基于压力传感器的液位检测系统

信息与通信工程学院现代传感技术课程设计

2014年5月

基于压力传感器的液位检测系统

前言

液位的测量和控制在工农业生产和社会生活中有广泛应用,迄今为止,在各行各业的应用中,对液位的测量和控制采用的方法比较多,也相应的不断有实际产品问世。液位测量的方法可以大体上归纳如下:电子类液位测量法、浮子法、人工检尺法、超声波法、光纤传感器法。这几种方法,各自针对不同的实际问题有不同的测量特点。

本系统采用的方法属于电子类液位测量法,将高精度压力传感器放在待测液位容器底部,当液位高度变化时,容器底部液体压力会发生变化,因此压力传感器输出的电信号也会发生变化,通过电子线路处理传感器输出的电信号,再经过数字化及计算机处理,可以得到液位变化的数字,经过精确标定可以得到液位及其变化的准确数字。

1.技术指标

(1) 适用温度范围：-30℃~100℃

(2) 测量精度要求：毫米级，即0.001m

(3) 液位深度10米以下，压力范围100KPa

(4) 对液位变化有比较高的灵敏度

(5) 液位高度实时显示

(6) 通过按键可以调节预设液位深度，以达到对控制阀的开闭

2.传感器选型

压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条，并将它们接成一个惠斯登电桥，如图1所示。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。

图1 惠斯登电桥

Motorola 公司生产的X 型硅压力传感器则可以克服上述缺点。如图2 所示，与惠斯登电桥不同，Motorola 专利技术采用单个X 型电阻元件，而不是电桥结构，其压敏

电阻元件呈X 型，因而称为X型压力传感器。该X 型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计算机控制的激光修正技术，温度补偿技术，使Motorola 硅MPX 系列压力传感器的精度很高，其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。此系列中的MPX2100DP压力传感器是一种高精度硅压式压力传感器，根据技术要求，本系统中对传感器的精度要求较高，且要有比较好的灵敏度本系统采用MPX2100DP 作为压力传感器，可以很好地满足系统的要求。

图2 X型传感器结构框图

它具有如下特点：

（1）由于采用激光微调技术，使电桥零漂输出很小，一般小于±1mV；

（2）传感器灵敏度较高，为40mV±1.5mV；

（3）传感器由热敏电阻组成温度补偿网络，在-40℃~ +125℃范围内有较好的温度补偿效果，从而提高了传感器的精度；

（4）具有极好的线性度（±0.25%F.S）；

（5）有较宽的工作温度范围（-40℃~ +125℃）；

（6）允许过载大（400%）。

3.系统原理框图

本系统的设计旨在用于测量某种液体在某一特定环境下的液位深度，以便于对液位深度进行实时的获取，并根据液位深度与预设值进行比较，控制液位高度开关阀的开闭，对液位高度进行调整。系统要求有一个良好的人机界面，以便于管理。将MPX2100DP 传感器至于液体底部，当液位发生变化时，压力传感器收到的压力值发生变化，它将这种变化的压力值反映在其输出变化的电压值，但是由于其输出的电压值太小，因此需要经过信号调理电路进行调理，实际上就是对小的压力值进行线性的放大过程，以便于后期对电压值的获取。由于单片机处理的是数字信号，而压力传感器输出的电压值是连续变化的模拟信号，因此需要经过A/D转换电路，将模拟信号数字化，便于单片机进行处理。数字化后的压力值输入单片机，经过处理，在LCD上对液位值进行实时显示，并可通过键盘进行初始值的预设，并可通过液位值与预设值之间的比较，控制开关阀的开闭，以达到实时获取液位并可控制液位高度的目的。根据上述过程，画出的系统框图如图3所示。

图3 系统原理框图

3.1信号调理电路 信号调理电路即信号放大电路，压力传感器将压力信号转化为比较微弱的电信号，该信号不易于后期的处理，因此需要将其进行线性的放大处理。压力传感器MPX2100DP 的供电电压取为8V ，它的满量程输出x 由下式确定：

x =40mV ×8V/10V =32mV （1）

对于电压输出逻辑电平定为 5V ，显然32mV 的电压要进行适当的放大。本系统中采用MC33274仪表放大器。其与压力传感器的连接如图4所示。放大器MC33274是四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可 调节偏置电路。差模放大主要由U1A 完成，U1B 为电压跟随器，用来防止运放的反馈 电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2 和4 端之间的电压差为零。设2 端和4 端的共模电压各为4V （传感器电源电压的一半），则U1A 的端电压也是4V ，该电压经U1C 和U1D 电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4 和RP1 引入。R7 值的选择从13 端看过去的阻抗约为1k Ω，放大器的增益为：

12511265=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=R R R R A V (2) 选择 125 的增益使传感器满量程输出摆幅32mV 可放大到125×0.032 = 4V （为电源电压的一半）。

图4 信号调理电路

3.2A/D转换通道

由于本系统要求有较高的精度，经信号调理电路放大的电压信号进入A/D转换通道也要求有比较高的转换精度，因此本系统采用美国模拟器件生产厂商AD公司生产的8通道12位的数模转换芯片AD7888，它是高速、低功耗的12位AD转换器，单电源供电，电压范围为：2.7V--5.25V转换速率高达125Kbps,输入跟踪保持信号的最小时间间隔为500ns，单端采样方式，包含8个单端模拟输入通道，每一通道的模拟输入范围为

0--Vref，AD7888芯片内部含有2.5V电压基准，可用于模数转换的基准源，管脚REF in/REF out允许用户使用这一基准源，也可以反过来驱动这一管脚，向AD7888外部提供外部基准，基准电压范围为：1.2V--VDD，该器件采用16脚的SOIC和TSSOP外形封装，如图5所示。可以选择多种电源管理模式（包括数据转换结束后自动处于掉电模式），与多种串行接口兼容。在AD7888中，有一个8位的控制寄存器，是只写寄存器，用于单片机对AD7888进行记忆存储。控制寄存器的数据在时钟SCLK上升沿有DIN引脚输入，在时钟信号的上升沿同时获取模拟转换的结果。每次数据的传输需要准备16个连续的时钟信号，控制寄存器的数据只能在片选信号的下降后的前8个时钟脉冲的上升沿装入控制寄存器。

图5 A D7888封装图

但是AD7888数字信号不是并行输出，而是从DOUT口串行的输出，又由于本系统要求只能对液位进行监测，所以要加入单片机，以此来达到对整体系统进行控制的目的。而且为满足与AD7888串行的接口标准，选用的单片机做好要具备SPI接口。SPI即串行外围设备接口（serial peripheral interface）总线技术是Motorola公司推出的一种