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正文內(nèi)容

本科畢業(yè)論文-一種工業(yè)用液位傳感器的設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧資料

2025-01-24 15:52本頁(yè)面
  

【正文】 編號(hào)引腳名稱(chēng)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。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(chēng)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。 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)。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。10mV到177。20mV~177。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~+?!?。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)。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。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,原理圖圖210 稱(chēng)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)。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。r2V; m=ρr2r2,可得底面積,因?yàn)閮?nèi)徑為已知量,所以S為已知量;所以:V=S圖29 安裝示意圖本設(shè)計(jì)液位管的內(nèi)徑為6cm,高度為1m,以液體是水為例,密度為:*103kg/m3,根據(jù)體積公式可以計(jì)算出液體的體積: 由:V=S12)Ω;●絕緣阻抗:大于5000MΩ;●相對(duì)濕度:(0~90)RH;●工作溫度:(10~60)℃;●安全過(guò)載:150%FS。S/10℃;●輸入阻抗:(120177。S;●零點(diǎn)溫飄:%F主要參數(shù)介紹如下:●測(cè)量范圍:0~10kg;●電源電壓:DC 6V;●工作電流:小于10mA;●輸出靈敏度:大于40mv/v;●精度:177。路如下圖27所示。VP引腳為寫(xiě)保護(hù)使能端,VP為高電平時(shí)處于寫(xiě)保護(hù)狀態(tài),無(wú)法存儲(chǔ)數(shù)據(jù),因此該引腳接地,保證數(shù)據(jù)能夠正常存儲(chǔ)。該芯片在IIC總線上最多可以同時(shí)掛接8個(gè),地址可以在A0~A2三個(gè)引腳進(jìn)行設(shè)置,地址范圍從000~111。該芯片是一款I(lǐng)IC接口的EEPROM,是低工作電壓的8K位串行電可擦除只讀存儲(chǔ)器,內(nèi)部組織為1024個(gè)字節(jié),每個(gè)字節(jié)8位,該芯片被廣泛應(yīng)用于低電壓及低功耗的工商業(yè)領(lǐng)域。這里就需要增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路單元。圖24 顯示驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)計(jì)算由三極管9012參數(shù)可知集電極電流小于500mA,所以可以推算出基極的最大電流,這里按照30倍的放大系數(shù)計(jì)算:由Ib=VCC/R=5/4700=,此時(shí)三極管處于飽和狀態(tài);所以,三極管集電極的電流大小取決于發(fā)射極與地之間串接的限流電阻的大??;由于數(shù)碼管每段的正常工作電流為(3~10)mA;所以可取10mA計(jì)算限流電阻;由經(jīng)驗(yàn)值知:三極管飽和導(dǎo)通時(shí)Uce=,;可得:Ib≈Ic=()/R<10mA;計(jì)算得:R>430Ω;這里取限流電阻R大小為:1kΩ,滿(mǎn)足計(jì)算要求。由于本設(shè)計(jì)中共4位數(shù)碼管,所以這里輸出信號(hào)只需要取Y0~Y3四個(gè)即可。本設(shè)計(jì)中需要顯示4位數(shù)值,這里選擇四位一體數(shù)碼管,型號(hào)為L(zhǎng)G5641BH。該三極管作為開(kāi)關(guān)使用,工作在飽和區(qū)而不是工作在放大區(qū),PNP型三極管主要參數(shù)介紹如下:●集電極發(fā)射極電壓: 30V;●集電極基電壓 :40V;●射極基極電壓 :5V;●集電極電流 :;●耗散功率: ;●結(jié)溫 :150℃;●特怔頻率 :最小150MHZ;●放大倍數(shù):30~90;●封裝形式:TO92。表21 74LS138真值表輸入輸出S1/S2+/S3A2 A1 A0/Y0 /Y1 /Y2 /Y3 /Y4 /Y5 /Y6 /Y70 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1100 0 00 1 1 1 1 1 1 1100 0 11 0 1 1 1 1 1 1100 1 01 1 0 1 1 1 1 1100 1 11 1 1 0 1 1 1 1101 0 01 1 1 1 0 1 1 1101 0 11 1 1 1 1 0 1 1101 1 01 1 1 1 1 1 0 1101 1 11 1 1 1 1 1 1 0從74LS138的參數(shù)介紹中可以看出,當(dāng)輸出端為低電平時(shí)可以拉出高達(dá)20mA的電流,而為高電平時(shí)僅能輸出最大1mA的電流信號(hào),因此本設(shè)計(jì)中采取低電平控制方式以便獲得較高的電流。利用S/S2和/S3可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成24線譯碼器;若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成32線譯碼器。當(dāng)一個(gè)選通端S1為高電平,另兩個(gè)選通端/S2和/S3均為低電平時(shí),可將地址端(A0、AA2)的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。設(shè)計(jì)中使用的譯碼器的型號(hào)為:74LS138,該芯片參數(shù)如下:●額定工作電壓:DC5V;●最大工作電流:小于等于10mA;●電壓波動(dòng)范圍:~;●有效輸入高電平電壓:大于2V;●有效輸入低電平電壓:;●輸出高電平電壓:5V;●輸出低電平電壓:;●輸出高電平電流:小于等于1mA;●輸出低電平電流:小于20mA;●封裝形式:DIP16。為使RS485通訊時(shí)的誤碼率為0,顧本設(shè)計(jì)中所選的晶體振蕩器的頻率為:。這兩個(gè)電容的作用是上電時(shí)幫助石英晶體起振,運(yùn)行時(shí)起到穩(wěn)定振蕩頻率的目的。,因此由下面計(jì)算可得:由頻率:f=;得周期:t=1/f=1/(*106)=*108S;得機(jī)器周期:T=12t=12**108=*106S;所以復(fù)位時(shí)間必須滿(mǎn)足:3τT;即:τT/3=*107S; 計(jì)算時(shí)間常數(shù)τ:選擇電阻為10KΩ,;τ=R*C=10*103**106=1*103S;這里3τT,所以單片機(jī)能夠正常復(fù)位。本設(shè)計(jì)中由于內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)足以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)需要,因此被設(shè)計(jì)中選擇內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)域,即此時(shí)該引腳上拉(5V)。電路介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源三個(gè)部分組成,滿(mǎn)足以上三個(gè)條件單片機(jī)系統(tǒng)才能夠正常工作。是一款性?xún)r(jià)比相當(dāng)高的入門(mén)級(jí)單片機(jī)。●;●全靜態(tài)時(shí)鐘0到33MHZ;●三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密;●32個(gè)可編程I/O口線;●3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;●6個(gè)中斷源(2個(gè)外部中斷,3個(gè)定時(shí)器中斷,1個(gè)串行中斷);●全雙工UART串行口;●低功耗支持Idle和Powerdown方式;●Powerdown方式支持中斷喚醒;●內(nèi)部集成看門(mén)狗,使用戶(hù)的應(yīng)用系統(tǒng)更堅(jiān)固;●雙數(shù)據(jù)指針;●上電復(fù)位標(biāo)志;●雙數(shù)據(jù)指針式數(shù)據(jù)操作更加快捷方便;●較高的處理速度,最高可使用33MHZ的晶振頻率;●封裝形式為DIP40。由于數(shù)字信號(hào)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中速遞比較快,有可能會(huì)對(duì)模擬信號(hào)造成干擾,是模擬信號(hào)的波形發(fā)生畸變,造成采樣不準(zhǔn)間接影響輸出值,因此在模擬信號(hào)的電源地與數(shù)字信號(hào)的電源地之間需要串聯(lián)一個(gè)0Ω電阻,以達(dá)到單點(diǎn)接地的目的,將數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的影響降低到最小。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,在12V直流電壓的輸出端需要增加12V轉(zhuǎn)12V的直流穩(wěn)壓隔離電源模塊,這樣既起到了穩(wěn)壓的目的同時(shí)也起到了與電網(wǎng)隔離的目的,就能夠保證直流12V電壓的穩(wěn)定性,間接保證直流5V和直流6V電壓的穩(wěn)定性,從而保證單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。到此三種不同等級(jí)的電壓均以獲得。本設(shè)計(jì)中需要5V和6V和12V三個(gè)電壓等級(jí)的直流電壓,考慮到現(xiàn)場(chǎng)一般只有交流220V和交流380V電壓,為方便使用這里需要對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換;首先需將220V交流電壓轉(zhuǎn)換為12V交流電壓,這里需要選擇變壓器,然后將交流12V電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓,這里需要用到整流橋,為了減小該直流電壓的脈動(dòng),還需要增加濾波電容。在一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)中,電源模塊起到至關(guān)重要的作用,因?yàn)殡娫茨K的帶載能力和輸出文波直接影響到單片機(jī)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,因此對(duì)電源模塊的設(shè)計(jì)一定要避免以上不良影響??紤]到總線上有可能會(huì)出現(xiàn)不可知的干擾信號(hào),會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾,使單片機(jī)系統(tǒng)誤工作或無(wú)法正常工作,因此在單片機(jī)系統(tǒng)與總線芯片之間增加光耦以達(dá)到光電隔離的目的,避免干擾信號(hào)經(jīng)總線電路進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)。該芯片同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力,能夠很好地濾除干擾信號(hào)。同時(shí)在輸出端增加發(fā)光二極管作為頻率輸出指示,能夠比較直觀的觀察到有無(wú)頻率輸出,便于現(xiàn)場(chǎng)查找原因和解決問(wèn)題。在光耦的輸出端加一個(gè)上拉電阻,保證頻率輸出由足夠的功率,便于遠(yuǎn)距離傳輸頻率信號(hào)不至于衰減的過(guò)多,從而使下級(jí)設(shè)備能夠正常讀取頻率輸出值。頻率輸出由內(nèi)部定時(shí)器定時(shí),由I/O口輸出。報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)給出,用三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管。3 V 電壓時(shí), 最大功耗為1 mW , 等待模式下電源電流僅為8uA。它采用三線串行接口, 有兩個(gè)全差分輸入通道, 能達(dá)到01003% 非線性的16 位無(wú)誤碼數(shù)據(jù)輸出, 其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定, 還可選擇輸入模擬緩沖器, 以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里就需要用到A/D轉(zhuǎn)換器,本設(shè)計(jì)中采用AD7705芯片來(lái)完成A/D轉(zhuǎn)換功能,AD7705 是AD 公司新推出的16 位轉(zhuǎn)換器。為節(jié)省單片機(jī)的I/O口,所以顯示采用譯碼器控制的方式,若不采用譯碼器位選信號(hào)將需要4個(gè)I/O口,采用譯碼器后位選信號(hào)僅需要3個(gè)I/O口,這樣就可以節(jié)省出一個(gè)I/O口做其他用途。以上三點(diǎn)均是數(shù)碼管比液晶或其他屏所具有的優(yōu)點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)中考慮使用數(shù)碼管顯示。這個(gè)功能主要是方便工程維護(hù)人員在不使用其他儀器的情況下方便地查看頻率輸出情況,以更快的速度解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題而設(shè)。傳感器再次上電后,內(nèi)部參數(shù)仍為上一次修改存儲(chǔ)的內(nèi)容。該傳感器可通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)地顯示被測(cè)容器內(nèi)當(dāng)前液位的高度,具有液位高于上限設(shè)定值報(bào)警和低于下限設(shè)定值報(bào)警功能,具有(200~1000)HZ的頻率輸出功能,具有RS485總線通訊功能,具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,具有紅外遙控功能等??紤]到干擾的存在,因此在5V電壓中,需使用隔離電源;在單片機(jī)系統(tǒng)和外界輸出接口處也加以隔離,以達(dá)到隔離干擾的目的,保證傳感器系統(tǒng)的正常工作。以免影響單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作或工作處于臨界點(diǎn)。為降低整機(jī)工作的功耗,在報(bào)警狀態(tài)下采用聲光交替形式,即蜂鳴器工作時(shí)發(fā)光二極管不工作,蜂鳴器不工作時(shí)發(fā)光二極管工作,有效的降低了整機(jī)功耗。在芯片的輸出端增加了瞬態(tài)電壓抑制器,能夠很好的抑制總線上的浪涌電壓,從而保證通訊芯片免受其害,造成不可恢復(fù)的后果。通信芯片使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3082芯片,該芯片采用差分信號(hào)傳輸,因此有較遠(yuǎn)的傳輸距離,一般2公里以上。該傳感器頻率信號(hào)由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生,由單片
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