【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 根據(jù)體積公式可以計(jì)算出液體的體積： 由：V=SH知，若要求體積首席需要計(jì)算出圓柱形液位管內(nèi)管的底面積； 由：S=πr2，可得底面積，因?yàn)閮?nèi)徑為已知量，所以S為已知量；所以：V=SH； V=πr2H；由：m=ρV； m=ρπr2H；可以計(jì)算出不同高度對(duì)應(yīng)的液體質(zhì)量。硬件介紹該傳感器工作原理為：當(dāng)有一定的壓力作用在傳感器檢測(cè)頭上時(shí)，傳感器內(nèi)部會(huì)有一定微弱的電壓變化，通過(guò)采樣該電壓信號(hào)的變化檢測(cè)重物的重量變化，從而計(jì)算出液位的高度。該傳感器內(nèi)部主要電路為電橋，當(dāng)有一定壓力作用在傳感器檢測(cè)頭上面時(shí)就會(huì)引起電阻的變化，從而使輸出信號(hào)發(fā)生變化，壓力不同輸出的電壓大小也不同，該信號(hào)呈線性變化，電路如下圖210所示。原理圖圖210 稱重傳感器內(nèi)部電路 A/D轉(zhuǎn)換電路參數(shù)介紹液位檢測(cè)元件輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，而本設(shè)計(jì)中所使用的單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此這里需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這里就需要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片。本設(shè)計(jì)中使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片型號(hào)為AD7705，該芯片是一款16位AD轉(zhuǎn)換器，AD7705芯片是帶有自校正功能的ΣΔ于A/D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部由多路模擬開(kāi)關(guān)、緩沖器、可編程增益放大器（PGA）、ΣΔ調(diào)制器、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓輸入、時(shí)鐘電路及串行接口組成。其中串行接口包括寄存器組，它由通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)輸出寄存器、零點(diǎn)校正寄存器和滿程校正寄存器等組成。該芯片還包括2通道差分輸入（AD7705）和3種偽差分通道輸入（AD7706）。AD7705的PGA可通過(guò)指令設(shè)定，對(duì)不同幅度的輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)1364和128倍的放大，因此AD7705芯片既可接受從傳感器送來(lái)的低電平輸入信號(hào)，亦可接受高電平（10V）信號(hào)，它運(yùn)用Σ―Δ技術(shù)實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼性能；它的輸出速度同樣可由指令設(shè)定，范圍由20Hz到500Hz；它能夠通過(guò)指令設(shè)定對(duì)零點(diǎn)和滿程進(jìn)行校正；AD7705與微處理器的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)串行方式進(jìn)行，采用了節(jié)省端口線的通訊方式，最少只占用單片機(jī)的兩條端口線?！D7705是雙通道全差分模擬輸入，而AD7706是3通道偽差分模擬輸入，二者都帶有一個(gè)差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為5V、這二種器件都可將輸入信號(hào)范圍從0～+20mV到0～+。還可處理177。20mV～177。，對(duì)于AD7705是以AIN()輸入端為參考點(diǎn)，當(dāng)電源電壓為3V、可處理0～+10mV到0～+，它的雙極性輸入信號(hào)范圍是177。10mV到177。因此，AD7705可以實(shí)現(xiàn)2通道系統(tǒng)所有信號(hào)的調(diào)理和轉(zhuǎn)換。增益值、信號(hào)極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來(lái)配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。 CMOS結(jié)構(gòu)確保器件具有極低功耗，掉電模式減少等待時(shí)的功耗至20μW（典型值）。AD7705采用16腳塑料雙列直插（DIP）和16腳寬體（）SOIC封裝和16腳TSSOP封裝。主要參數(shù)介紹如下：●AD7705：2個(gè)全差分輸入通道的ADC；●AD7706：%非線性；●可編程增益前端增益：1～128；●三線串行接口 SPITM、QSPITM、MICROWIRETM 和DSP兼容；●有對(duì)模擬輸入緩沖的能力；●～～；●3V電壓時(shí)，最大功耗為1mW；●等待電流的最大值為8μA；●16腳DIP、SOIC和TSSOP封裝；本設(shè)計(jì)中使用的稱重傳感器最大輸出電壓為：6v*40mv/v=240mv,，所以：；，所以這里選擇AD7705放大倍數(shù)為8，*8=，適合硬件設(shè)計(jì)要求。硬件介紹本設(shè)計(jì)中使用的AD7705封裝形式為T(mén)SSOP，為得到更高的采樣數(shù)據(jù)的精確度，這里采用兩線制差分信號(hào)輸入方式，使用AIN1（+）和AIN()作為傳感器模擬信號(hào)輸入端，各管腳的具體功能如下表23所示。表23 AD7705引腳說(shuō)明引腳編號(hào)引腳名稱功能1SCLK串行時(shí)鐘信號(hào)2MCLKIN為轉(zhuǎn)換器提供的主時(shí)鐘信號(hào)3MCLKOUT外接晶振引腳或?yàn)橥獠侩娐诽峁r(shí)鐘源4/CS片選使能信號(hào)5RESET復(fù)位信號(hào)6AIN2(+)[AIN1]差分模擬輸入通道2的正輸入端7AIN1(+)[AIN2]差分模擬輸入通道1的正輸入端8AIN1()[COMMON]差分模擬輸入通道1的負(fù)輸入端9REFIN(+)基準(zhǔn)源輸入端10REFIN()11AIN2()[AIN3]差分模擬輸入通道2的負(fù)輸入端12/ DRDY邏輯輸出信號(hào)13DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端14DIN串行數(shù)據(jù)輸入端15VDD電源電壓，+～+16GND內(nèi)部電路的地電位基準(zhǔn)點(diǎn)本設(shè)計(jì)中采用外加石英晶體振蕩器的方式，石英晶體負(fù)載電容取值為30pF，AD7705外圍電路如圖211所示：圖211 AD7705外圍電路為了保證傳感元件在接入負(fù)載的情況下輸出電壓沒(méi)有明顯的下降，就要求AD轉(zhuǎn)換器有較高的輸入阻抗，但AD轉(zhuǎn)換器無(wú)法將輸入阻抗做的過(guò)高，因此這里就需要用電壓跟隨器進(jìn)行耦合，主要采用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗較高，而且它的輸出阻抗較低；這樣一來(lái)不僅可以提供較高的輸入阻抗，而且還可以提供較低的輸出阻抗，使輸出信號(hào)衰減較少有利于驅(qū)動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器，獲得的采樣值較為準(zhǔn)確，提高傳感器的精度。本設(shè)計(jì)中使用的運(yùn)算放大器型號(hào)為L(zhǎng)M358，該運(yùn)放內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。主要參數(shù)介紹如下：●封裝形式：SO8，●內(nèi)部頻率補(bǔ)償，●直流電壓增益高(約100dB)，●單位增益頻帶寬(約1MHz)，●電源電壓范圍寬：?jiǎn)坞娫?3—30V)；雙電源(177。177。15V)，●低功耗電流，適合于電池供電，●低輸入偏流，●低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，●共模輸入電壓范圍寬，包括接地，●差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍，●輸出電壓擺幅大（)，●輸入共模電壓最大值VCC~V，●共模抑制比80dB，●電源抑制比100dB。本設(shè)計(jì)中所需的信號(hào)為同向信號(hào)，所以該放大器所組成的電壓跟隨器也必須是同向電壓跟隨器，LM358運(yùn)算放大器本身具有兩路完全相同的運(yùn)放組成，實(shí)際設(shè)計(jì)中僅用到一路。模擬信號(hào)中閑置引腳不宜懸空處理，特別是在電磁干擾較強(qiáng)或有高頻電路的環(huán)境中，會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成很大的干擾，因此這里把運(yùn)放閑置的輸入和輸出腳做接地處理，給其一個(gè)穩(wěn)定的地信號(hào)，防止其對(duì)輸出造成干擾，使采樣信號(hào)不準(zhǔn)確。LM358連接電路如下圖212所示。圖212 LM358電路AD7705能夠正常的進(jìn)行模擬和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還必須有一個(gè)穩(wěn)定的參考點(diǎn)，即電壓基準(zhǔn)，這樣AD7705才能有一個(gè)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)正常穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換。TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（）到36V范圍內(nèi)的任何值。，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。主要參數(shù)介紹如下：●可編程輸出電壓為36V；●電壓參考誤差：177。％ ，典型值@25℃（TL431B）；●低動(dòng)態(tài)輸出阻抗，；● to 100mA；●等效全范圍溫度系數(shù)50 ppm/℃典型；●溫度補(bǔ)償操作全額定工作溫度范圍；●低輸出噪聲電壓。原理圖圖213 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖 紅外接收電路參數(shù)介紹紅外遙控有發(fā)送和接收兩個(gè)組成部分。發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收完成對(duì)紅外信號(hào)的接收、放大、檢波、整形，并解調(diào)出遙控編碼脈沖。為了減少干擾，采用的是價(jià)格便宜性能可靠的一體化紅外接收頭(HS0038，它接收紅外信號(hào)頻率為38kHz，周期約26μs)接收紅外信號(hào)，它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號(hào)，再送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼并執(zhí)行去控制相關(guān)對(duì)象。該芯片主要參數(shù)如下所示：●工作電壓：DC 5V；●工作電流：小于1mA；●工作溫度：（25～+70）℃；●接收距離：大于8m；●光譜反應(yīng)：950nm。硬件介紹本設(shè)計(jì)中所使用的遙控器為市場(chǎng)常見(jiàn)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)中不涉及遙控器的設(shè)計(jì)，僅對(duì)接收電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。為防止單片機(jī)接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，因此在芯片的輸出腳加電阻進(jìn)行上拉，保證在空閑狀態(tài)下接收器輸出信號(hào)穩(wěn)定（為高電平）。為防止電源波動(dòng)對(duì)接收器造成干擾，在接收器的電源與電源地之間加10uf電容加以濾波，電路圖如圖214所示。原理圖圖214 紅外接收電路 頻率輸出電路參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)中為防止外部信號(hào)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，所以頻率輸出采用光電隔離方式。所使用的光耦的型號(hào)為PC357，該光耦在波特率不高的場(chǎng)合就有很好的導(dǎo)通效果。能夠進(jìn)行有效地光電隔離。本設(shè)計(jì)中頻率信號(hào)的范圍為（200～1000）HZ，該光耦完全能夠滿足設(shè)計(jì)需求。主要參數(shù)介紹如下： ●正向?qū)娏鳎盒∮诘扔?0mA； ●最大峰值電流：下雨等于1A； ●最高工作電壓：DC 6V； ●輸入功率：70mW； ●基極發(fā)射極電壓：小于等于35V； ●發(fā)射極集電極電壓：小于等于6V； ●輸出功率：小于等于160mW；●工作溫度：（30～100）℃。硬件介紹為得到較高的輸出功率，因此在光耦輸出級(jí)加上拉電阻，以提供更高的輸出電流；為保證輸出頻率信號(hào)的穩(wěn)定性，在光耦的信號(hào)輸出級(jí)通過(guò)共模電感耦合頻率信號(hào)，以提高輸出信號(hào)波形的穩(wěn)定性。為防止外部浪涌信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生不可估量的損壞，因此在信號(hào)輸出端增加浪涌電壓抑制器，防止外部浪涌信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生破壞。為便于觀察頻率信號(hào)的輸出情況，特在信號(hào)輸出級(jí)增加信號(hào)輸出指示燈。當(dāng)有信號(hào)輸出時(shí)LED發(fā)光二極管就會(huì)被點(diǎn)亮，當(dāng)沒(méi)有頻率信號(hào)輸出時(shí)，該二極管處于熄滅狀態(tài)。電路如圖215所示。原理圖圖215 頻率輸出電路 總線通訊電路參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)中總線通訊采用的是RS485通訊方式，設(shè)計(jì)到的器件有：光耦PC35PC4通訊芯片MAX3082。在頻率輸出電路中已經(jīng)對(duì)PC357做過(guò)介紹，所以在本章節(jié)中將不再重復(fù)介紹該光耦，主要針對(duì)光耦PC410和通訊芯片MAX3082做具體介紹。由于總線處于外部電路，所以無(wú)法避免會(huì)受到外界的干擾；輕者使數(shù)據(jù)傳輸失敗，重者將影響整套系統(tǒng)的運(yùn)行，因此同樣需要采用隔離的方法來(lái)抵抗外界的干擾。這里同樣采用光電隔離的方法，不同的是RS485接收信號(hào)和發(fā)送信號(hào)不能采用PC357光耦進(jìn)行隔離，因?yàn)樵摴怦钅苷９ぷ鞯耐ㄓ嵅ㄌ芈瘦^低，在較高的通訊波特率的情況下將不出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，使接收到的數(shù)據(jù)不完整或錯(cuò)誤。這里我們就需要使用肖特基結(jié)構(gòu)的高速光耦PC410，這種光耦能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)限制在淺飽和區(qū)，這樣就能夠使輸入信號(hào)快速地退出飽和，提高光耦的開(kāi)關(guān)速度。下面就對(duì)PC410光耦的主要參數(shù)介紹如下： ●正向電流：小于等于20mA； ●反向電壓：小于等于5V； ●輸入功率：小于等于40mW； ●電源電壓：不超過(guò)7V；●輸出電流：小于等于50mA；●輸出功率：小于等于85mW；●輸入/輸出隔離電壓：；●響應(yīng)速度：10Mb/S；●共模抑制比：10kv/us。硬件介紹RS485發(fā)送信號(hào)經(jīng)單片機(jī)TX口發(fā)出，經(jīng)光耦隔離后進(jìn)入MAX3082的信號(hào)接收端（RX），經(jīng)MAX3082后由TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485的差分信號(hào)，并有MAX3082的總線輸出口A和B端輸出；當(dāng)有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)總線發(fā)送給液位傳感器時(shí)，信號(hào)首先經(jīng)總線經(jīng)過(guò)MAX3082芯片，這是總線上傳遞的是RS485的差分信號(hào)，經(jīng)過(guò)MAX3082芯片后RS485的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的TTL信號(hào)，由MAX3082的TX端經(jīng)過(guò)光耦隔離后將信號(hào)傳遞到單片機(jī)的RX端，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。需要注意的是，MAX3082有一個(gè)使能信號(hào)，因?yàn)樵撔酒前腚p工通訊方式公用一組總線，因此在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)不允許收發(fā)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)單片機(jī)需要對(duì)MAX3082的使能信號(hào)進(jìn)行控制才能夠?qū)崿F(xiàn)正常通訊，如圖216。圖216 光電隔離電路為便于觀察上行及下行數(shù)據(jù)的通訊情況，在MAX3082芯片的發(fā)送和接收端均增加發(fā)光二極管，能夠比較直觀的觀察出數(shù)據(jù)通訊情況，便于維護(hù)以及現(xiàn)場(chǎng)故障排查。RS485信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，由于傳輸電纜和芯片的阻抗不同，即為不同的兩種介質(zhì)，因此當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入兩種不同的介質(zhì)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象，干擾數(shù)據(jù)的正常傳輸。為保證介質(zhì)連續(xù)就需要對(duì)傳輸電纜進(jìn)行阻抗匹配，查閱相關(guān)資料知通訊電纜的特性阻抗值為120Ω，因此在液位傳感器的末端需要并聯(lián)一個(gè)120Ω的電阻以達(dá)到阻抗匹配的目的，實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)反射的正常傳輸。為防止外部浪涌信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生不可估量的損壞，因此在信號(hào)輸出端增加浪涌電壓抑制器，防止外部浪涌信號(hào)對(duì)內(nèi)部電路產(chǎn)生破壞，電路如圖217所示。原理圖圖217 總線通訊電路 聲光報(bào)警電路參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)中所示用的光報(bào)警器件發(fā)光二極管，為保證能夠提供足夠的亮度，因此在選型時(shí)特地選擇紅色發(fā)光二極管而且直徑特別大，足以提供明顯的亮度便于觀察，主要參數(shù)介紹如下：●直徑：10mm；●顏色：紅色；●最大工作電流：10mA；