工程测试技术课程设计

西安工业大学
工程测试技术课程设计
报告书
设计题目：太阳能热水器水位测量控制设计院系：机电工程学院
班级：110202
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学号：*********
目录
一、摘要……………………………………１
二、设计任务………………………………２
三、设计方案………………………………２
１、设计目的…………………………２
２、方案设计…………………………２
３、方案的比较选择…………………３四、设计方法………………………………４
１、选择传感器………………………４
２、电路图设计………………………６
３、Ａ／Ｄ转换器的选择……………７
五、结论……………………………………１０
六、参考文献………………………………１１
一、摘要
太阳能热水器（Solar water heater）是指以太阳能作为能源进行加热的热水器。

是与燃气热水器、电热水器相并列的三大热水器之一。

太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。

家庭中太阳能热水器的使用是很普遍的，但是给太阳能加水的控制是令人思索的，所以本文设计了太阳能热水器的水位测量控制，通过对水位的测量控制达到使太阳能水箱中的水保持在一定的范围内，以方便人们在日常生活中的应用。

二、设计任务
1、利用传感器测量太阳能热水器水位，转换为电信号，然后进行调制、滤波，放大等，最后通过A/D转换器转换为数字信号，传输给计算机处理。

2、基本要求：
（1）选择合适的传感器与A/D转换器
（2）设计检测电路
（3）绘制结构原理电路图
（4）编制设计说明书
三、设计方案
1、设计目的
太阳能热水器普遍应用于居家生活，为解决水箱水位的控制，设计水位控制方法，以达到太阳能热水器水位控制，方便人们应用。

2、方案设计
方案一：在水箱底部安装压力传感器，压力传感器连接进水阀的自动控制电路，压力传感器将水箱中水产生的压力转变成电信号，再有控制电路控制进水阀是否给水箱供水。

压力传感器采集水箱中水产生的压力，当压力小于预设的最小值时，控制电路触发进水阀开关，打开阀门进水，随着给水箱供水，水对压力传感器的压力也增加，当压力增大到预设的最大值时，压力传感器产生的信号使控制电路关
闭进水阀，停止供水。

如图1
方案二：在水箱中安装介质变化型的电容传感器，通过电容传感器将液位高度变化转化为相应的电容变化，再通过设计电路将电容变化转化为电压电平的变化，经A/D转换器转换为数字信号，通过计算机对水位进行测量控制。

电容传感器采用电容器为传感元件，将不同的物理量的变化转换为电容量的变化。

如图2
3、方案的比较选择
方案一与方案二比较，方案一需要设计或购买一个压力传感器或压力水位计，而方案二则只需要一个电容器（水是导电的）；方案一的电路部分要比方案二要复杂，并且方案一本设计是用单片机控制，需要设计程序，方案二则只需设计
一个电路，然后通过A/D转换器变化为数字信号，不需要设计程序，更简单方便。

综合比较，方案二更符合设计要求。

四、设计方法
1、选择传感器。

在模拟式位移测量方法中，是将被测位移量转化为模拟量信号，常用的传感器主要有：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、光电式传感器等。

由于是测量太阳能热水器水箱的水位，所以我们选择电容式传感器。

电容传感器采用电容器为传感元件，将不同的物理量的变化转换为电容量的变化。

工作原理可通过图3所示的平板电容器来加以解释。

忽略边缘效应，一平板电容器的电容可表达为：
式中：A----极板面积，m ;
ε----真空介电常数，
ε----极板间介质的介电常数，当介质为空气时
δ----两极板间距离，m。

由上式可知，改变A、ε或δ的任何一个参数都能引起电容值的变化，即：
据此可做成不同的传感器，通常可分为间隙变化型、面积变化型、介质变化型。

间隙变化型电容传感器是非接触式测量，因而对被测量影响小，灵敏度高，测量范围最大可达到1mm，非线性误差约为满量程的1%-3%，测量的频率范围为0-10 Hz,对温度变化比较敏感，缺点是具有非线性特性，因此，限制了它的测量范围，且其内阻很大；面积变化型电容传感器最大的优点是其输入与输出是一种线性关系，缺点是电容的横向灵敏度较大，测量精度较低；而介质型电容传感器通常用于测量非导电液体和松散物料的液位或填充高度的测量。

所以选择介质变化型电容传感器。

介质变化型电容传感器设计原理：
如图4，通过改变介质改变电容，其中介质2插入电容器中一定深度，这种结构相当于将两个电容器作并联，此时
的总电容由两部分做成；电容C（介电常数ε，极板面积b (l -l)）和电容C（介电常数ε，极板面积b l）由此得：
为分析方便，同样设介质1为空气，因此ε =1，又设介质全部为空气的电容器的电容为C ，则，由于介质2的插入所引起的电容C的相对变化正比于插入深度l：
结构图如图5：
２、电路图设计
（１）一阶ＲＣ有源滤波器
（２）放大电路
（３）ＲＣ高通滤波器
３、A/D转换器的选择
A/D转换就是模数转换，也可以是整流。

顾名思义，就是把模拟信号转换成数字信号。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。

但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D转换四步骤：采样、保持、量化、编码。

A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位、14位和16位等。

A/D转换器的工作原理主要有三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。

逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。

采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。

基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从
重到轻逐级增减砝码进行试探。

转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。

逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。

基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。

计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。

采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成，它的工作原理是V/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。

在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。

通过对这三种方法的比较选择逐次逼近式A/D转换器ADC0809，其内部结构由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

ADC0809引脚图如图６所示：
下面说明各引脚功能：
IN0～IN7：8路模拟量输入端。

2-1～2-8：8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。

START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。

当A/D
转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHz。

REF（+）、REF（-）：基准电压。

Vcc：电源，单一+5V。

GND：地
五、结论
通过对太阳能水位测量控制设计，解决了水箱水位的问题。

在设计过程中应用到了很多方面的知识，电容传感器的选择，滤波和放大电路的设计，还有Ａ／Ｄ转换器的应用。

这次设计不仅加深了我对工程测试技术这门课程的了解，而且在查询资料的过程中也学到了很多课本中没有的知识。

由于时间有限，设计方案可能会有一些不足之处，希望下次能做得更好。

六、参考文献：
【１】工程测试技术西安工业大学出版社
【２】尚雅层，侯志敏机电控制基础机械工业出版社
【３】王建国，傅妍芳微型计算机原理与接口技术中国铁路出版社
【４】秦曾煌电工学高等教育出版社。