1、泡沫液位传感器课程设计摘要：泡沫是一种特殊的两相流形态，其力学、热学、光学等多种性能均与单相气体或液体有很大区别，由于泡沫的形成机理 多样、性质变化复杂，至今尚无完善的研究理论体系，泡沫的液位测量在国内外也是一个空白，本文主要设计了一种液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机和模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显示，一种基于传热原理的测量泡沫液位的传感器，介绍了传感器的构造和原理，以及测量误差和动态响应的计算分析。关键词 ：泡沫；液位检测；传感器； 两相流；Abstract：The foam is a special phase
2、 com pared w ith liqu id and gasIt ha s m any dif f erent cha r acters in m ech anics，therm oties，photology and soon，For different methods to generate fo amsand its special mechanism，even today there have not created a perfect theory system to deal with foam mediumsFoam level meas urement is also ne
3、arly to be all unreachable field by nowA kind of foam level sensor based on thermoties theory has be endeveloped，Introduces its structure 、principle 、 analyses error and dynam icresponse of sensorKey Words ： Foam ；Level Detecting ；Sensor；8051Single chip microcomputer；目录摘要1前言31课程概论 41.1课程设计现状 41.2泡沫详
4、解51.3设计方案61.4方案设计流程图62 系统设计 82.1 8051单片机 92.2 液位传感器设计102.3 DAC0832 D/A 转换器122.3.1 D/A转换原理122.3.2 ADC0809转换芯片142.4显示部分与键盘152.5系统报警163课程设计总结17参考文献18前言随着国内传感器检测技术的发展，各种传感器被广泛的的应用于社会生活的方方面面。基于传感器技术的信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。传感器作为各种信息（各种物理量、化学量、生物量等）感知、采集的功能器件，已经越来越广泛地应用到国民经济的各个领域，特别是在自动检测和自动控制领域，传感器更
5、是必不可少的重要工具。传感器作为信息采集的首要部件，是实现自动测量和自动控制的主要环节，是现代自动测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头和重要组成部分。因此，如何提高传感器测量技术的精确度，提高传感器功能器件的高稳定性和可靠性，是确保信息准确获取的可靠保证。 本系统是关于泡沫液位控制，在设计中主要有水位检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现液位控制。主要用水位传感器检测水位，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否
6、需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵或排水泵，来实现对液面的控制,从而实现单片机自动控制液面的目的。本设计用单片机控制，易于实现液位的控制,而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。1 课程概论液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。泡沫是气一液联合构造的特殊形态，也是一种具有重要研究价值的边界形态。在自然界和工业生产过程中，普遍存在着大量的泡沫和泡沫性物质。在有些领域它们对人类的生产和生活起着积极的推动作用，比如泡沫浮选、啤酒制造和消防；然而有时候泡沫的形成却起着相反的作用，比如造纸过程和放射性废水浓缩过程
7、，能否有效地监测和控制泡沫，直接关系着产品质量和生产效率。目前，生产和科研领域急需用于泡沫测量的仪表。通过对泡沫的深入调研，开发一种基于传热原理的测量泡沫液位的传感器，介绍其构造和原理，并进行了测量误差和动态特性的计算分析。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值。液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。液体的液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态
8、。2)在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位的上限、下限。3) 具有自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性；1.1 课程设计现状目前我国在泡沫液位传感器装置研究、生产、应用中仍处于发展期，经调查，更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。一些发达国家在泡沫液位传感器系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造
9、、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。1.2 泡沫详解随着现代科学技术的发展，对于泡沫的研究越来越受到各行业的重视，然而“泡沫”至今仍无统一的定义，人们也经常将 它与其他状态的物质相混淆。英语中“泡沫”称为“foam”，常用 的“bubble是指“气泡”，而不是“泡沫”。图：泡沫与气泡 、 气泡分散体示意图(1)气泡：浮于气体中的单个液膜包裹气体物，如娱乐中吹的肥皂泡；(2)泡沫：气多液少的“气液”粗分散体 ，如污水处理产生的泡沫：(3)气泡分散体：液多气少的“气液”粗
10、分散体，如液体中的气泡；泡沫形成的基本要素为：气液接触，含助泡剂，并且发泡速度高于破泡速度。液体表面形成的泡沫如果不能够保持稳定，不会对外界产生明显的影响，影响泡沫稳定的主要因素是 Marangoni效应，又叫作“自我痊愈效应”、表面粘度、液膜表面电荷以及熵性双层互斥作用。1.2.1泡沫的研究手段目前泡沫的研究主要在两个方面：一是对于泡沫稳定性的研究，其重点在于增加泡沫流体的稳定性和消泡；二是对液体中气泡的动力学性质研究，主要研究方向有：在界面上气泡的生成理论、生长速率、动力学、脱离理论和数值模拟以及气泡传热传质的研究。泡沫的研究手段主要有：(1)声学技术：主要包括声学共振、脉冲探测，声纳复合
11、频率反射方法，声学方法在海洋泡沫研究中使用较多；(2)气泡陷阱：用激光束在液体内生成势阱，在力的不平衡作用下，气泡停留在势阱里；(3)照相方法：以调整摄影记录气泡的轨迹；(4)电导方法：用探针测量电导率的变化，记录气泡。1.2.2 泡沫的测量方法(1)射线法：基于核辐射通过物质时被减弱的原理测量泡沫。(2)辐照陷肼法：将特殊的固体弹性高聚物放置在液体中，过热的小液滴附着分布在上面，处于准稳态，容易被激发。当中子打击探测器表面液滴的原子时，产生的重离子反弹，形成热点，液体蒸发汽化，形成特殊的势能陷阱，周围的气泡被吸引在势肼中。用光纤观察表面气泡数量，可以确定气泡的特征。(3)电导法：以电导探针测
12、量电导率的变化，反映探针端部处于气泡的中央还是液体中。(4)导电法：把电极一极装在液体中，另一极在液体上方，当泡沫出现时，使电极导电，反映泡沫高度。1.3 设计方案在该系统的设计流程图介绍，其中包括了对水位的检测，对补水泵的控制开和关，以及补水泵是否正常工作的报警。通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制泵进行添加消泡剂或放水以适应工作的需要，并可防止故障的发生；本程序段主要实现启动ADC0809转换器，并从A/D转换器采集信号的功能。1.4方案设计流程图本流程图设计简易合理，方便易于操控，能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制,水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同
13、时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业水体液位方面作业的稳定运行。下图即为设计流程图图：设计流程图系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值。并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。液位检测是通过四对由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位
14、传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。当泡沫高度上升至淹埋控制器部份探极（ 20cm ） 时，控制器首先发出一个报警开关信号，当报警状态维持若干秒钟（此称响应时间，可选），确认泡沫的持续存在后，控制器再发出一个控制开关信号，指挥打开电磁阀，投放消泡剂；为节省消泡剂，投放若干秒后（此称投放时间，可选），控制器指挥关闭电磁阀，停止投放；待消泡剂与泡沫充分混合，如泡沫仍未下降，则再投放，然后再停止.反复进行，直至泡沫高度下降到离开探极报警点为止。所以消泡剂的投放是间歇进行的，即投放一段时间，然后停一段“响应时间
15、”，泡沫高度不降时再投。用户可通过选用不同的“响应时间”和“投放时间”达到最佳消泡效果。本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，操作简单，经济效益好。其次，液体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性
16、的提高及价格的下降，工业以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用。2 系统设计液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器，把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位的报警和键盘的显示与控制；下图即是液位控制系统：CPULED显示传感器报警装置控制执行装置图：基于单片机的液位控制系统 由上图可观察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,
17、报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。2.1 8051单片机计算机芯片MCS-51是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。核心芯片控制信号采集、处理、输出三个过程。8051可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显
18、示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。系统的原理是采用液位式传感器测量液体的液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。 在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入/输出口。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上
19、的高平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H， P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如下表：寄存器初始状态 特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACCPSW07HDPLIPIETMODSCONP0-P300H00H00H00Hxxx00000B0x00000B00HxxxxxxxxB1111111BBSPTH0TL0TH1TL1TCONSBUFPCON00H07H00H00H00H00H
20、00H00H0xxxxxxxB8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,此设计采用自动复位电路。图：复位电路2.2 液位传感器设计在液体液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。传感器的种类很多,本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的光电传感器来对液位进行控制，在把检测的电信号通过ADC0809输入
21、到单片机进行分析,在由LED进行显示和键盘控制,实行对液位的报警。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。我采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图 图：液位传感器由图可知，液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件主要采用的是光电效应,入射光的照度变化，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光电效应的原理就是光电二极管的原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简单的光学元件。而光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度，也是把
22、光信号转化成电信号。而液位传感器的主要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器。通过吸收高亮二极管的光来测量液位的高度,在转化成光电流传到模拟传感器ADC0809中。a 光敏三极管的结构示意图 b 基本电路 当光敏三极管它的集电结反向偏置，发射结正向偏置。无光照时仅有很小的穿透电流流过，当光线通过透明窗口照射集电结时，和光敏二极管的情况相似，将使流过集电结的反向电流增大，这就造成基区中正电荷的空穴的积累，发射区中的多数载流子(电子)将大量注人基区，由于基区很薄，只有一小部分从发射区注入的电子与基区的空穴复合，而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集电极，形成集电极电流IC。这个过程与普通三极
23、管的电流放大作用相似，它使集电极电流IC是原始光电流的(l+)倍。这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如下图光电传感器框图: 图：光电传感器框图光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，1是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。2.3 ADC0809A/D转换器A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数字信号,然后
24、再通过8051单片机的分析处理进行LED显示和液位和压力的报警。2.3.1 DA转换基本原理DA转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。它涉及了D/A转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是DA转换芯片的选择与应用问题。DA转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量。实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而这个电流的大小正比于相应的二进制位的权。DA转换器主要由三部分构成，即加权电阻解码网、受输入数字量控制的电子开关组和由运算放大器构成的电流转换器。电子开关组受输入二进制数据D7DO控制，
25、当某一位为“1”时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使某一支路电阻上有电流流过。当某一位为“0”时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。加权电阻解码网络各支路的电阻值与二进制数据D7DO的“权”相对应，“权”大的电阻值小，“权”小的电阻值大。因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值(0或1)，还决定于“权”，各支路的电流如下：因此，总电流为Iout： 该总电流经电流转换器后有: 其中 由式（2-6）看出，尽管使用的网络结构不同，但对于DA转换器的输入输出来说是等效的。就8位DA转换器而言，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的2倍，这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器。
26、工作过程是：比较开始时，首先对二进制计数器(输出锁存器)的最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。若模拟输入Uin大于Ui，比较器输出为1，则使输出锁存器的最高位保持为1。然后对较低的位依次按照该办法进行比较和调整，无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时DA转换器的数字输入(输出锁存器内容)即为对应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完成了AD转换过程。这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝码，若不合适，就改放小一号的，依次类推。一旦天平指示砝码太重说明刚才放进去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要重复这种过程n次。2.3.2 ADC0809转换芯片A
27、D转换实验硬件主要是由ADC0809转换芯片和四个可变电位器组成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式AD转换器，输入电压在(O5)V，最大不可调误差小1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。ADC0809芯片的引脚图如图2-6所示。由图可看芯片主要是由一个8位AD转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU来取，取后由CPU启动
28、新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。下图为ADC0809芯片的引脚图。图：ADC0809 芯片的引图ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以
29、锁存，所以它易于与微型计算机接口。2.4显示部分与键盘显示部分我采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。LED它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。本设计采用的是静态显示。所谓动态显示就是单片机定时的对显示器进行扫描。显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都“同时”显示。这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。动
30、态显示的亮度与导电电流有关，也与点亮时间和间隔时间比例有关。键盘是有若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，来实现简单的人机对话。2.5 系统报警下列二种情况发生系统报警。1)当水位达到上限极限水位时报警，液位到达上限极限水位时系统发出报警；并投放消泡剂。2)当液位达到下限极限水位时报警，水位到达下限极限水位时系统发出报警。图2-8 自动报警电路的接线图3 课程设计总结本次课程设计主要是对泡沫液位传感器的研究，在设计中主要有水位检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现液位控制，主要用水位传感器检测水位，用六个控制按键来实现按健控制，用三
31、位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵或排水泵，来实现对液面的控制,从而实现单片机自动控制液面的目的。本设计所采用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机单片机技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，可以产生巨大的经济效益。其次，水体控制过程的自动化处理以及监控软
32、件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用。通过这次课程设计，加深了对本课程专业知识的理解和巩固，为以后的学习与岗位工作打下坚实基础。最后，特别感谢这段时间老师和同学的帮助。 参考文献1王骥程.化工过程控制工程M.北京:化学工业出版社,1981.2 谢自美.电子线路设计、实验与测试M.华中科技大学出版社，2003.3 杨国志,王立峰,杨东光,王辉林等.实用电子制作实例M.福建科学技术出版社，2000.
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