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。在自動蒸餾測控系統(tǒng)中，準(zhǔn)確及時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的前提；實時、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，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，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時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，則有如下的計算公式：T=90/（L2-L1）。這樣就可以很方便地計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、時鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動電路、單片機(jī)實時處理與控制電路等。

　　其基本的工作原理是：紅外光電傳感器檢測到的各種信號，經(jīng)過信號處理電路后，把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號，同時把電信號送給單片機(jī)進(jìn)行判斷和計算處理后，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，敏感三極管由于收到紅外光信號而導(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，敏感三極管由于收不到紅外光信號而截止，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發(fā)生外延現(xiàn)象或吸附現(xiàn)象而形成一個環(huán)形曲面，這個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發(fā)生外延現(xiàn)象或吸附現(xiàn)象而形成一個環(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，其輸出信號再通過電纜輸出到單片機(jī)接口電路和顯示驅(qū)動電路進(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。