基于51單片機(jī)的液位檢測系統(tǒng)

　　隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展，對測量系統(tǒng)提出了越來越高的要求。在自動(dòng)蒸餾測控系統(tǒng)中，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測出蒸餾過程中從冷凝管餾出的第一滴液滴是獲取初餾點(diǎn)的前提；實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測量出量筒中回收液體體積的變化是控制蒸餾過程中不同時(shí)段不同蒸餾速度的依據(jù)。而目前擔(dān)負(fù)著對冷凝管餾出的液滴進(jìn)行檢測、回收、計(jì)量、測速等任務(wù)的完成有諸多不盡人意的地方，需要更加完善、合理的液滴、液位檢測跟蹤控制系統(tǒng)。

　　從液位測量的方法看，按檢測器與液體接觸與否分為兩大類：一是接觸式測量，二是非接觸式測量。當(dāng)需要通過測量液位變化確定體積變化時(shí)，一般采用非接觸式測量方法。但在大多數(shù)非接觸式測量中，液位傳感器測試范圍較大，絕對分辨率均大于0.5ml，因而在體積變化范圍為0-100ml，液位變化范圍為0-200mm時(shí)，要達(dá)到0.1ml的分辨率，普通的傳感器就難以滿足要求。為此，需要研制一種測量普通100ml玻璃量筒中液體體積實(shí)時(shí)變化的高精度液位檢測系統(tǒng)。

　　針對以上所存在的問題，本文介紹了一種以AT89C52單片機(jī)為核心的液位檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對變化的液位進(jìn)行高精度體積測量的目的。

一、 積測量原理

　　由于量筒的容積是確定的，且制作均勻，那么一定體積的液體在量筒內(nèi)對應(yīng)的高度也是一定的。傳感器與螺桿是相互耦合的，螺桿的頂端與步進(jìn)電機(jī)的中軸是直接相連的，步進(jìn)電機(jī)每走一步，螺桿就跟著轉(zhuǎn)一個(gè)小角度。因此，在電機(jī)步距和螺桿螺距一定的情況下，量筒的單位高度與電機(jī)步數(shù)成正比關(guān)系。于是，可將量筒內(nèi)液體的體積直接轉(zhuǎn)換成電機(jī)的步進(jìn)數(shù)，即電機(jī)每走一步所代表的液體的體積是多少毫升。

圖1　體積測量示意圖

　　體積測量示意圖如圖1所示。為了確定電機(jī)的步進(jìn)數(shù)與確定量筒內(nèi)液體的體積毫升數(shù)之間的換算關(guān)系，我們需要對此系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，具體校準(zhǔn)的方法是：

1. 測量體積為10ml液體的電機(jī)步進(jìn)數(shù)，將其值設(shè)為L1；

2. 測量體積為100ml液體的電機(jī)步進(jìn)數(shù)，將其值設(shè)為L2；

　　根據(jù)以上步驟記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電機(jī)每走一步所代表的體積毫升數(shù)，將其值設(shè)為T，則有如下的計(jì)算公式：T=90/（L2-L1）。這樣就可以很方便地計(jì)算出跟蹤器所跟蹤的液體體積。

二、 硬件電路組成及原理

　　本系統(tǒng)的基本組成是：紅外光電傳感器、輸入電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)實(shí)時(shí)處理與控制電路等。

　　其基本的工作原理是：紅外光電傳感器檢測到的各種信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理電路后，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，同時(shí)把電信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行判斷和計(jì)算處理后，再發(fā)出控制指令，控制步進(jìn)電機(jī)工作，完成對變化液位的檢測與跟蹤。

該硬件電路原理框圖如圖2所示：

圖2　硬件電路原理框圖

1、紅外光電傳感器

　　紅外光電傳感器是由紅外發(fā)射二極管和敏感三極管組成，紅外發(fā)射二極管發(fā)出的紅外光的波長和敏感三極管的受光波長相同或相近。當(dāng)發(fā)射管和接受管之間沒有障礙物時(shí)，敏感三極管由于收到紅外光信號(hào)而導(dǎo)通，電路輸出電平為低電平；當(dāng)發(fā)射管和接受管之間有障礙物擋住時(shí)，敏感三極管由于收不到紅外光信號(hào)而截止，電路輸出電平為高電平。

　　該系統(tǒng)中，對量筒中的液體表面的檢測基本上是利用散射原理，在玻璃量筒中液體表面處的液體會(huì)發(fā)生外延現(xiàn)象或吸附現(xiàn)象而形成一個(gè)環(huán)形曲面，這個(gè)曲面正好供我們檢測用。它是由一對紅外光電對管組成的，在玻璃量筒中液體表面處的液體會(huì)發(fā)生外延現(xiàn)象或吸附現(xiàn)象而形成一個(gè)環(huán)形曲面, 由于散射作用，接收管接收不到發(fā)射管的紅外光信號(hào)而截止，電路輸出電平為高電平。因此,可以利用其輸出電平的高低來檢測液面的位置，其輸出信號(hào)再通過電纜輸出到單片機(jī)接口電路和顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理。為了適應(yīng)本系統(tǒng)的特殊要求，我們將紅外發(fā)射、接受管分別裝在U形板的兩邊，兩管距離大于玻璃量筒的直徑。為了減少外來自然光的干擾，在兩管的發(fā)射、接受頭安裝有一定深度的導(dǎo)光孔槽，它一方面減少了外來光的干擾，另一方面可以限制光束直徑，以利于提高檢測分辨率。