转换电路：由CMOS单稳态触发器IC4、单电源运算放大器IC5、场效应晶体管BG8和硅晶体管BG9构成。
单稳态触发器IC4输出脉冲TM由R42和C26确定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经R43、WD2、R41、R46、C27分压滤波后，输出0~1V直流电压信号，完成频率―电压转换。输出电压信号
可以由WD2在小范围内调整。
由IC5、BG8、BG9、构成恒流电路，WD为模拟负载电阻。WD5为采样电阻，IC5结成同相放大工作状态，恒流电路将0~1V直流电压信号转化成1~5mA直流电流信号，经长线输送至矿井监测系统、电源箱，从而完成频率―电流转换。
6.就地数字显示电路。由CMOS定时控制器IC6，十进制数字寄存译码器IC7、IC8、IC9和数码管等构成。
定时控制器IC6由晶体振荡器SZ和R56 、C30、C31构成晶体振荡器，产生32768Hz的振荡频率，经分频后，由IC6的12脚输出32Hz，占空比为50%的方波信号作为数码管的驱动信号。IC6 的2、3脚接入R54、R57构成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由IC3的2脚输入。R55、C29决定单稳态触发器的单稳时间，其值应取得比最小输入信号周期小些，以免前一个单稳时间尚未结束，后一个输入信号又到来。
IC7、IC8、IC9 的锁定寄存器选通信号是由IC6 的15脚供给。它是由定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的负窄脉冲信号。IC7、IC8、IC9的清零信号由IC6的11脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的正窄脉冲信号。被测脉冲由IC6的10脚输出送给IC7的计数输入端6脚进行计数。当计数时间到1秒钟时，选通信号到来，给IC7 ~IC9锁定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这1秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟的计数。当计数又到1秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值，其显示周期为
1秒，如图2-4.
图2-4风速传感器原理框图
第3章各部分电路设计
3.1电源电路的设计
电源电路的作用就是为发射电路，接收电路，整形电路，频流转换电路提供+12V电源，为就地显示电路提供+5V电源;由煤矿电源箱KDW6B提供+21V电压；为了得到+12V电压和+5V电压可以利用三端固定集成稳压器7812和稳压二极管。
三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW7900系列（负电源）。
CW7800基本应用电路：（7812）如图3-1；
图3-1
由于输出电压决定于集成稳压器，故输出电压为12V，最大电流1.5A。为使电路正常工作，要求输入电压U1比输出电压U0至少大2.5～3V。输出电容C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。一般取0.1～1uF。输出端电容C2、C3用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。V是保护二极管，用来防止输入端短路时输出电容C3所存储电荷通过稳压器放电而损坏器件。
稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个 很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。
当电压过高时要进行断电保护，还要考虑自激振荡，故设计出图3-2。
图3-2
C1、C2为电容，用于滤波；C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰，C2用以改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。R1为限流电阻；D1、 D4为稳压管二极管；SCR为晶闸管；W为7812三端固定集成稳压器。
VCC输出电压经过C1滤波，W稳压输出12V电压经C2滤波提供给后续电路，D1稳压得到5V电源给显示电路供电;当W出现故障，输出电压高于13V时稳压管D4被击穿，晶闸管SCR导通，电流经D4和SCR流入地，从而实现保护。
3.2发射电路设计
3.2.1电感三点式振荡器
振荡器的组成部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率f0能通过，使振荡器产生单一频率的输出。
正弦波振荡器按照选频网络所用的元件可以分成 LC 振荡器、 RC 振荡器和石英晶体振荡器三种。石英晶体振荡器有很高的频率稳定度，只在要求很高的场合使用。在一般家用电器中，大量使用着各种 LC 振荡器和 RC振荡器。
振荡电路的作用：是一种能量转换装置――将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路.（能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。）
振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个是反馈电压Uf 和输入电压 U i 要相等，这是振幅平衡条件。二是 Uf 和 Ui 必须相位相同，这是
相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。
电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，
1 L=L ＋ L ＋ 2M 。常用于产生几波形较差。它的振荡频率是：，其中12f0?2?LC十兆赫以下的正弦波信号。
LC振荡器的选频网络是LC谐振电路。它们的振荡频率都比较高，常见电路有 3 种。
（1）变压器反馈LC振荡电路（2）电容三点式振荡电路（3）电感三点式振荡电路 振荡电路中的放大器都是用的共发射极电路。共发射极接法的振荡器增益较高，容易起振。也可以把振荡电路中的放大器接成共基极电路形式。共基极接法的振荡器振荡频率比较高，而且频率稳定性好；故设计出由电感三点式振荡器（哈特莱电路）图3-3
图3-3 电感三点式振荡器
电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号。
电感线圈L1和L2是一个线圈，a点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示，反馈到发射极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。晶体管的输入电压和反馈电压是同相的，满足相位平衡条件的，因此电路能起振。由于晶体管的 3 个极是分别接在电感的 3 个点上的，因此被称为电感三点式振荡电路。
ZJ1为滤波网络；R4、R5、R6组成分压式偏置电路；C4为交流旁路电容；C6为隔直电容；三极管BG1为振荡管； L1、L2和C5组成并联谐振网络。根据“大电容画为导线，小电容不变；大电感开路，小电感保持；电阻省略的原则”画出交流通路图3-4：
图3-4 电感三点式振荡器的交流通路
3.2.2乙类推挽功率放大电路
图3-5 乙类推挽功率放大电路
(2)工作原理（令VBE(on)=0，即φ=90°)
Tr1完成T1、T2两管轮流工作
Tr2完成电流波形上下合成
在正弦信号激励下，iB1、iB2、iC1、iC2均为半个正弦波，UCE1、UCE2为完整正弦波
0～T/2 ：T1导通，T2截止，产生上半个正弦波iC1 ，iC1通过RL ;
T/2～T : T1截止，T2导通，产生下半个正弦波iC2 ，iC2通过RL ;
在一个周期内在RL上合成一个完整的正弦波。
由LC振荡器产生145KHz正弦波，经过乙类推挽功率放大器放大后由发射换能器转换为超声波发射出去。
图3-6 发射电路
3.2.3 相关的计算
LC振荡频率是： f 0 =
起振条件：
.1 ，其中 L=L1 ＋ L2 ＋ 2M 。 2?LC
振幅起振条件：AUF?1
相位起振条件：?a??f?2n?（n=0,1,2,3………）
平衡条件：
振荡平衡条件：AUF?1,
相位平衡条件：?a??f?2n?（n=0,1,2,3………）
AU：放大倍数；F反馈系数。
AU?UoUf ； F? UiUo
1 2?LCLC振荡频率是：f0?
3.3超声波发射/接收电路
1.超声波发射接收头压电陶瓷超声波换能器,压电陶瓷超声波换能器体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新 换代，提高市场竞争能力。
2.技术参数
发射距离:8- 10米 发射角度:30-60
灵敏度：≥-70dB / V / ubar
谐振频率：40KHZ±1KHZ（UCM―T40K1・发射用）
40KHZ±1KHZ（UCM―R40K1?接收用）
频 带 宽：2KHZ±0.5KHZ
外形尺寸：∮16mm×22.5mm
3.使用环境
温 度：-20℃~ + 60 ℃ 相对湿度：20 ± 5℃时达98%
4.使用注意事项
两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动,不宜与腐蚀性物质接触
由VT1、VT2组成正反馈回授振荡器。电路的振荡频率决定于反馈元件的T40-16，其谐振频率为40kHZ±2kHZ。频率稳定性好，不需作任何调整，并由T40-16作为换能器发出40kHZ的超声波信号。电感L1与电容C2调谐在40kHZ起作谐振作用。本电路适应电压较宽（3~12V），且频率不变。电感采用固定式，电感量5.1mH。整机工作电流约25mA。发射超声波信号大于8m。
图3-7 40kHZ超声波信号的发射电路
单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1～VT3组成的高通放大器放大，经C5，VD1检出直流分量，控制VT4，VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。可用作无线遥控摄象机快门控制、儿童玩具控制、窗帘控制等。电路中VT1的`β≥200，VT2的β≥150，其他元件自定。电路不需调试即可工作。如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上。在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于 10mA。
图3-8 40kHZ超声波信号的接收电路
3.4接收电路的设计
3.4.1 中频放大电路
发射换能器发出的超声波，经空气衰减后，被接收换能器接收，转换能量损失很大，接收换能器输出的信号很微弱，一般只有几毫伏，为了满足检波器的需要，实现大信号检波而采用了中频放大器专门对接收换能器输出的信号进行放大。中频放大器由两级LC选频放大器组成，放大器的中心频率为141.5KHz，频带宽度为3 KHz，电压放大倍数为600~800倍，输出电压有效值为1V，当输入端短路时输出端最大噪声电压不大于4mV。
中频放大器是由两级LC选频放大器组成，S为接收换能器；C8为隔直电容R11、R12为分压电阻，调节两者的比值，就可以获得BG4的基极正偏电压值。
R13、C9和R15、C11用来改善电路的温度稳定性。
图3-9 中频放大电路
3.4.2 检波电路
检波电路的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相反。检波过程也是一个频率变换过程，也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外为了取出低频有用信号，还必须使用滤波器滤除高频分量，所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。下面图3-10举二极管检波器为例说明它的工作。
图3-10 二极管检波电路
图 3-10是一个二极管检波电路。 VD 是检波元件， C 和 R 是低通滤波器。当输入的已调波信号较大时，二极管 VD 是断续工作的。正半周时，二极管导通，对 C 充电；负半周和输入电压较小时，二极管截止， C 对 R 放电。在 R 两端得到的电压
包含的频率成分很多，经过电容 C 滤除了高频部分，再经过隔直流电容 C0 的隔直流作用，在输出端就可得到还原的低频信号。
图3-11 检波电路
检波电路：即二极管包络检波（3-11）。由二极管和RC低通滤波电路组成。二极管导通时，输入信号向C充电，截止时C向R放电，再输入信号作用下，二极管不断重复导通和截止，直到充放电达到平衡，输出信号跟踪了输入信号的包络。
检波器将中频放大器输出的调幅信号中的低频漩涡信号检出送给低频放大器，检波器输出电压幅值为5~10 mV，其值随风速增加而增大。
3.4.3低频放大电路
如图3-12所示为单电源低电压带通滤波电路。
图3-12 单电源低电压带通滤波电路
该电路采用单电源运算放大器8FC7构成二阶带通滤波器，电源电压范围可从3V到30V。在决定各元件数值时，首先确定带通滤波器的中心频率f0，再按下表选用合适
的电容C(C=C1=C2)。然后选定Q值。Q值是代表选频特性的一个参量，Q值高，通带就窄。当Q=10时，可得每倍频程-40dB的频率响应特性。但Q值太大，电路稳定性差。一般Q值选择小于10。闭环增益K，应保证在不失真前提下得到尽可能大的输出幅度。一般KF小于l。
图3-13低频放大电路
如图3-13所示，低频放大器采用8FC7型单电源运放构成两级放大器，每级放大约20倍，频率范围在20~1200Hz，当输入端短路时，输出端噪声电压不大于1 mV.
3.5整形电路的设计
图3-14 整形电路
整形电路。由BG6、BG7两只硅晶体管构成，把低频放大器输出的近似正弦波信号转换成矩形波，完成波形变换如图3-15，一路送给就地显示电路，另一路送给频率―电流转换电路。
3-15 波形图
3.6频率-电流装换电路的设计
单稳态触发器IC4的作用:F / V 转换电路如图3-16所示，其工作原理是：利用输入脉冲F 的上升沿（或下降沿）触发单稳态触发器，单稳态触发器对应每一个输人脉冲的上升沿（或下降沿）都有一个恒定宽度的脉冲输出，并且输出脉冲频率与输人脉冲频率相等。该脉冲经RC 滤波器滤波后，电压V0 随输人脉冲频率的增大而增大，从而将频率信号转换电压信号。各点波形如图
3-16b 所示。
图3-16 整形波
图3-17 F/I转换电路
频率―电流转换电路。由CMOS单稳态触发器IC4、单电源运算放大器IC5、场效应晶体管BG8和硅晶体管BG9构成。
单稳态触发器IC4输出脉冲TM由R42和C26确定，由施密特整形电路输入的矩形波信号，经单稳态电路再次整形后输出脉宽恒定幅值恒定的矩形脉冲，经R43、WD2、R41、R46、C27分压滤波后，输出0~1V直流电压信号，完成频率―电压转换。输出电压信号可以由WD2在小范围内调整。
由IC5、BG8、BG9、构成恒流电路，WD为模拟负载电阻。WD5为采样电阻，IC5结成同相放大工作状态，恒流电路将0~1V直流电压信号转化成1~5mA直流电流信号，经长线输送至矿井监测系统、电源箱，从而完成频率―电流转换。
3.7显示电路的设计
显示电路是由CD4511即（BCD锁存/7段译码器/驱动器），CD4518（双BCD同步加计数器），LED显示屏构成。
1.CD4511是BCD锁存/7段译码器/驱动器，常用的显示译码器件图3-18
图3-18 七段锁存-译码-驱动器CD4511
CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器，它由4位锁存器，7段译码电路和驱动器三部分组成。
CD4511引脚功能：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
LT：3脚是测试信号的输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮全部显示。它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。
CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。
数字电路CD4511的原理（引脚及功能）
CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码―七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。
CD4511 是一片 CMOS BCD―锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如3-18图所示。其中a 、b 、c、 d 为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。a～g是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观 一般由 CD4511和CD4518配合而成一位计数显示电路，若要多位计数，只需将计数器级联，每级输出接一只 CD4511 和 LED 数码管即可。所谓共阴 LED 数码管是指 7 段 LED 的阴极是连在一起的，在应用中应接地。限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300Ω的限流电阻。
CD4511的工作原理
(1)CD4511的工作真值表如表3-1
表3-1 CD 4511的真值表
输入
LE X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
BI X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 LI 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
D X X 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C X X 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
B X X 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 X A X X 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
a 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 X b 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0
c 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 X d 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0
输出 e 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 X
f 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0
g 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0
显示 8 消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 锁存
(2).锁存功能
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。
(3).译码
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出码。
(4).消隐
BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。 消隐输出J的电平为 J=
=（C+B）D+BI
如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D
据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
2.CD4518是一个双BCD同步加计数器，由两个相同的同步4级计数器组成。 CD4518引脚功能(管脚功能)如下： 1CP、2CP：时钟输入端。 1CR、2CR：清除端。
1EN、2EN：计数允许控制端。 1Q0～1Q3：计数器输出端。 2Q0～2Q3：计数器输出端。 Vdd：正电源。 Vss：地。
四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译
图3-19 CD4518同步加计数器
CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～15.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；11脚～14脚）。
CD4518控制功能：CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平1,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低电平0,同时复位端Cr也保持低电平0,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。
将数片CD4518串行级联时，尽管每片CD4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了。需要指出，CD4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有人误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，结果发现计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。
图3-20 显示电路
如图3-20，定时控制器IC6由晶体振荡器SZ和R56 、C30、C31构成晶体振荡器，产生32768Hz的振荡频率，经分频后，由IC6的12脚输出32Hz，占空比为50%的方波信号作为数码管的驱动信号如图3-21。IC6 的2、3脚接入R54、R57构成施密特触发器，对输入的被测脉冲进行整形，被测信号由IC3的2脚输入。
图3-21 波形图
IC7、IC8、IC9 的锁定寄存器选通信号是由IC6 的15脚供给。它是由定时器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的负窄脉冲信号。IC7、IC8、IC9的清零信号由IC6的11脚供给。它是由定时控制器的窄脉冲产生器产生的间隔周期为1s，脉宽脉冲为1.5x10-5 的正窄脉冲信号。被测脉冲由IC6的10脚输出送给IC7的计数输入端6脚进行计数。当计数时间到1秒钟时，选通信号到来，给IC7 ~IC9锁定寄存器解锁，所测信号进入译码器，显示器将显示这1秒钟的测量值。选通脉冲后，液晶显示器保持测量值，同时清零信号对计数器清零。清零脉冲过后，计数器开始下一秒钟的计数。当计数又到1秒钟是，选通信号又到来，锁定寄存器又解锁，液晶显示器显示新的测量值。如此循环，显示器将不断地显示新的测量值，其显示周期为1秒。
第4章 风速传感器的应用
4.1使用前的准备
1.首先将四芯电缆插头缺口对准传感器上方插座上好旋紧。四芯电缆线在连接时，一定要严格按颜色要求接线：红色线――电源正极（电缆插头1号口），蓝色或黑色线――电源负极或信号负极（电缆插头2号口），白色或黄色线――连接分站信号线（电缆插头3号口），绿色线――不使用。
注：信号线与分站接通后传感器左侧指示灯应点亮。 2.传感器调校
(1)将传感器放置在风洞中，在无风时调节W2使信号输出为HZ或1mA。 (2)传感器量程为0―15m/s，调校分5档。风洞开到任意位置时，遥控器对准传感器按动粗调和细调上、下按钮，使传感器显示值现风洞风速相同即可 ；
(3)井下调校时，严禁用矿灯直照显示窗 。 (4)维护与修理
4.2 传感器接线
1.引出线表4-1
表引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8
引线名称 超生波接收探头正极 超生波接收探头负极
超生波发射探头负极 超生波发射探头正极
信号输出端 传感器电源负极 传感器电源正极
引线
颜色
备注 出厂时已连接 出厂时已连接 出厂时已连接 出厂时已连接 出厂时已连接 需用户连接 需用户连接 需用户连接
2.传感器输出信号类型选择拨码开关（四位平拨开关） （1）电流型时1、2、4位拨至OFF，3位拨至ON； （2）频率型时1、2拨至ON，3、4拨至OFF 3.传感器与分站的连接步骤
（1）要确定传感器输出信号的类型（电流型或频率型或开关量）；
（2）在监测系统中心站主机上进行测点定义； （3）接着在相应分站的主板上进行相应的跳线设置；
（4）通过接线盒将分站对应的模入口19芯航空插头与传感器4芯插头进行连接； （5）确认接线无误后通电进行调试。
例如井下35#分站的模入2口的第8路需要接入一频率型风速传感器步骤。 传感器为频率型输出信号；
在监测系统中心站主机由专职人员录入测点信息（分站号、通道号、传感器类型、量程、报警值等）；
按分站配接电源KDW6B时X13接线图，将井下35#分站的模入2口的航空电缆的过接线盒与传感器的四芯电缆相连；
设置分站的S15和S16跳A， S75、S76跳A，同时C、D短接； 通电进行调试。
4.3 风速传感器使用注意事项
1.使用前必须详细阅读使用说明书。
2.为保证传感器的测量精度，应保持传感器下端风道风壁的清洁，擦拭风壁时应注意不要损伤传感件的保护层。
3.矿用风速传感器的设置、调整及标定工作需在标准风洞中进行，传感器的软硬件各项参数出厂时已调整到最佳位置，无特殊情况，不得随意乱调，以免影响整机性能，特殊情况需调整时，应严格按使用说明书所述步骤进行
4.本传感器不得随意与其它未经联检的设备连接，需要配接时必须通过国家指定的检验部门的防爆联检。
5.一旦发生故障及损坏，不得随意更换元器件，与本安电路有关的元器件更换时，其规格、型号、参数必须与原来相同
4.4 维护与保养
必须指定专人负责传感器的使用和维护，应经常对传感器外壳进行清扫，防止煤尘积聚。
传感器周围环境中不应有严重腐蚀性气体，开盖操作时不得将煤泥及污水带入壳体内部。
传感器故障及排除方法见下表，表中所示内容只作参考，出现故障时还应具体分析，如无法准确判断故障原因，建议及时与生产厂家联系。
表4-2 传感器故障及排除方法
故障现象 传感器无任何显示
故障原因
1、电源线断
2、7812稳压块或滤波 电容损坏
1、某芯片损坏
LED显示不规则、
无变化
2、CD4511或CD4518损坏
3、LED显示器损坏 4、显示接口损坏
1、参数调整不合适 2、探头表面不清洁 3、发射换能器损坏 4、接收换能器损坏
断线
排除方法 检查、连接 更换 检测，更换 更换 更换 更换 重新标定 擦拭使表面清洁
更换 更换
测量数据不准
监测显示正常， 无信号输出
检查连接
结束语
看着毕业设计――矿用风速传感器呈现在自己面前，所有的心酸与委屈都化为乌有，以前觉得电脑知识掌握的还不错，可经过这次的毕业设计让我彻底认清了自己，原来真的是山外有山，人外有人。
在实训室画总的电路图，因为没有及时保存，多次因为突然地停电，我的劳动成果一而再，再而三的丢失，其中的心酸是不可言语的。但它给我的影响也是非常大的，如果我及时保存，这种情况就不会出现了。
由于诸多原因，为了方便做毕业设计，就借了一台电脑，病毒多的让人不寒而栗，使用杀毒软件结果将word杀的失去作用。考完试将全部精力都投入到毕业设计里，就在快看到光明时，U盘中毒，所有的文件都打不开。好在因为以前多次受病毒欺负，所以这次在邮箱里保存了备份，使自己的损失降到最小。就个人经验来说，我觉得大一来时就把毕业设计分配给个人，会使同学们学到更多。一路的风雨兼程，让我最后终于顺利到达重终点。
马上就要离开很多人向往的象牙塔，离开朝夕相处的老师、同学，离开这个记录我们最年轻岁月的地方；矿用风速传感器为我的大学画了一个句号。
致谢
经过近两个月的努力，我的毕业论文《矿用风速传感器》终于出炉了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
非常感谢张宏老师、尚姝钰、郭宗跃老师在我大学的最后学习阶段――毕业设计阶段给我的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，他们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给我的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！
参考文献
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温度传感器的特性及应用设计 篇6
集成温度传感器是将作为感温器件的晶体管及其外围电路集成在同一芯片上的集成化温度传感器。这类传感器已在科研，工业和家用电器等方面、广泛用于温度的精确测量和控制。
一、目的要求 1． 2． 测量温度传感器的伏安特性及温度特性，了解其应用。
利用AD590集成温度传感器，设计制作测量范围20℃～100℃的数字
显示测温装置。3． 4． 对设计的测温装置进行定标和标定实验，并测定其温度特性。写出完整的设计实验报告。
二、仪器装置
AD590集成温度传感器、变阻器、导线、数字电压表、数显温度加热设备等。
三、实验原理图
AD590
R=1KΩ
E=（0-30V）
四、实验内容与步骤
㈠测量伏安特性――确定其工作电压范围 ⒈按图摆好仪器，并用回路法连接好线路。
⒉注意，温度传感器内阻比较大，大约为20MΩ左右，电源电压E基本上都加在了温度传感器两端，即U＝E。选择R4＝1KΩ，温度传感器的输出电流I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。
⒊在0～100℃的范围内加温，选择0.0、10.0、20.0……90.0、100.0℃，分别测量在0.0、1.0、2.0……25.0、30.0V时的输出电流大小。填入数据表格。
⒋根据数据，描绘V～I特性曲线。可以看到从3V到30V，基本是一条水平线，说明在此范围内，温度传感器都能够正常工作。
⒌根据V～I特性曲线，确定工作电压范围。一般确定在5V～25V为额定工作电压范围。
㈡测量温度特性――确定其工作温度范围
⒈按图连接好线路。选择工作电压为10V，输出电流为I＝V/R4＝V（mV）/1KΩ＝│V│（μA）。
⒉升温测量：在0～100℃的范围内加热，选择0.0、10.0、20.0……90.0、100.0℃时，分别同时测量输出电流大小。将数据填入数据表格。
注意：一定要温度稳定时再读输出电流值大小。由于温度传感器的灵敏度很高，大约为k=1μA／℃，所以，温度的改变量基本等于输出电流的改变量。因此，其温度特性曲线是一条斜率为k=1的直线。⒊根据数据，描绘I～T温度特性曲线。
⒋根据I～T温度特性曲线，求出曲线斜率及灵敏度。
⒌根据I～T温度特性曲线，在线性区域内确定其工作温度范围。㈢实验数据: ⒈温度特性
结论：
由IT特性曲线可知：AD590的灵敏度为：K=1 μΑ/ ℃； 工作温度范围大于20 ℃ ～100 ℃。⒉伏安特性
由V～I特性曲线可知：温度传感器工作电压从3V到30V。（一般确定为：5V～30V）
四、探索与设计
㈠利用温度传感器，设计一个数码显示温度计
用AD590集成温度传感器制作一个热力学温度计，画出电路图，说明调节方法。
原理图 ⒈按图摆好仪器，并用回路法连接好线路。
⒉绝对零度定标：将电源负极C端认为是绝对零度T0＝－273.15℃，将电路B端认为是0℃，则从C到B，温度每变化1℃，压变化1mV，所以，UBC＝273.15mV。因此，调整R2、R3电阻大小，使UBC＝273.15mV。这就是绝对零度定标。⒊室温TS定标：同理，将温度传感器放置于室温为TS的水中，认为电路A端是TS℃。因此，应当有UAB＝│TS│mV。调整R4电阻大小，使UAB＝│TS│mV。这就是室温TS定标。
⒋升温测量：如将表头分度值标定为1℃，就从0℃开始，每升高1℃测量一次输出电压（电流）大小。如将表头分度值标定为5℃，就从0℃开始，每升高5℃测量一次输出电压（电流）大小。
⒌将升降温的数据填入数据表格，准备数据处理。
⒍根据数据，描绘（电压～温度）V～T特性曲线。根据V～T特性曲线，将数字式（或指针式）电压表重新标定为温度表。
⒎温度计的改装
: 根据左图V～T特性曲线,将电压表重新标定为温度计,间隔为5 ℃
㈡利用温度传感器设计温差温度计 ⒈原理图:
⒉温差温度计的调节方法: 按A图用回路法接好电路
绝对零度定标:将C端认为是绝对零度-273.15 ℃,将B端认为是0 ℃.调整R2,R3电阻的大小（实验如图标记）,使UBC=273.15mV 室温TS定标:将两个传感器置于室温TS的水中,认为A、D端是TS=20 ℃.调整R4、R5的大小（实验如图标记）,使UAB= UDB =20mV 再按B图接好电路
升温测量:将D端温度保持室温(20 ℃),A端每升高5 ℃测量一次输出电压 根据数据,绘制V～T特性曲线,将电压表重新标定为温差温度计 ⒊温差温度计的改装: 改装: 根据左图V～T特性曲线,将电压表重新标定为温差温度计,间隔为5 ℃㈢创新设计的优缺点: 优点: AD590互换性好,抗干扰能力强,温度与电压呈良好的线性关系,精度高
加热设备采用水浴加热,可以防止极间短路;试管中加入煤油,保证AD590与杜瓦瓶中水之间有良好的热传递 缺点: AD590的灵敏度可能不是严格的1 μA/ ℃,使温度计误差增大 升温测量中,温度不好控制
由于条件限制,温度计只能从室温开始测温 温度计表头分度值为5 ℃,灵敏度比较小
液位传感器设计论文 篇7
液位测量技术在现代工业过程控制中占有重要地位。通过测量液位获得液位的变量信号,有助于实现对液位的最优化控制。本文结合低浓度瓦斯输送安全监测系统的水位监测需求,介绍一种基于新型电容测量集成电路芯片CAV444的电容式液位传感器。该传感器具有电路结构简单、分辨率高、操作简单、对现场环境要求不高等优点,可用于许多工业场合。
1 电容式液位传感器测量原理
电容式液位传感器通过测量电容的变化来获取液位值,其工作原理如图1所示[1]。电容的两个电极分别为金属电极和容器壁。
图1中,C1为不随液位变化的等效杂散电容,C2为被测液体上部以空气为介质所形成的电容,C3为以被测液体为介质的电容,Ctest为总电容,ε1为空气的介电常数,ε2为被测液体的介电常数,H为传感电极的有效长度,H1为没入被测液体的电极长度,D为作为测量电容一极的金属容器的直径,d为传感电极的直径。可知Ctest为电容C1 、C2、C3的并联值,即
将式(1)变换为
式(2)中,第一项在测量过程中始终不变,为常数项;第二项表示随着液体高度的变化,传感器所测的电容值也相应地作线性变化。现场设定时将液体放空,测量零点标记为H1=0,对应零点电容C0;测量满度时将液体装至所测最大液位,测量满度为H1=Hspan,对应满度电容Cspan;现场所测Ctest对应的液位值为H1。测量电容随液位的变化曲线如图2所示。
由图2可得
由式(3)可知,电容式液位传感器的电容与液面高度呈线性关系,通过确定液位的零点与满度值即可得到任意高度液位的电容值。
2 传感器硬件设计
2.1 硬件组成
电容式液位传感器以电容/电压转换电路和控制模块为核心,还具有液晶显示模块、AD转换模块、DA转换模块、电源模块等,如图3所示。控制模块采用MSP430F169单片机[2],外接看门狗芯片X5045。
2.2 电容/电压转换电路
电容/电压转换电路采用德国AMG公司开发的电容/电压线性转换集成电路芯片CAV444,其最大的特点是可以直接测量电容式传感器的电容变化,并转换成电压信号输出。
CAV444测量电容时无需参考电容,而是直接测量传感器的电容值。CAV444输出的电压信号是差分电压信号,该信号的零点和满度可以简单地用2个外接电阻进行调准。CAV444既能与AD 转换器及微处理器组成一个完整的高精度测量系统,又能与变送电路组成工业上常用的三线制或二线制4～20 mA电流变送器系统。
CAV444工作原理如图4所示[3]。测量电容(传感器CM)为内置测量振荡器的电容器,CAV444通过对它充放电产生振荡信号,振荡周期与测量电容大小呈线性关系。该振荡信号通过频率/电压转换电路和低通滤波器后变为直流电压信号,经一个零点和满度可调的输出级得到预期的电压信号输出值。输出电压与内置的参考电压VREF(2.5 V)组成差分电压输出。
CAV444的电容/电压传递函数为
式中:VDIFF为差分电压;GLP为可调增益;VTPAS为经低通滤波器后的输出电压;R1为满度调节电阻;R2为输出级电阻;ΔVCM=2.1 V,由CAV444内置电阻定义(当VCC=5 V时);RCM为测量振荡器电阻;CW为频率/电压转换电路电容,
从式(4)可看出,CAV444测量的电容值CM(范围为20～2 200 pF)与输出电压呈线性关系。
CAV444在液位传感器中的部分电路如图5所示。测量电容CM的范围大小与电路中各元器件的参数选择有一定关系。本传感器中待测电容CM的范围为30～600 pF,电压输出为1.5～3.5 V。电位器SW1、SW2分别用于调节传感器的输出满度和零点。
CAV444输出的电压信号进入AD 转换器进行AD转换后进入控制模块。AD转换器采用ADI公司生产的AD7799芯片[4],它具有24位高分辨率,线性度好,功耗低,抗干扰能力强。
2.3 DA转换及电压/电流转换电路
DA转换器选用AD421芯片[5]。AD421是ADI公司推出的一种单片低功耗、高精度DA转换芯片。它由电流环路供电,16位数字信号串行输入,4～20 mA电流输出,完全符合设计智能变送器的工业控制标准信号输出要求。AD421内部含有电压调整器,可提供+5 V、+3.3 V或+3 V输出电压,还含有+1.25 V、+2.5 V基准电源,均可为器件自身或其它电路选用。
电压/电流转换电路采用专用集成芯片AM422[6]。该芯片具有多种保护功能,如极性保护和输出电流限制保护,并可以简单地将单端接地电压信号转换成工业标准的4～20 mA电流输出,非常适用于微处理器的周边电路和传感器的变送电路等。
2.4 键盘、显示电路及通信接口
传感器的按键包括DEC(减位键)、INC(增位键)、SHIFT(进入键)三个,均为独立按键。显示电路采用1602液晶显示模块,用于显示液位高度和电流大小。通信接口采用无线数传模块PTR2000将数据传输到分站或监测系统中。
3 传感器软件设计
电容式液位传感器的软件流程如图6所示。软件部分主要包括系统初始化子程序、AD转换子程序、DA转换子程序、液晶显示子程序,另外还设计了非线性补偿子程序,在线性不好的情况下可以采用插值法进行线性补偿。
4 试验
基于CAV444的电容式液位传感器作为低浓度瓦斯输送安全监测系统的部件之一,主要用于监测水位,适用于煤矿井下有煤尘和瓦斯的场所。在低浓度瓦斯输送安全监测系统中,该传感器的水位监测范围为0～450 mm,对应输出4～20 mA电流供系统它用,误差要求为满量程的±2.0%(即±9 mm)。测试时向传感器提供24 V直流电压,分别在无水和水位高度为450 mm(即满量程)时进行标定后,通过控制水位的高度来读取传感器测得的电流值。试验时,选取在水位为0 mm、112.5 mm、225.0 mm、337.5 mm和450.0 mm 5个点处读数,每个点读3个数据,取3个数据的平均值作为测试数据,结果见表1。可见该液位传感器完全满足设计要求。
5 结语
采用CAV444进行电容/电压转换的液位传感器具有电容/电压线性转换特性良好、测量范围较大以及转换精度高等特点。测试结果表明,该液位传感器性能稳定,测量精度较高,测量误差较小,满足工业现场需求。
摘要：介绍了电容式液位传感器的测量原理,提出了一种基于新型电容测量集成电路芯片CAV444的电容式液位传感器的设计方案。测试结果表明,该传感器性能稳定,测量精度较高,误差较小,能够满足低浓度瓦斯输送安全监测系统的水位监测需求。
关键词：瓦斯输送安全监测系统,水位监测,电容式液位传感器,CAV444
参考文献
[1]王鑫.电容式射频导纳物位变送器[D].上海:华东理工大学,2010.
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[4]任国兴,王晓影,杜立彬.基于AD7799的热敏电阻高精度测温系统[J].电子设计工程,2010(11):82-84.
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手持式超声波液位测试仪的设计 篇8
摘要:文章利用超声波测距原理,利用ATmega8单片机设计一种手持式液位测试仪,给出了系统构成和软件流程,并利用DS18B20进行温度补偿修正,该电路具有体积小,携带方便,精度高,易于控制等优点。
关键词:单片机 液位测试仪 ATmega8
0 引言
在工业生产中经常需要对液体原料的液位进行测量,特别是面对腐蚀性或高爆性原料时,测试环境比较恶劣。传统测量方式是采用差位分布电极方式,利用电信号来检测液位,但电极会长期浸没于液体中,容易被腐蚀造成系统失效。
1 超声波测距原理
超声波测距是一种非接触式测量方式,主要原理是:发射器定期发射超声波,遇到障碍物产生反射,由接收器接收回波信号,采用单片机进行监控,记录发射与接收的时间差Δt,然后可用以下公式得到准确的液位高度:
L1 = L-Δt*C/2
其中L是预先输入的罐体高度,C是超声波传播速度。不过超声波在空气中的传播速度受温度影响较大,与温度的关系大致可用下式来表示:
C=331.45+0.61φ(米/秒)
φ为当地气温。
2 硬件电路
液位测试仪的结构框图如图1所示,主要由控制电路(ATmega8)、键盘电路、显示电路、温度补偿电路、超声波发射驱动电路、发射换能器(T)、超声波接收检测电路和接收换能器(R)组成。
超声波的发射频率有25KHz,40KHz,75KHz等多种,一般说来,频率越高,精度越好,但在空气中衰减较大,频率低的,衰减较慢,但精度较差,综合考虑后决定采用谐振频率为40KHz超声波换能器TCT40-10F1(发射)和TCT40-10S1(接收),该器件工作距离约10m,盲区约30cm。
显示电路采用PCD8544液晶显示器,单片机通过PB口与液晶显示器相连,PD2、PD3、PC0、PC1为键盘接口,用于预置罐体高度数据,PD2控制单片机进入预置模式,PC0,PC1为增减控制,PD3为确认,控制单片机退出预置模式并启动。PC6为复位电路。
超声波发射驱动电路(如图2所示)采用以74HC04为核心的推挽式驱动电路,单片机PC3口输出40KHz的方波一路通过一级反向后加入换能器的一端,另一路通过两级反向后加入换能器的另一端,这样可以提高超声波的发射功率,继而增加最大测量距离。
超声波接收检测电路采用LM324两级反相比例放大电路和LM393比较电路组成。放大电路用于接收并放大信号,两级增益分别控制在40dB和20dB,LM393用于信号整形,整形后的信号将输入PC2口。
温度补偿电路采用美国Dallas公司的DS18B20芯片,其精度可以达到0.5℃。数据通过PC2口送入单片机。
3 软件设计
本次设计采用模块化方式,主要包括主程序、发射子程序、计算子程序、定时子程序、温度测量子程序、显示子程序和键盘子程序等7个单元模块。主程序流程图如图3所示。
4 结语
本测距仪的测量范围约为0.3-10m,误差范围约±1 cm。在程序处理时需要引入数字滤波技术,根据多次测量计算出平均值,以提高测量精度。
以ATmega8为核心,并增加温度补偿功能的手持式液位测量仪在实际使用过程中具有较高的精度,且带有预置功能,较以往产品具有更好的适应性。除了用于液位检测外,经过简单改造还可以用于机器人定位,汽车倒车报警等场合。
参考文献:
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