电容式液位传感器设计

河南城建学院

《安全检测与监控》课程设计

班级 0232131

学号 0

姓名李保林

专业安全工程

课程名称安全检测与监控

指导教师祁林王曦

市政与环境工程学院

2014年12月26日

第一部分：方案论证 (1)

设计原理 (1)

第二部分：单元电路设计 (2)

传感器设计 (2)

传感器原理 (2)

传感器的组成 (2)

测量原理 (3)

将电容转化成电信号部分 (4)

电信号放大电路设计 (4)

A/D转换器设计 (5)

控制电路的设计 (7)

显示电路设计 (8)

软件系统的设计 (10)

第三部分：元器件清单 (14)

第一部分：方案论证

设计原理

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。由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。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。显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。该显示接口用一片MC14499和单片机连接以驱动数码管。

．系统框图

被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。

传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。

放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。

A/D转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。

单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。

显示设备：在此用到8段数码管。

控制设备：控制电动机的运行或关闭。

第二部分：单元电路设计

传感器设计

2.1.1传感器原理

电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 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。

2.1.2传感器的组成

图2-1-2 为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(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。

图2-1-2传感器原理图

2.1.3 测量原理

由图1 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C0 , 根据文献得到电容量为:

（1）式中, C0 为电容量, 单位为F ; ε0 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 :

（2）

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（3）由式可知, 参数ε0 , 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ε0 , ε, R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 变形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 为常数) (4)。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。

将电容转化成电信号部分

采用运算法测量电路来转化。该电路由传感器Ｃｘ和固定的标准电容Ｃｏ以及运算放大器A组成，如图2-2所示。

图2-2 运算放大器测量电路原理图

电信号放大电路设计

由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图2-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路.

图2-3 比例放大电路

要将30mV电压放大成5V，根据公式U=-（R1/R2）Uo,所以选择R1=500K,R2=3K，R4=R1ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D 转换的，由单一的+5V供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us 左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。

ADC0809与单片机的接口电路

图2-4 ADC0809与单片机的接口电路

控制电路的设计

控制电路在这里起到非常重要的作用，在水位测量中测量到水罐中水位的高度，当水位高于水位时，电动机停转，水泵停止对水罐供水；当水位低于水位时，电动机起转，水泵开始对水罐供水。其电路图如图2-5所示。

用MCS - 51系列单片机作为控制核心的水位测量计,其数据输出既可以通过单片机的通用I/O口输出,也可以通过单片机的串口用串行方式输出。这里假设使用的单片机是8051 ,单片机的P1口为数据输出口, 显示器采用共阴极8段LED, 显示位数为4位,由于一片MC14499 可以驱动4 个LED 显示器,因此该显示接口只需用一片MC14499和单片机连接。图是该动态显示接口的原理图。用来向MC14499 发送数据,用来向MC14499发送时钟脉冲,用于控制单片机输出数据向MC14499串行输入(当 = 0时,允许MC14499输入数据)。反相器74LS06作为显示器的位驱动, 8 个47Ω的电阻是LED 的限流电阻, 3个Ω的电阻是上拉