一种智能液位检测仪的设计.doc

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一种智能液位检测仪的设计
TheDesignofAnIntelligentLiquidLevelInstrumentr
摘要：设计一种多功能智能化液位检测装置，采用ATmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。
关键词：智能液位仪；柱形电容；电容频率转换；单片机
Abstract:Amultiplefunctionsintelligentliquidlevelinstrumentisdesigned.ItemploystheATmega8asacoreofhardwarecircuit.,usescolumncapacitanceasliquidlevelsensor,utilizescapacitance-frequencyconversionprinciple,andmakesuseofsinglechipmicrocontrollerdetectingfrequencyandsoftwarecalculatingliquidlevelheight.Thisinstrumenthasgettingridoffluctuationofliquidsurface,usingsoftwaretemperaturecompensastion,linearcorrection,consumerselfcorrection,communicationandselectingmultipleliquids,Etc..
Keywords:Intelligentliquidlevelinstrument,Columncapacitance，Capacitancefrequencyconversion,Singlechipmicrocontroller
1引言
图1电容传感器
液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测装置也不少，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式、电容式等[1,2,3,4,5]，这各种方法都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度各有特色,适用于各自的场合,但都是基于固定液箱液位检测而设计。市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，绝大多数价格惊人。以上液位计普遍存在以下缺陷:1)输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针显示，不能用于远程监视；2)系统普遍适用于静止液面测量，对于行走式的波动液面测量不准；3)一般液位仪在使用一定时间后，由于传感器和电子元件性能变化都会引起精度下降，多数没有自校正功能。为此，设计一种具有远距离监视、用户自校正、能消除液面波动等功能的、智能化程度较高的液位仪。利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出一种能检测多种液体的、适合于运动和静止液箱的智能液位检测仪。
2硬件设计
本装置硬件电路由AVR单片机Atmega8芯片、RS232接口、数字温度传感器DS18B20、555振荡器、报警、按键和显示等电路组成，如图2所示。
单片机采用Atmega8,其内部有8K的flash和512字节的E2PROM，可以直接写入程序和在线保存用户数据。
圆柱形电容传感器采用如图1所示结构，主要由两个金属构成同心圆柱构成，其中1为内筒；2为外筒；3为上下固定端子，在内外筒之间开有小孔，能让水和空气自由流通，但孔较小，对外部波动液面有缓冲作用；4为电容引出屏蔽线，中心接内筒，边线接外筒再接电路板的地，可防止干扰；5为待测液体。
图2的555振荡电路的A、B两点按电容传感器，线中心接A，边线接B。其它电路这里不再详述。
根据圆柱形电容的理论（下面以水为例进行水位与电容的关系推算）其容量为:
C=C1+C2=+C0+（1）
其中，。振荡频率为：
图2硬件电路原理

Hz（2）
由于水的相对介电常数随温度变化比较明显，以20℃为基准，在0-50℃之间，可以近似用下在的式子来表示：
（3）
取电容传感器总长度为L=100cm,将式（3）代入式（2）可得：
cm(4)
其中，=，即液位高度为0时的频率，为液位高度不同时的实时频率，T为实时水温，为了简便第二项取。
在式（4）中，将相对介电常数换成油或其它液介质介电常数及各自与温度的关系即可得出不同液位的高度公式，这里不再详述。
3软件设计
根据硬件电路原理，利用单片机测出频率和水温T即可由式（4）利用软件计算得到液位的高度。单片软件如图3至图5所示，图3为系统主程序流程图，图4为液位测量流程图，图5为液位校正流程图。其它测频、测温、通