咨詢熱線
18026777082（馮經(jīng)理）
咨詢熱線
18026777082（馮經(jīng)理）
咨詢熱線:華北區(qū)域：
李經(jīng)理 15343445592
華南區(qū)域：
馮經(jīng)理 18026777082
華東區(qū)域：
文經(jīng)理 13544971592
華中區(qū)域：
葉經(jīng)理 18127585813
技術支持：
葉工 13501587940
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的液位 (水位)進行自動控制。比如自動控制水箱、水池、太陽能等容器中的蓄水量，但普遍存在下列問題：
(1) 采用直流水介質(zhì)電接點型水位傳感器，因電解效應，電極極易腐蝕而導致接觸不良，可靠性低，電極壽命短；
(2) 大多數(shù)廠家水位分級僅有3～4級，分辨率也僅為80～100mm，不能滿足用戶需要；
(3) 長期使用傳感器，上面所結水垢使得測量精度產(chǎn)生較大誤差。
針對當前的熱水器控制系統(tǒng)存在的缺陷，作了必要的改進和完善：①系統(tǒng)采用磁致伸縮液位傳感器，通過測量發(fā)射電流脈沖和接收到回波信號之間的時間間隔來確定具體的位置信息；
②針對水位、水溫傳感器上產(chǎn)生水垢而影響導電性方面，系統(tǒng)特別安裝了超聲波除垢系統(tǒng)，定時除去傳感器上的水垢，保持感應性能穩(wěn)定。由于傳感器敏感元件與測量介質(zhì)之間不直接接觸，提高了測量精度和線性度。
1、系統(tǒng)設計原理
控制系統(tǒng)以89C55WD單片機為核心，由水位、溫度控制電路、時鐘電路、鍵盤電路、液晶顯示電路、加水電磁閥控制電路和超聲波除垢系統(tǒng)組成。液晶顯示電路、時鐘芯片和MC14433均使用P0口 , 通過片選電路使它們各自起作用。溫度探測是利用裝于磁致伸縮傳感器外管與波導管之間的鉑熱電阻(6個)，可測定儲罐內(nèi)平均溫度。鍵盤電路用P1口掃描，通過IN T0接口向單片機提供中斷信號。P2口經(jīng)過74HC244 驅(qū)動后，控制上水、蜂鳴器和超聲波除垢器工作。
水位控制電路可實現(xiàn)連續(xù)顯示水位，由磁致伸縮液位傳感元件、激勵脈沖發(fā)生器、信號濾波放大、輸入保護電路、積分放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。脈沖發(fā)生器強電流脈沖信號給磁致伸縮線，作為起始脈沖，并開始計時，該電流在磁致伸縮線產(chǎn)生磁場，并使磁致伸縮線產(chǎn)生扭動，產(chǎn)生扭應力波。這個扭應力波到達水位時，在回波信號處理下，檢出水位感應脈沖電流，為終止脈沖。再利用差模電壓比較，產(chǎn)生一個脈沖寬度反比于水位的PWM信號。通過積分后通過電路調(diào)整得到一個工業(yè)標準電壓信號，傳給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路MC14433 送給單片機，通過計算發(fā)送激勵脈沖的時間和接收到回波的時間，計算時間差ΔT，再根據(jù)超聲波的傳播速度ν，可計算出檢出頭與液面之間的距離L0=ν3ΔT，而容器的總深度L1已知，即可得出L=L1- L0，最終，電壓幅度隨著水位位置的改變呈線性變化輸出。
2、系統(tǒng)硬件設計
2.1.1 水溫采集及顯示
實現(xiàn)溫度測量和控制的關鍵是選擇合適的溫度傳感器。采用鉑為測溫元件，鉑熱電阻具有較好的電阻系數(shù)，較大的電阻率，它對溫度的靈敏度高，對溫度變化的反應速度快 ,電阻溫度特性較好。由于鉑熱電阻阻值與溫度之間的關系是非線性 , 其關系式為
Rt=Ro(I+αt+βt2 ) (1)式中，Rt為鉑熱電阻的電阻值；Ro為鉑熱電阻在0℃時的電阻值，R =100Ω；α為一階溫度系數(shù)，α= 31908×10-3(℃)；β為二階溫度系數(shù)，β=51802×10-7(℃) 。因此，在設計測溫電路時，先測量的是鉑電阻的電壓量 , 因而需由鉑熱電阻的電阻值推導出相應的電壓值與溫度之間的函數(shù)關系為Ut=f(Rt)=f[f(t)](2)為了提高測量精度，減少誤差，采用三導線單臂電橋測量，經(jīng)放大和A/D處理，輸入到單片機進行實時顯示。單片機只需一根RXD串口線與之通信，每隔30s讀取一次數(shù)據(jù) ,這樣既能實時地讀取水的溫度值，還能節(jié)省單片機的時間。
顯示系統(tǒng)采用液晶顯示模塊，液晶顯示不僅具有功耗低、視覺效果好的優(yōu)點，而且液晶顯示模塊可以顯示菜單，使人機界面達到更高的層次。實現(xiàn)功能：(1) 實時顯示時間、溫度、水位；(2) 顯示設置菜單 (包括：定時設定、溫度設定、水位設定、時間調(diào)整、超聲波除垢)。
2.1.2 水位測量
2.1.2.1.1 水位測量模塊介紹
水位測量模塊處理電路中涉及的關鍵技術有：(1) 需要產(chǎn)生一個足夠能量的周期激勵脈沖電流信號，該脈沖信號在波導絲周圍感應出周期脈沖環(huán)形磁場，需要足夠大的電流強度；(2) 利用脈寬調(diào)制技術 (PWM)，實現(xiàn)電壓峰值或零位比較檢波，通過發(fā)射電流脈沖到接收到回波信號，確定扭轉(zhuǎn)彈性波在波導絲中的傳播時間。
2.1.2.1.2 激勵脈沖電路
激勵脈沖發(fā)生電路包括多諧振蕩電路、場效應管驅(qū)動電路及充放電電路。在磁致伸縮傳感器中，需要對波導絲施加瞬間高壓脈沖，激發(fā)脈沖超聲波。利用電容瞬間放電的方法實現(xiàn)，電路由N溝道絕緣柵場效應管、旁路電阻、儲存能量電容和二極管組成。在場效應管Q 的柵極輸入控制脈沖，當Q的柵極為低電位時，柵-源極電壓差為零 , Q關斷，儲存能量電容C通過旁路電阻R9和二極管D1充電，充電時間由時間常數(shù)決定。若Q導通，C存儲的能量通過Q及D2向波導絲放電，在波導絲中激發(fā)出超聲波。R10用于調(diào)節(jié)激發(fā)能量，改變激發(fā)超聲波幅值的大小。
綜合考慮到電路中可能存在的諸多干擾，以及所選用器件需要承受大電流，將關鍵器件場效應管選為IRF840型，可以承受8A電流。驅(qū)動電路由起緩沖作用的電壓跟隨器UC3140、電阻及一對小功率開關三極管組成。當控制信號為低電平時，UC3140輸出低電平，切效應管Q截止；當控制信號為高電平時，UC3140輸出高電平，雙極型三極管Q1、Q2對管的基極電位為高電位，場效應管Q導通。R7的作用是與功率三極管基極相連，在基極回路中形成電流。這樣通過三極管對管和場效應對管驅(qū)動，可以提高帶容性負載的能力，具有較大的峰值電流，且可以提高開關速度。
2.1.2.1.3方波激勵電路
波激勵信號的產(chǎn)生采用的脈沖發(fā)生電路主要芯片為555，由于傳感器輸出端信號的幅度只有15mV左右，需要增設放大電路，以便更準確地測得回波信號。采用LM318精密高速運算放大器可以滿足要求，LM318具有15MHz小信號帶寬，保證50V/μs的轉(zhuǎn)換速度，在將信號放大100倍后，仍然可以保證約100kHz的帶寬。
為了消除雜波干擾，還需要在放大電路后面增加濾波電路。激發(fā)出的超聲波頻率一般為幾十～幾百kHz。采用有源濾波的形式，設計高通和低通濾波器，使得頻率為10～500kHz的信號可以通過，經(jīng)過試驗測得電路濾波范圍可以達到918～468kHz。
2.1.3 超聲波除垢
系統(tǒng)在一定時間會啟動超聲波發(fā)生器，去除探頭上水垢。其機理是 : (1) 超聲波破壞了垢物生成和其在器壁上的板結條件，使成垢物在溶液中形成分散的垢結晶；(2) 超聲波的空化作用，使液體內(nèi)產(chǎn)生大量空穴和高壓氣泡，當其破裂時，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生強大的壓力峰，使成垢物變成小垢物懸浮于液體中；(3) 超聲波在垢層和器壁中的傳播速度不同，產(chǎn)生速度差，在其界面形成剪切力，導致垢物與界面的結合力降低，致使垢層脫落。
3、系統(tǒng)軟件設計
控制系統(tǒng)的軟件流程主程序首先完成對并行口、串行口和中斷源的初始化，設置初始運行參數(shù)，開中斷 ,顯示水溫、水位和時間，然后掃描水位和水溫，并且時刻響應鍵盤電路和時鐘電路的中斷。判斷水位的高低，由單片機控制電磁閥開啟，到了設定水位，關電磁閥，程序返回。在系統(tǒng)工作期間，液晶顯示器將隨時顯示水溫、水位和時間。當按下鍵盤上的開/關鍵時，將系統(tǒng)關閉，液晶顯示屏和蜂鳴器關閉 ,此時單片機除了響應鍵盤的開/關鍵和時鐘中斷外將不響應外界的任何事件，處于“睡眠狀態(tài)”, 時鐘芯片DS12887會一直處于工作狀態(tài)，以保證系統(tǒng)能照常計時。
4、系統(tǒng)性能測試及分析
基于磁致伸縮液位傳感器水位測量的誤差主要表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差，它取決于傳感器的波導絲材料性能的穩(wěn)定性，波導絲表面光滑度，材料缺陷的多少，電路系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和抗干擾能力，特別是環(huán)境溫度變化使液體密度變化產(chǎn)生的誤差以及由于溫度變化使扭波波速變化引起的誤差。
4.1.1 線性度
在測量0～1m范圍內(nèi)，移動傳感器浮子，每隔10cm記一組數(shù)據(jù)，測量 20組數(shù)據(jù)。輸出電流對應的位移與浮子實際曲線擬合得較好，系統(tǒng)線性度較高。
4.1.2 穩(wěn)定性
把浮子固定在某一位置，改變環(huán)境溫度，使系統(tǒng)在10～60℃之間變化，記錄的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在10～60℃之間的溫漂穩(wěn)定性誤差為119mm，這主要是由于材料性能隨著溫度的變化而發(fā)生變化，引起扭轉(zhuǎn)波速的變化，此外，溫度變化對電子元器件的影響也是造成誤差的原因，可以考慮加入溫度補償電路來減小誤差。
5、結 論
該控制系統(tǒng)具有很強的實用性，采用磁致縮液位傳感器，它沒有強烈的運動部件，結構簡單，防雷擊，核心材料磁致伸縮絲對于聲波的傳遞特性不發(fā)生變化，因而產(chǎn)品十分穩(wěn)定。實時性好，磁致伸縮液位傳感器是連續(xù)的實時測量，有利于水位實時監(jiān)控，有較好的應用和推廣價值。
聯(lián)系方式：
華北區(qū)域：李經(jīng)理 15343445592
華南區(qū)域：馮經(jīng)理 18026777082
華東區(qū)域：文經(jīng)理 13544971592
華中區(qū)域：葉經(jīng)理 18127585813
技術支持：葉工 13501587940?
郵箱：wenlan@szbadens.com
地址：廣東省深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)街道灣區(qū)人工智能產(chǎn)業(yè)園B棟410
