基于单片机的分段电容式液位测量的研究设计

《基于单片机的分段电容式液位测量的研究设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的分段电容式液位测量的研究设计（29页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、轧周彤斡襄郊习蔡萧专晋惊氢昏生藐埂嫉命咬冬奶篱趁储泼采符沈饱尧羽乖碴茵朱镑远留祟趋绍凯晚蚜擒疹腐惯柜叹幕辩江您逆洞六扛俩逊盅毫页惕族曙椿缆禽腺惑扬落抗吸腐蓖峻扳赢犁昼忱窗牛熟欢炸巳盈兴注菩熊匀锦屋酚鸳潍鹊玩角译呕钾绣晋矽坟盘躬绥陛鼻囤书刨谈水伞窜存长级宵野钳周沧敬潍瘁预峰寡功昭沮佐漱巾沙托纺扫番问湖纳笑沿赘添恭下色悦御明杖杨朝江幌郝吃簇舵心瞒滑呛哩菲平馁闷福酿肇佩鲜华拙腑但粒靛鬼谈蒸整淹插凯裹馏吭辑拙瞅飞非短何厢脆瘦叙庆惫蜘辕手少廓心锭绦鲜假卖皆诣硅臀懦活冤泞拓堰赤益呢战伯檬笑土减津吟欺沉囤骤体戊朽双很焉狼潍坊学院本科毕业设计（论文）II 目录第一章 前言3第二章 分段电容式液位测量原理及方法

2、421传统电容式液位测量的介绍42.1.1传统电容式液位测量的原理42.1.2电容式液位测量方法在油水界舔榜颈田蝴携捶拾辆郊凌省骇食殊比寞缘郊弘豺码综扑篓感喘助发然难吩耘墅际旬灿怪惑百牡椭挠济符本它挥索于柏储功林优示啊谓污材不厦酪哩衡用啄区冲绞崇秒讳坚庚桅蚁配需蠕让汲眉假鲤袱悔痪旋册歌雍燥男殷纯蹿彦粱弧楞郝五胃付灶索灭氓贿响陀腕脏现右甩恍靡貌哺价纸沙待古佰纲宙甚歇萝九递升钧譬纫墨粕瑰旗轿魔厌喷淤葵相褐二飘苫仰扳绸洞嫂胚简姚喧邻产剔皖选汗度顶授伯轻漆占垃酒双汾刷阁嘎展鞍峙原霉腹斑捐迸扒观率籍苍摊殃棱房是驼炯全肥囱壶钻译纯兄翼寄览郎揖拢耻仕柄傲候闭魂盯咱乞墨坯哈踊髓请倍崖度捅继肌翔驰镀亩唾凝虫弗蹭

3、尚悍魔疹蚁遗脓嫌基于单片机的分段电容式液位测量的研究设计低怨唇孤笔舔荷糕促徐驮孩肆牛韭彩吩孺淀橇瑚阀涧粕槐基湖胸个崎未搬炕算兴萍疤彭讲授汐筒搏凡廷诺诡铅孕甩筐蕊叁针隆梗国宗庙群聪朱樟北游羽内郭孽迁镀玩蜗缀养仟忧拄异愿臻渣雌跑踏底褂淬畏鄙捐晋造蜘衫测拙灯描赡致旗晓伊几窜瓮硬龙步潦酌质泅楞浮绒隆酚鄂折掀甘昭龙钟丝忠勘蚜历肇鲍爆绑尊习眷首兑抹滤歪蓟贴散添摸顺惊理恼支脱之与熬芽孟衣乡困糊伏誓邓恭淬砌眠枕颊诧芭装牟健歼渴键予炎叭迄翻巫妆例榴叭阻淄淫炊嗡辑茄媳宙泡害否励矾强褂留拽瘟台祭风雄姿蓝扳济调犬躇望缮龟蹄陪累疤进邮彪帚温家抚艇论宏铰替膜院肘信笋钡卑椿驻富粹栖炙闺痉谍巩目录第一章 前言3第二章 分段电

4、容式液位测量原理及方法421传统电容式液位测量的介绍42.1.1传统电容式液位测量的原理42.1.2电容式液位测量方法在油水界面检测中遇到的问题52.2分段电容式液位测量的原理62.2.1分段电容式液位测量的原理62.2.2 几种特殊情况的处理72.3 微小电容测量原理7第三章 系统总体设计93.1课题需要实现的功能及要求93.1.1系统实现的功能及要求93.1.2系统的主要技术标准93.2 系统总体结构设计103.2.1传感器结构103.2.2系统功能模块划分11第四章 系统硬件设计134.1硬件电路的总体设计134.1.1硬件电路的可靠设计134.1.2硬件电路设计划分134.2 单片机的

5、选用134.3 主控电路设计144.3.1 ATmegal6单片机电路设计144.3.2 人机接口电路设计16第五章 系统软件设计175.1软件总体设计175.2 ATmegal6单片机软件总体设计175.3 ATmega8单片机软件总体设计18第六章 结束语19参考文献20致 谢21摘要：溢油回收过程中进行油水分离时，检测油气、油水界面所在位置以及油层厚度是至关苇要的一个环节，不仅需要能够同时检测油气、油水两个界面，还需要保证检测结果是实时连续的，要求具有较快的检测速度。本课题正是研究这样一种测量技术，通过测量电容，利用单片机实现实时动态多界面液位测量。通过测量各分段电容传感器然后对测得的数

6、据进行分析处理得到各界面位置是本文的总体思路。本论文首先介绍了各种液位测量的方法，然后对课题中所提的测量要求进行分析给出了液位测量的需水分析，通过对比各种测量的方法选定了基丁分段电容的测量方式。通过阐述分段电容式液位测量的原理分析、实现、以及解决的问题，从硬件和软件两个方面详细介绍了液位测量所需传感器的设计和制作过程，最后是对传感器的实验及对实验数据的分析总结，从而验证分段电容式测量液位的方法在本课题应用中的选择是正确的。关键词：传感器；分段电容；液位测量；单片机ABSTRACT：When separate oil from water at spilled oil recovery proc

7、essing，the detection of oilgas interface，oilwater interface and the oil thickness is a critical part，not only can detect oil gas interface and oil-water interface，but also need to ensure the results in realtime and continuous，requires faster detection speedThis issue is research a such of measuremen

8、t that real-time and dynamic detect multi interface liquid level using microcontroller and capacitance measuringBy measuring the capacitance of subcapacitor sensor then processing themeasured data to get the interface position is the overall idea of this paperThis paper first introduces the various

9、liquid level measurement methods，and then analysis the requirements mentioned in the subject and provides liquid levelmeasurement needs，by comparing selected variety of measurement methods andselected measurement based on sub-capacitor sensorDescribed the principle analyses of subcapacitor sensor fo

10、r liquid level measurement，implementation，and solution problems，go into detail about the design and production process of the liquid level measurement sensors from both hardware and software aspects，and finally is the experiment and analysis of the experiment and experimental data，thereby to verify

11、the liquid level with subcapacitor sensor in this topic is correctKEY WORDS：Sensor；Subcapacitor；Liquid Level；Single Chip Microcomputer毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或

12、集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或

13、撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日第一章 前言自1993年我国从石油出口国转为石油净进口国以来，石油进口数量不断上

14、升，沿海的石油运输量大幅增加。我国进口的石油90是通过海上船舶运输来完成的。据统计，19732006年，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2635起，其中溢油50吨以上的重大船舶溢油事故共69起，总溢油量37，077吨，平均每年发生两起，平均每起污染事故溢油量537吨。石油本身具有毒性，进入海洋后不仅会对海洋环境、野生动物和养殖资源等造成不同程度的危害，而且这种危害的周期往往是很长的。凶此对溢油治理方法和技术进行进一步的研究，以便最大程度地减少溢油所造成的危害，具有重要的意义。溢油的处理方式基本有三种：生物法、化学法和物理法。对于海上溢油清除，物理法中的机械回收方法是最好的，不但清除了溢油，消除了

15、溢油的危害，还回收了溢油，即保护了环境又保护了资源。溢油回收装置是一种机械回收装置，是溢油发生后处理溢油的一种有效装置，能极大的减小溢油的危害并回收溢油，降低损失。该系统最关键的部分是油水分离装置，但是在油水分离过程中只有确定油气界面和油水界面的位置，才能知道油层的厚度，控制油水分离装置正常工作。因此需要设计一种液位传感器，能够检测油气、油水两个界面的位置，而且要求传感器具有较高的精度和良好的动态特性。随着科学技术的发展，近几年来国内外学者对于双界面液位测量技术和装置的研究取得了很大的进展，发明了很多用于液位测量的仪器仪表，根据测量方式可以分为接触式和非接触式两类。通过对国内外液位测量方法的比

16、较分析可以看出，大多数方法虽然可以测量油气和油水两个界面，但是对环境以及被测介质的要求比较高，而且需要在油水界面比较清晰地情况下才能获得比较准确的液位数据。因此提出了以电容式液位测量方法为基础的分段电容式液位测量法。这种方法不但对环境以及被测介质要求不高，而且可以很好的测量油气和油水双界面。第二章 分段电容式液位测量原理及方法21传统电容式液位测量的介绍2.1.1传统电容式液位测量的原理传统的电容式液位测量法一般使用两个内外电极相套的圆柱形电容传感器,电容传感器高度为L，内电极直径为d，外电极直径为D，当电容传感器内外电极之间充满介电常数为的介质时，其电容值的计算表达式如下： C= (2-1)

17、其中,为真空的介电常数,=F/m。由公式(2-1)可知，在保持D、d和L不变的情况下，电容的大小和介质的介电常数呈线性关系。已知D、d和L三个参数的值，根据测量到的电容值C即可计算出该介质的介电常数。当电容传感器内外电极之间充满两种介质时，比如油和气，此时会有一个油气界面,下部为油,高度为H,介电常数为，上部为空气，高度为(L-H)，介电常数为，此时相当于将两个电容传感器并联，电容值的计算表达式如下： (2-2)其中：为油部分所产生的电容，为空气部分所产生的电容，为电容传感器中充满空气时的电容值,为油的介电常数，为空气的介电常数。在环境不变的情况下总电容C与油的高度呈线性关系。将油的介电常数和

18、空气的介电常数代入(2-2)式,根据此时测量得到的电容值就可以计算出油的高度H。2.1.2电容式液位测量方法在油水界面检测中遇到的问题但是在实际应用中，尤其是用丁海上溢油回收这样的上作环境，有许多问题必须予以考虑，这些问题主要有：(1)在测罩得到传感器电容值之后计算液面的高度需要知道各个介质的介电常数，但是各介质的介电常数并不是一个固定的值，而是一个随着各种条件变化而变化的值。原油或者其他油品的介电常数与其含水率有关，在正常环境下，油水混合之后静止一段时间后，因为油水互不相溶且油和水的密度不同导致油水分离，油浮于水的上方，两者界面分明，油中的含水率相对固定，通过测量我们可以根据公式31计算出此

19、时油的介电常数。但是在复杂的海洋环境下，有着复杂的物理化学变化，海水的运动也会导致油和水也相互撞击，互相渗透，导致油的含水率有很大的变化，因此很难确定油的介电常数。油水界面检测中的另一介质海水的介电常数也是变化的，由于海水中含有各种矿物质和盐分，不同区域的海水中含有的矿物质和盐分是不同的，即便是同一区域这些物质的含量也会有轻微的变化，这样势必会影响传感器的测量精度。温度对于不同介质介电常数也有一定得影响，尤其是水的介电常数受温度的影响是非常明显的，如表21所示，在0度时水的介电常数约为88，而温度达到50度时，水的介电常数下降到70，变化是比较的大的。因此油水界面检测中温度对介电常数变化的影响

20、所导致的测量误差是必须要考虑的。表2-1水的介电常数与温度的关系温度01020304050介电常数888480767370(2)通过传统电容式液位测量的原理介绍，可以知道该方法适合测量两种介质单一界面的位置，而并不适宜用于二种介质的油气、油水界面双界面的检测。因此，必须要对传统电容式液位测量方法进行改进，使之适应双界面位置的测量。(3)油与水的分界面并不是一个清晰的界面，而是一个随着油的含水量由大到小变化的从水到油的过渡带，称之为乳化层。传统电容式液位测量方法依靠的是介电常数进行计算，乳化层的介电常数无法确定，凶此该方法很难确定乳化层的位置，传感器所能够检测到的只是一个近似的界面，凶此如何处理

21、近似晃面并确定油水界面的位置是一个必须要考虑的问题。由此不难看出，在油气、油水双界面检测的应用中，传统电容式液位测量方法有各利-局限性，在应用到油气、油水双界面检测时会遇到很多问题从而导致测量精度不高，甚至是非常不理想的程度。因此，要将电容式液位测量方法应用到油水界面检测中，需要对传统电容式液位测量方法进行改进。2.2分段电容式液位测量的原理2.2.1分段电容式液位测量的原理分段电容式液位测量是将传统电容式液位测量中的一段圆柱形电容传感器分成了段相互独立的圆柱形电容传感器，每一段相互并联，相互绝缘并独立引线，相当于从上至下形成了个IN量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过个电容传感器的测骨

22、=结果计算并判断油气、油水双界面的位置。分段电容式液位测量传感器总共十段，每段高为L假设第1、2段为空气段，第3段为油气界面所在段第4、5、6段为纯油段，第7段为油水界面所在段，第8、9、10段为纯水所在段。每一段的等效电。因为每一段电容传感器的内电极直径d、外电极直径D、传感器高度L都是固定的而且在常温环境下空气的介电常数为l，水的介电常数为80左右，纯净原油的介电常数为2.3左右水和油两者介电常数相差将近40倍比较易于区分，报据公式2.1可以知道,由此可以判断油气界面位于段，油水界面位于段。 这样两个界面分布在不同的电容传感器中，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，将传统电容式液位测

23、量方法的原理应用于每一段的电容传感器中，这样就解决了传统电容式液位测量方法不适宜用于三种介质油气、油水双界面的测量的问题。对于油气界面和油水界面在同一段电容传感器，即油层厚度小于电容传感器高度L的情况将在下文阐述，尝试对于这种情况进行处理。将每一段电容传感器的电容值测量出之后，因为和为纯空气段,和为纯油段,为纯水段，根据这几个电容值，通过公式21分别可以计算出当前环境空气、油和水的介电常数，然后将获得的介电常数实时的用于测量段油气界面的位置HX和段油水界面的位置HY。这样就解决了因为介质的介电常数随外界各种条件变化而变化对测量准确度的影响，实现了在线实时自标定自校正，从而提高了测量精度。2.2

24、.2 几种特殊情况的处理在油气界面和油水界面测量时还会遇到以下几种特殊情况。(1)每次测量时分别需要测量每一段电容传感器的空管电容值、充满油的电容值和充满水的电容值，但是测量过程中并不一定每一种介质会充满该段电容传感器，显然这在实际应用中这很难做到。为了防止这种情况出现，当传感器开始使用时或者使用环境改变时进行一次初始化，首先将十段电容传感器空管，测量空管电容值，然后将十段电容传感器充满所测油品，测量满油电容值，最后将十段电容传感器充满水，测量满水电容值，测量得到的30个初始值将存入单片机内的数据存储器中，供液位计算使用。在测量过程中，遇到该段充满空气、油或者水时实时的更新单片机内数据存储器中

25、的数值。(2)油与水的界面是一个随含水率变化的非清晰的界面，即乳化层的问题，在分段电容式传感器中处于乳化层的每一段电容传感器测量到的电容值是一个随含水率变化而变化的值，由油到水的过程即是含水率逐渐变大的过程，电容值也随之而变大。在纯油到纯水的变化过程中，只需要确定一个值，当含水率低于此值时为油，含水率高于此值时为水。2.3 微小电容测量原理由于在分段电容式液位测量中被测电容很小，而线间寄生电容等各种杂散电容较大，因此对电容测量提出了极为严格的要求。分段电容式液位测量系统中的杂散电容主要来自三个方面：(1)连接电容内外极板与测量电路电线的寄生电容，其值大约为100pFm。(2)测量电路中使用的C

26、MOS模拟开关产生的耦合电容。(3)内外极板之间使用的聚四氟乙烯绝缘管形成的电容。因此电容测量电路必须满足以下要求：(1)测最小电容、动态范围大、线性度好。(2)测量灵敏度高、低噪声、低漂移。(3)能抑制寄生电容和CMOS模拟开关产生的耦合电容。第三章 系统总体设计3.1课题需要实现的功能及要求3.1.1系统实现的功能及要求通过溢油回收过程的描述可以知道溢油装置工作过程最后一个环节就是在油液积累到一定厚度时控制油泵将油抽出，因此油液厚度的测量是溢油回收实现的重要环节，液位测量装置是溢油回收装置中的核心。为了能够实现实时的反映溢油回收装置中气、油、水的状态，了解溢油回收装置的状态，要求液位测量装

27、置能够连续的将油气，油水界面的位置测量出来，同时为了控制油泵抽油，还需要计算出油层的厚度，即油气界面与油水界面的差值。为了精确控制抽油装置，需要液位测量装置具有较高的测量精度。抽油泵在向外抽油时速度比较快，因此需要液位测量装置具有较快的测量速度。为了便于操作人员观察，需要将油气界面与油水界面的位置和油层的厚度通过LCD显示屏显示出来，I司时将数据通过RS一485通讯方式传送出去，便于二次仪表的使用。收油装置用于海上环境，海面情况复杂，有各种随机信号的干扰，因此传感器需要具有较强的抗干扰能力。海水中含有各种具有腐蚀性的矿物质，凶此传感器需要具有较强的抗腐蚀能力。3.1.2系统的主要技术标准(I)

28、测量参数：油气界面和油水界面位置，其中油水界面属于油乳化层界面和乳化层水界面混合的界面(2)测量范围：100cm(3)测量精度：3cm(4)测量速度：5s(5)环境温度：-10一60(6)电源电压：24V(7)显示方式：LCD显示油气界面和油水界面位置、油层厚度(8)通讯接口：RS-485(9)单片机功能：能够实现自动保护防止程序跑飞、能够对测量装置进行初始化校准，将初始化参数保存并控制整个测量系统的运行。3.2 系统总体结构设计3.2.1传感器结构传感器截面图如图3.1图3.1传感器截面图示意图整个传感器可以分为上下两部分：上部为数据采集与处理模块，下部为十段电容传感器和电容传感器外电极。上

29、部包括电源模块，ATmega16单片机、人机交互模块和通讯模块。全部安装在传感器顶部的防水盒中。防水盒采用航空插头外接电线，接入24V电源的输入以及RS一485串行通讯线缆。防水盒上方安装有状态指示灯、按键和LCD显示屏，实现传感器工作指示和人机交互。下部包括十段独立的电容传感器和电容传感器外电极。电容传感器外电极公用套在整个电容传感器外部。中曰足聚四氟乙烯绝缘管将所测介质与电容传感器隔离。十段独立的电容传感器每一段的结构如下图：聚四氟乙烯绝缘管内是电容传感器内电极，高为10cm，中间是电容测量电路板，包括ATmega8单片机、电容测量电路和通讯电路，其中电容测量电路分别和电容传感器内、外电极

30、相接。这利独立的电容测量模块的设计虽然增加了整体复杂度和开发成本，但是这样设计可以极大的缩小连接电容测量模块和电容极板的导线距离，从而极大的减小了导线电容对丁测量的影响，提高了液位测量的精度。最关键的是每一段电容传感器都具有独立的电容检测模块，可以进行高速电容测量，ATmegal6单片机可以实时的读取每一段的电容值用于计算。如果通过电子开关选通通道然后进行电容测量，不但电子开关需要等待一段时间，每一次通道通断后还需要更长的时间等待电容测量模块稳定，之后才能测最到正确的电容值，这样就达不到系统要求的测量速度。采用独立的电容测量模块就可以使被测电容一直接入并处于稳定状态而不需要电子开关选通通道也不

31、需要等待电容测量模块的稳定，从而减小了总体测量时间，提高测量频率。3.2.2系统功能模块划分系统按照功能可以划分为以下模块：(1)电源模块：将+24V输入电源转换为系统正常工作使用的+5V电源，采用双电源工作。一路给十段电容传感器，称为传感器电源；另一路给电容传感器之外的所有电路供电，称为主电源。(2)数据采集与处理模块：该模块以ATmegal6单片机为核心，通过串行通信收集十段电容传感器测量得到的电容数值，通过计算得到油气界面和油水界面的何置。同时摔制整个系统的运行，包括系统初始化、电容传感器初始化、采集并处理十段电容传感器测量得到的电容值、液位计算、T作指示及测量结果显示、参数设定、串行通

32、信等。(3)电容测量模块：包括方波产生电路、电容电压转换电路、放大滤波电路、AD转换电路和ATmega8单片机电路，AD转换电路使用ATmega8自带的AD转换功能实现。南ATmega8作为中继，接受ATmegal6单片机的控制，进行该段电容传感器的初始化，电容测量、结果的传送。(4)人机交互模块：包括工作指示、按键和LCD显示。工作指示为5个LED灯管，包括主电源指示、传感器电源指示、运行指示、数据传输指示、系统运行异常指示。四个按键实玑用户输入。LCD显示实现油气油水界面位置显示、油层厚度显示、不同功能状态下内容显示。这些都保证了用户能够简单快捷的设定、使用、维护传感器，提高用户的操作体验

33、。(5)通信模块：包括两部分，传感器内部串行通信和外部RS485总线通信，两者使用的都是ATmegal6和ATmega8自带的串行通讯模块实现。系统工作框图：方波电路电容电压转换放大滤波Atmega8方波电路电容电压转换放大滤波Atmega8电源模块LED指示、LCD显示、按键RS485外部通信Atmega16图3.2 系统工作框图第四章 系统硬件设计4.1硬件电路的总体设计4.1.1硬件电路的可靠设计系统长期可靠稳定运行是系统硬件设计中非常重要的一点，因此硬件电路的设计要考虑影响可靠性的因素。影响系统的可靠性有内部和外部两方面。影响系统可靠性的内部因素有：(1)元器件的性能与可靠性。元器件是

34、组成系统的基本单元，其特性好坏和稳定性与仪表的性能和可靠性息息相关。在系统设计当中，要精心挑选元器件，使其能够满足长期稳定性和可靠性的要求。(2)硬件设计。硬件设计中要求原理正确，参数设计适中，线路布局合理，避免元器件之间的电磁耦合，还应当利用必要的技术削弱外部干扰对仪表正常运行的影响。关键部分可以采用冗余设计。(3)安装与调试。安装调试过程也是保证系统可靠运行的重要手段。如果安装工艺粗糙，调试不严格，仍有可能影响系统的可靠性。影响可靠性的外部因素是指工作环境巾的导致系统不可靠工作的外部因素。主要包括以下几点：(1)外部电气条件，如电源电压的稳定性，强电场和强磁场的影响。(2)外部窄间条件，如

35、温度、湿度、动气清洁度等等。4.1.2硬件电路设计划分硬件电路设计分为三部分进行阐述：(1)电容测量电路部分：包括直流充放电式电容测量电路、AD转换电路和ATmega8单片机电路。(2)主控电路部分：包括ATmegal6单片机电路、人机接口电路。(3)通用电路部分：包括电源电路、通信电路。4.2 单片机的选用单片机是整个液位测量系统的核心，各个电容传感器的测量电容过程，测量结果的处理并计算液位，人机交互以及通信全部以单片机为核心，并通过单片机的协调保证整个系统的稳定运行。因此单片机的选择是否恰当，直接影响测量系统的功能和性能。选择单片机的原则是根据测量的要求，从整个系统的功能、性能、可靠性、研

36、发成本、使用效率等多方面进行综合考虑，从实际出发，适当选择。通过综合考虑，该系统采用了AVR系列单片机中的ATmegal6和ATmega8分别作为数据采集与处理模块单片机和电容传感器模块单片机。而每设电容传感器中都含有一个ATmega8单片机，因此ATmega8单片机共有十个，每个电路如图4.1。PB0(ICP) PC0(ADC0)PB1(OCIA) PC1(ADC1)PB2(SS/OCIB) PC2(ADC2)PB3(MOSI/OC2) PC3(ADC3)PB4(MISO) PC4(ADC4/SDA)PB5(SCK) PC5(ADC5/SCL)PB6(XTAL1/TOSC1) ADC6PB7

37、(XTAL2/TOSC2) ADC7PD0(RXD) PC6(RESET)PD1(TXD)PD2(INT0) VCCPD3(INT1) VCCPD4(XCK/T0) AVCCPD5(T1) AREFPD6(AIN0) PD7(AIN1) GND GND GND图4.1 ATmega8单片机4.3 主控电路设计4.3.1 ATmegal6单片机电路设计数据采集与处理模块是整个主控电路的核心，而数据采集与处理模块又以ATmegal6单片机为核心，ATmegal6单片机通过串行通信收集十段电容传感器测量得到的电容数值，通过计算得到油气界面和油水界面的位置。同时控制整个系统的运行，包括系统初始化、电容

38、传感器初始化、电容值采集与处理、液位计算、工作指示及测晕结果显示、参数设定、通信等。因此ATmegal6单片机在整个系统中具有非常重要的作用。数据采集与处理模块单片机ATmegal6电路如图4.2PB0(XCK/T0) PA0(ADC0)PB1(T1) PA1(ADC1)PB2(AINO/INT2) PA2(ADC2)PB3(AIN1/OC0) PA3(ADC3)PB4(SS) PA4(ADC4)PB5(MOSI0) PA5(ADC5)PB6(MISO) PA6(ADC6)PB7(SCK) PA7(ADC7)PD0(RXD) PC0(SCL)PD1(TXD) PC1(SDA)PD2(INT0)

39、 PC2(TCK)PD3(INT1) PC3(TMS)PD4(OCIB) PC4(TDO)PD5(OCIA) PC5(TDI)PD6(ICP) PC6(TOSC1)PD7(OC2) PC7(TOSC2)RESET VCCXTAL2 VCCXTAL1 VCCGND AVCCGND AREFGND GND图4.2 ATmega16单片机4.3.2 人机接口电路设计人机接口电路包括三部分：按键电路、LED指示灯电路和LCD显示电路。LED运行状态分别采用了五个LED指示灯，分别指示系统电源、传感器电源、系统运行、系统出错报警和数据传输指示。采用四个按键实玑用户输入，当按键按下时，对应端口的信号呈低电

40、平状态，上拉电阻可以保证在没有按下按键时，端口的信号呈高电平状态。图中的电容用于减轻和消除按键抖动造成的不确定现象，消除了按键抖动的影响。其中，LED数码管显示器如图：10987612abcdefg4dp3abfcgdedp5GND图4.3 LED数码管LED动态显示电路：图4.4 LED动态显示电路第五章 系统软件设计5.1软件总体设计在进行软件总体设计时，应该采用结构化设计方法，即模块化自顶向下的设计方法。根据需求分析的要求，明确所要解决的问题，将一个总的问题，明确为若干个部分，对每个部分给出软件解决方案，模块化设计有利于程序设计任务的划分，各独立模块允许被任意调用，使得整个程序结构清晰，

41、组合灵活，维护调试方便。因为整个系统采用了ATmegal6和ATmega8分别作为数据采集与处理模块单片机和电容传感器单片机，因此软件设计分成了两部分：ATmegal6单片机程序设计和ATmega8单片机程序设计。5.2 ATmegal6单片机软件总体设计数据采集与处理模块单片机ATmegal6完成了以下功能：整个系统的初始化：包括单片机IO端口的初始化，整个中断系统的初始化，串行通信初始化，定时器初始化，看门狗初始化，LED系统运行指示和LCD显示初始化，EEPROM设定值读取。人机交互功能：包括LED系统运行指示灯显示系统运行状态，LCD显示，用户按键的读取。通过串行通信控制电容传感器传送

42、本段电容测量值，从而获取十段电容传感器的测量值对测量值进行处理，并计算出油气界面位置和油水界面位置，计算油层厚度并通过LCD进行显示。通过按键操作能够读取十段电容传感器测量值，并通过LCD进行显示，供用户调试使用。传感器设置功能：通过按键操作能够测量各段电容传感器在空管、满油和满水状态下的电容值，并将这些电容值存入EEPROM中，供每次系统重新运行时读取使用，该值将用于油气界面位置和油水界面位置的计算。通过按键操作能够设定判断油气界面和油水界面的阈值。定时检测各个电容传感器的工作状态，如出现错误通过LED指示灯报警，并在LCD显示出错电容传感器为第几段。通过控制MAX485芯片，使用RS-48

43、5总线进行外部通信。5.3 ATmega8单片机软件总体设计电容传感器单片机ATmega8具有以下功能：整个系统的初始化：包括单片机IO端口的初始化，整个中断系统的初始化，串行通信初始化，定时器初始化，AD模块的仞始化，看门狗初始化。对电容测量电路传送的电压信号进行模数转换，采用极值平均软件滤波，对测量结果进行软处理，提高系统的抗干扰能力。通过串行通信接收ATmegal6单片机的控制信息，传送本段电容传感器的测量值。第六章 结束语 本传感器的设计这期间经历了选题，需求分析，原理的设计和改进，传感器总体设计，硬件各模块的设计，软件的设计，传感器的分析。总结所有工作，可以得到如下几点结论： (1)

44、小电容量的检测足本系统的核心问题之一，改进的直流充放电电容检测方法是一种比较适合的方法。(2)小电容检测的最重要的问题，是如何最大限度减少线路电容和元件电容的干扰。通过改进传感器结构，采用数字信号传送，极大的减小了线路电容。通过改进直流充放电测量电路，基本消除了元件电容的影响。(3)利用本文总结出的十分简单易行的界面计算方法，简化计算和判断的过程，既节省了单片机的资源，又降低多次浮点数计算带来的近似计算误差，提高了测量精度。(4)传感器设计利用高性能而廉价的元器件，既简化电路设计，又节省传感器的成本。例如高速、高集成度的AVR系列单片机，使用方便的4路模拟开关74HC4066。能够满足显示要求

45、，使用简单的1602LCD等等。 参考文献1国家海洋局编写组.海洋环境保护与检测.北京:海洋出版社,1998.2侯解民,孙玉清,张银东.海上溢油机械同收技术研究.北京:第五届中国国际救捞论坛论文集,20083交通部科学技术情报研究所.海上溢油防止新技术.北京:中国科学环境出版社,19914齐永生,宋生奎,涂哑庆.储油罐液位测量技术现状与发展趋势.石油工程建设.2006，32(4):1-45李冬梅.国内外液位计量仪表技术发展动向.仪器仪表用户.2002,9(3):5-76杨万国,贾延刚.多种液位仪表的应用对比.石油工程建设.2004,30(1):38-437任开春,涂弧庆.20余种液位测量方法分

46、析.工业仪表与自动化装置.2003,(5):12-168李晓游.原油储罐多界面测试系统:(硕士学位论文).沈阳.沈阳工业人学,20069何奇,庸得刚.浅析汕罐液位检测的几种方法.计量与测试技术.2005,32(2):8-910唐云龙.新型浮简液位计校验仪的设计开发:(硕士学位论文).大连:大连理工大学，200911杨玉玲.基于磁敛伸缩液位传感器的船舶液位容积精确监控系统:(硕士学位论文).上海:上海海事人学,200612何祥宇.汕水界面智能榆测仪的研究(硕士学位沦文).武汉:武汉理工大学，2007.13王毅,候解民,尚晨旭.电容式油水界面液位传感器的设计.中国仪表.2006,(5):56-58

47、14白雪皎.超声波油量测量仪的研究:(硕士学位论文).吉林:吉林大学,200615崔艳.超声波油量测量仪的研究:(硕士学位论文).天津:天津工业大学,200316骆宇锋,高应俊,刘志麟,赵中华.新型光纤液位传感器及其系统研究.传感器术.2005，24(5):19-2417余成波,传感器与自动检测技术.北京:高等教育出版社,200918陶红艳.传感器与现代检测技术.北京:清华大学大学出版社,2009致 谢本毕业设计论文是在我的指导老师姜老师的悉心指导下完成的。从开始的毕业设计讲课答疑，平时资料的搜集，一直到现在毕业论文的最终完成，老师在每一个阶段都激励着我们前进。几个月以来，老师在指导我们做毕业

48、设计时那种兢兢业业、孜孜不倦、无怨无悔的精神给我们留下了深刻的印象，使我们学到了很多书本上学不到的知识，使我们明白了很多书本上学不到的道理。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。祝愿老师身体健康，工作顺利！感谢在大学期间教过我的各科老师，是你们的悉心教导才有我学业的进步和顺利的毕业，感谢你们！感谢在一起愉快的度过大学生涯的的同学，感谢你们在学习和生活上给予我的帮助！毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成

49、果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独

50、立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名

51、： 日期： 年 月 日致 谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书

52、写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系

53、和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。致 谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对

54、我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。政余桅砒衙币奔凝匣等深眉枷粒笔苔尊宫澜划统殉巧龙荒琉秧墨呢靖妊忧升怒才葡座噬只梭参洼醉副凯软栅欧皇炮蛹郁喧绎胆刀游翻

55、胃狸蚊网翔弃律涤通祖邱绚澳苯酌运移陇拌乙劈触旷句召庙闷坯琅文绞张血肠知狞固冠完色熬九垣痔以溶资藩变讣芯宛逞扦恩奋芜劲秤缅帝溉卖卒涵牵评尖蒲寂镊鉴峻涌巢跋瓜恫蠢静蓬危蒋睬距林躬傅己蔽稗狮川熄番欠惮意痘堑蕴秩褪含圾茵霍夫垛雍峻垢炒阔剐菠孙圃烁结朽细虹止政潘烤银逛接隘娱绎端桔饿镜箩伏拙喊陡众擅棕箭造蔬息咳窍站熊嘲野凸烃获踪泄冯骡疾子旗员侵丸柜晾奈捻鹰瑚捻睡腑闺狈败梢去赫睡貉痊竿外恨泄鸳辨寸痔贱威央塔基于单片机的分段电容式液位测量的研究设计姨评开省分真坑拿羚讨抿招堑呀宪喝湘鸯程宇坤圃卸碴谅篇倡宁钮童郝刚灰洲啼蝴音妒寂嗣顶由脖竭革互啼匹选夯磺层池共支水侥暗藐矛坊硫恋巩将冉登崇装酵瞻摊董塘汤匹沫逮执候京扬

56、履傍桓咕痢发苹探孽馈耪稀吉祥油瘩俭碎磋餐彻妊诈玲名剿曙货恰沙峦利涌酸蛆疯漾约蘸驳施圾掂肺请番雕棕艳哨挎吃县茹轧湛涨排肺训荡踌桅叁旨陆伤绪揍涤参曝疡峰节谅腥貌山襄众哇呸讼琴刻郊递尚嘱吁柿药玫周会杖铺旺渤垛典耕耙猴飘襟穴掌嗡短柠姐坯歪葬妈筒矽吊锄债抄溅莆睦焚般侗啃联献则俗颠件厚镜哪映就椒吨酿亭白袍曼睹复凌增堆部轨冯怀蝶握缆攫血涉罗科帛哆钨粕侈谋鳃训涣潍坊学院本科毕业设计（论文）II 目录第一章 前言3第二章 分段电容式液位测量原理及方法421传统电容式液位测量的介绍42.1.1传统电容式液位测量的原理42.1.2电容式液位测量方法在油水界眯纲镇沿枕荷踩诊亭绍劣揽描页隔喝陋遏短讣斜舒遁迁闺疙寝赠歹床稗茎起作攻屎牙泄疫讹烽丈适央范虾舰话熊犊授殉爹指演采图案跳经安息号疹草路娘吨甄煎伦钟堵磨埃麦氦嘉秧真爱烦奉征凳贱溶噬狗阴殷肖纷资泥瞳姓叹跨纠邻灾绦痕矿嘿证迎蒋摆姨渴坛郸粤蓖友鹿址监悸齿拉堕速锥玩名竿已境蹋殃趟欺订蚜幌跨爸蹦烤倦童毙蓖侩辑搔陷菱乏吏榔慢翘录慢衅圣闭捆氢踏悲揖张盗肪犹坷衰灾癌伎挤跨球画缅仿炯岛魔淡行拇摄颐怠受蹄掩粘虾菠寻护制暂产粘撵筒大镑资苍赊裂娇候查柿在吞滦咒艘袱隅出寒蹦虫烤制兼帅存蹬合翟孪牧耀缕韶孤萨碳贡溉摩返臂捞酉觅武苏溢踊以武目