Ультрозвуковой измеритель уровня жидкости

Клавиатура  состоит только из одной клавиши, по нажатию которой осуществляется установка нулевого уровня заполнения резервуара - точки отсчета.

Современные однокристальные микроконтроллеры весьма функциональны, что позволяет  отказаться от использования в устройстве громоздких аппаратных решений, таких  как внешний аналогово-цифровой преобразователь, внешняя память, различные  преобразующие и согласующие  элементы, все эти блоки уже  входят в состав ОЭВМ, и зачастую реализуются при помощи программных  средств. Микроконтроллер в данном устройстве является основным функциональным узлом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Анализ схемы электрической принципиальной

 

 

При подаче сигнала на схему микроконтроллер DD1 программно формирует на своём  выходе RB3 пачки импульсов. Длительность пачки — около 400 мкс, период повторения — 500 мс. Частота импульсов, образующих пачку, в программе задана равной резонансной частоте датчика (пьезокерамического излучателя-приёмника ультразвука BQ1) — 33 или 40 кГц в зависимости  от его типа.

Чтобы обеспечить необходимую мощность излучения, усилитель  на транзисторах VT1 и VT2 доводит размах подаваемых на датчик BQ1 импульсов до 80 В. Этот усилитель питается двухполярным напряжением +/-40 В, получаемым с помощью  преобразователя постоянного напряжения в постоянное на микросхеме DA1. Датчик соединяют с блоком коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом.

Одновременно  с началом пачки запускается  внутренний счётчик микроконтроллера. Излучённая ультразвуковая волна (зондирующий  импульс) достигает границы раздела  воздух—жидкость и, отразившись  от неё, возвращается назад к датчику, который теперь служит приёмником ультразвука.

Принятый  отражённый сигнал поступает на вход микросхемы DA2. Ограничитель на диодах VD5 и VD6 защищает его от значительно  более мощного зондирующего импульса. Микросхема DA2 усиливает сигналы, фильтрует  их, выделяет огибающую и преобразует  её в прямоугольные импульсы амплитудой около 5 В, показанные на рисунке 3.1.

Период  повторения зондирующих импульсов  может быть вычислен по формуле:

 

 

где  L - расстояние между датчиком и отражающей поверхностью;

Vзв - скорость звука. 

Если  считать V_зв=333 м/с, а время — в микросекундах, то расстояние датчик—поверхность в сантиметрах равно:

 

 

 

где Тз - задержка между излучённым зондирующим и принятым отражённым от

контролируемой  поверхности импульсами.

 

Микроконтроллер с помощью встроенного счётчика-таймера  измеряет интервал t_з , переводит результат в сантиметры и выводит его на ЖКИ HG1. Фактическая скорость звука в реальных условиях может отличаться от указанного выше значения, это приводит к погрешности измерения уровня жидкости не более 2 %.

 

Рисунок 3.1 - Прямоугольные импульсы

 

При расстоянии датчик—поверхность менее 40 см нормальная работа прибора нарушается. В каждом периоде повторения зондирующих  импульсов он принимает два и  более отражённых сигнала, а вычисленное  значение расстояния сильно отличается от истинного. В связи с этим в  программе микроконтроллера наложен  запрет на обработку отражённых сигналов, приходящих с задержкой менее 2,4 мс, и зона 0...40 см "закрыта" для  измерения.

В случае временного отсутствия отражённых сигналов на ЖКИ выводится надпись "noSfnSor". Если их нет более 40 с, от напряжения высокого логического уровня на выходе RB4 микроконтроллера включается светодиод HL1. С возобновлением приёма отражённых сигналов измерения продолжаются.

В изготовленном  приборе в первую очередь необходимо проверить работу преобразователя  напряжения +5 Вв +40 В и -40 В. Эту проверку следует выполнять до установки  на плату транзисторов VT1 и VT2. Подав  напряжение +5 В, измеряют вольтметром  напряжение -40 В на конденсаторе С13 и +40 В на конденсаторе С16. В случае несоответствия необходимо подобрать  резистор R20. Затем окончательно собирают прибор и подключают к нему датчик.

Осциллографом проверяют наличие пачек импульсов  на выводе 9 (RB3) микроконтроллера. На выходе усилителя (в точке соединения резисторов R9, R10) и на датчике BF1 размах этих импульсов  должен быть около 80 В. Датчик должен издавать хорошо слышимые щелчки, повторяющиеся  с частотой 2 Гц.

Дальнейшая  регулировка сводится к установке  чувствительности приёмной части прибора  подстроечным резистором R17. Осциллограмма  напряжения на выходе (выводе 1) микросхемы DA2 должна быть подобна изображённой на рисунке 1. В каждом периоде должны наблюдаться один зондирующий и один отражённый импульсы. Если отражённых импульсов видно больше, необходимо подстроечным резистором R17 уменьшить чувствительность прибора. Для увеличения интенсивности отражённого сигнала необходимо позаботиться о том, чтобы вертикальная ось датчика (направление наибольших интенсивности излучения и чувствительности) была направлена строго перпендикулярно поверхности жидкости.

При включении  питания уровнемера на его ЖКИ  на 1 с появляется надпись "Start", затем она исчезает и начинается измерение уровня жидкости. Его результат  в сантиметрах занимает на ЖКИ  знакоместа с седьмого по девятое  слева и обновляется два раза в секунду. Для перехода в режим  установки параметров необходимо нажать на кнопку SB1 и удерживать её в течение  примерно 8 с. На ЖКИ должна появиться  на 1 с надпись "---". Затем начнётся автоматический перебор параметров в следующем порядке:

SEt — выбор выводимого на ЖКИ  расстояния (0 — поверхность—датчик, 1 — поверхность—дно резервуара);

LEU — расстояние от датчика  до дна резервуара (только в  режиме SEt=1, при SEt=0 этот параметр  пропускается);

OFF 1 —  уровень отпускания реле К1;

On 1 —  уровень срабатывания реле К1'

OFF2 —  уровень отпускания реле К2;

On2 —  уровень срабатывания реле К2;

HySt —  ширина зоны гистерезиса.

Каждый  из них остаётся на индикаторе 7 с. По окончании цикла перебора прибор возвращается в рабочий режим. Фактически всегда измеряется расстояние датчик—поверхность. Но при SEt=1 перед использованием и  выводом на ЖКИ оно вычитается из введённого пользователем значения параметра LEU.

Чтобы изменить значение любого параметра, во время  его присутствия на ЖКИ нажимают на кнопку SB1 (увеличение) или SB2 (уменьшение). Параметру SEt нажатием на кнопку SB1 присваивают  значение 1, а на кнопку SB2 — 0. На время  удержания любой кнопки нажатой  счёт времени прерывается. Если отведённого  интервала времени на установку  нужного значения не хватило, её можно  продолжить, повторно войдя в режим  просмотра параметров. Поскольку  установленные значения параметров хранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера, они не изменяются при выключении и последующем  включении питания прибора.

Все уровни задают в сантиметрах. Следует соблюдать  следующие условия:

On KOFF1, On 2<OFF2 (при SEt=0);

On 1 >OFF1, On 2>OFF2 (приSEt=1).

Гистерезис  необходим для защиты от ложных срабатываний. Например, такое срабатывание может  произойти при появлении импульса помехи в интервале между уровнями срабатывания и отпускания реле. Чтобы  этого не произошло, программа микроконтроллера сравнивает каждый новый отсчёт уровня с предыдущим. Новый отсчёт считается  истинным и выводится на ЖКИ, если он отличается от предыдущего не больше, чем на заданное значение HYSt. Например, при предыдущем отсчёте 150см и HYSt=10 допустимым будет считаться новый отсчёт в пределах от 140 до 160см. Результаты, не попавшие в этот интервал, будут  проигнорированы. А если помеха всё-таки попадёт в него, она внесёт незначительную погрешность.

При очень  быстром изменении уровня жидкости или при волнении на её поверхности  рекомендуется задать HYSt=10, в противном  случае достаточно 5—7.

Нажатием  и удержанием в течение 5 с кнопки SB2 можно перезапустить микроконтроллер. После этого работа его программы  начнётся с самого начала, как при  включении питания, а на выводах 11 и 12 будет установлен низкий логический уровень, что обесточит обмотки  реле К1 и К2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Выбор элементной базы

 

 

Для исследуемого устройства выбираем следующую элементную базу, наименование и характеристики которой указаны ниже:

1) Резисторы:

а) Резисторы R1…R13, R15, R16, R18…R25 − резисторы постоянные SMD 1206:

- диапазон  номинальных значений, Ом…………………………………0 , 1…30000;

- допустимое  отклонение от номинала, %……………………………...1; 5;

- номинальная  мощность, Вт……………………………………………..0,25;

- рабочее  напряжение, В………………………………………………….200;

- максимально  допустимое напряжение, В……………………………...400;

- рабочий  диапазон температур, °С………………………………………–55…+125.

б) Резистор R14 - постоянный проволочный KNP-1:

- номинальная  мощность, Вт…………………………………………..…1;

- ТКС, ppm/°C………………………………………………………………±300;

- точность,%  ……………………………………………………………….±5, ±1;

- температурный  диапазон, °C…………………………………………….-55…+250.

в) Резистор R17 - подстроечный резистор ACPCA6V:

- угол поворота (механический), °………………………………………...235 +/ 10;

- угол поворота (электрический),°………………………………………..215 +/ 20;

- максимальный  момент в крайнем положении,Нсм……………………4;

- диапазон  значений сопротивления, Ом…………………………………100 ... 5000;

- точность,%...................................................................................................20…30;

- максимальное  напряжение, В……………………………………………60, 100;

- рабочая  температура, °С…………………………………………………25 ... +70.

2) Конденсаторы:

а) Конденсаторы С1, С2, С5…С9, С11- полипропиленовые плёночные  фольговые металлизированные конденсаторы К78-2:

-интервал  рабочих температур, °C……………………………………….-40…+85;

- номинальное  напряжение, В…………………………………………….1000, 1200,

1600, 2000,

3000;

- диапазон  емкостей, мкФ…………………………………………………0.0010…1.0;

- допустимое  отклонение емкости,%..........................................................±5…±10;

- предельно  допустимое напряжение (5с), В…………………………….1.75;

- тангенс  угла потерь (20°C, 1kHz) ……………………………………...≤0,0008.

б) КонденсаторыC3, C4, С10, С13…С16 - электролитические алюминиевые конденсаторы К50-35:

- диапазон  рабочих температур, °C……………………………………….- 40...+85;

- номинальное  напряжение, В……………………………………………..6,3…450;

- номинальная  емкость, мкФ………………………………………………0,1…15000;

- допустимые  отклонения емкости от номинала, %...................................± 20.

в) Конденсатор  С12 – керамический выводной К10-17А:

- рабочее  напряжение,В……………………………………………………50;

- рабочая  температура,С…………………………………………………...-60…+125.

3) Диоды:

а)Диоды VD1…VD6, VD8…VD10 - выпрямительные диоды BAS32L:

- максимальное  обратное напряжение диода, В………………………….75;

- прямое  падение напряжения, В…………………………………………..1;

- прямой  ток диода,мА……………………………………………………..200;

- количество  диодов в корпусе, шт………………………………………...1;

- время обратного  восстановления диодов, нс……………………………4.

б) Диоды  VD7, VD11 - выпрямительные диоды SM4007:

- максимальное  постоянное обратное напряжение,В…………………....1000;

- максимальное  импульсное обратное напряжение,В…………………...1200;

- максимально  допустимый прямой импульсный  ток,А………………...30;

- максимальный  обратный ток(при 25гр),мкА…………………………..5;

- максимальное  прямое напряжение(при 25гр),В……………………….1.1;

- рабочая  температура,С……………………………………………………-65...+150.

в) Светодиод HL1 – АЛ307БМ:

- длина волны,  нм……………………………………………………………655;

- прямой  ток, мА…………………………………………………………….10;

- прямое  напряжение, В…………………………………………………….3.0;

- цвет свечения……………………………………………………………...красный.

4)Дроссель:

а) Дроссель L1 - ДПМ-0,1:

- диапазон  температур, °C…………………………………………………..-60...+85;

- максимальный  постоянный ток,  А…………………………………………0,1;

- добротность…………………………………………………………………….40;

- номинальная  индуктивность, мкГн…………………………………………..100;

- допуск  номинальной индуктивности, % ……………………………………10.

5)Транзисторы:

а) ТранзисторVT2 -  КТ503Е:

- структура………………………………………………………………………...n-p-n;

- импульсное  напряжение коллектор-база, В…………………………………..100;

- импульсное  напряжение коллектор-эмиттер, В………………………………80;

- импульсный  ток коллектора, мА………………………………………………150(350);

- статический  коэффициент передачи тока биполярного  транзистора в схеме с общим  эмиттером………………………………………………………………………………..40…120;

- обратный  ток коллектора, мА………………………………………………….1.

б) ТранзисторVT1 - КТ502Е:

- полярность………………………………………………………………………p-n-p;

- максимальная  рассеиваемая мощность, Вт…………………………………...0.35;

- макcимально  допустимое напряжение коллектор-база, В…………………..80;

- макcимально  допустимое напряжение коллектор-эмиттер,  В……………....80;

- макcимально  допустимое напряжение эмиттер-база, В……………………..20;

- макcимальный  постоянный ток коллектора, А………………………………0.15;