传感器与检测技术课程设计液位测量控制系统

福建电力职业技术学院

课程设计课程名称：传感器与检测技术课设

题目：液位测量控制系统

专业班次：

姓名：

学号：

指导教师：

学期：2011-2011学年第一学期

日期：2012.2.13-2012.2.20

摘要

在工业领域中，液位测量是一项重要的研究方法，有利于工业技术的进步和经济效益的提高，液位测量在许多控制领域已较为普遍。各种类型的液位测量传感器较多，按原理分为浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其需要设计而成，其结构、量程和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为复杂，制造成本偏高；市面上也有现成的液位计，多数成品价格惊人。以上液位计多数输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针读数，不能用于远程监视；普遍适用于静止液面，在波动液面易引起读数的波动；也有用电容法测量液位的系统，电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等特点，因此适用于测量液位，是一种简单易行的方案。

本文利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出液位测量装置。

关键词：液位测量、传感器、单片机

目录

摘要 ...................................................................................................................................................... II 第一章设计方案 .. (2)

1.1 设计原理 (2)

1.2 系统框图 (2)

第二章传感器原理 (3)

2.1传感器概述 (3)

2.2 电容式传感器原理 (3)

第三章电路设计 (4)

3.1 电容式液位计 (4)

3.2测量原理 (4)

第四章电信号放大电路设计 (6)

4.1 电容测量电路设计 (6)

4.2 放大电路 (6)

第五章 A/D转换电路及单片机接口 (7)

5.1 A/D转换器设计 (7)

5.2 与单片机的接口电路 (7)

5.3控制电路的设计 (8)

5.4 显示电路设计 (8)

第六章软件系统的设计 (10)

第七章小结 (11)

参考文献 (12)

第一章设计方案

1.1 设计原理

电容式液位传感器的工作原理取决于液体类型。对于导电液体，为了避免短路，两个传感器电极中至少有一个是绝缘的。在气—液分界面以下，液体表现为导体，因此，电容的电解质仅仅是绝缘电极。在气—液分界面以上，电解质就是绝缘电极与电极之间的空气，因而产生更小的电容。另一方面，对于非导电液体，电极不需要绝缘。在气—液分界面以下，电解质是液体（其介电常数高于空气）。而分界面以上，则是空气。对于两种类型的液体，随着液位的升高，在气液分界面以下的电极的面积也就增加，进而导致电容增大。

本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。由于传感器的输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算和调剂等。从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机，通过单片机控制水泵的运转。

1.2 系统框图

控制设备

↓

被测物理量→传感器→放大、整形、滤波→A/D转换器→单片机

↓

显示设备

这个是图，图标题呢？

第二章传感器原理

2.1传感器概述

在当今信息化时代发展过程中，各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具。传感器一般由敏感元件、转换元件和信号调理与转换电路组成，它是一种能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

2.2 电容式传感器原理

电容式液位传感器系统，利用了被测体的导电率。通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化，再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示，该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能，并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。

第三章电路设计

3.1 电容式液位计

图3—1电容式液位计结构图3—2电容式液位计原理图

如图3—2为电容式液位计结构原理图。如图所示的液位计主要由细长的不锈钢管（半径为R1）、同轴绝缘导线（半径为R0）以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量

3.2测量原理

由上图可知，当可测量液位H=0时，不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C。=2πε。L/ln(R1/R0)————（1）式

（1）式中，C。为电容量（单位为F ），ε。为容器内气体的等效介电常数，单位为F/ m， L 为液位最大高度， R1 为不锈钢管半径，R0 为绝缘导线半径，单位为m。当可测量液位为H 时，不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH CH=2πε。（L—H）/ln(R1/R0)+2πεH/ln(R1/R0)

=2πε。L/ln(R1/R0)+2π（ε—ε。）H/ln(R1/R0)————（2）式

式中，ε为容器内气体的等效介电常数，单位为F/ m。因此，当传感器内液位由零增加到H时，其电容的变化量ΔC 可由式(1) 和式(2) 得

∆C=CH—C。=2π（ε—ε。）H/ln(R1/R0)————（3）式由上式可知, 参数ε。，ε，R1 ，R0 都是定值。所以电容的变化量ΔC 与液位变化量H呈近似线性关系。因为参数ε。，ε， R1 ，R0 ，L 都是定值，由式(2)变形可得：CH = a。+ b。H ( a。和b。为常数)———— (4) 式

可见，传感器的电容量值CH的大小与电容器浸入液体的深度H 成线性关系。由此，只要测出电容值便能计算出水位。

图3—3 液位高度与电容变化曲线