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1、水位传感器自动测试系统的设计1 水位传感器的工作原理：水位传感器原理图如图 1 所示，主要利用电容传感器原理，其电容极板间的距离变化引起电容值的变化而达到水位测试的目的。极板下边所连空心小球所受浮力的大小与极板的所受重力应满足应满足的条件如公式，极板间的距离 x 代表着水位的高低，x 与电容值应满足的公式如式。图 1 测试简易图mggv C= A/x 2 测试方案：测试方案流程图如图 3 所示：传感器 调频震荡器 鉴频放大输出电压由此流程图可以知道是利用电容传感器变化的电容值和高频震荡器电容并联，改变了频率，再由鉴频把它转化成电压信号，在进行放大输出，输出后的电压波形图如图 3：图，调频震荡：
2、调频调制原理设载波 y（t）=Acos（0t ） ，这里角频率 0 为常量。如果振幅 A 为常数。让载波瞬时角频率 （t）随调制信号x（t ）做线性变化，则有：（t）=0+kx（t） =d（t）/dt 式中的 k 为比例因子。于是调频信号的总相角可以表示为：（t ） =（t）dt=0t+k x（t ）dt+0频率调制一般用振荡电路来实现，如图 4 所示 LC 振荡电路，变容二极管调制器（电容传感器） ，组成的电路。LC 振荡电路该电路常用于电容，涡流，电感等传感器作测量电路。将电容或电感作为调谐参数，则电路的震荡频率为：f0=1/2LC0 若电容 C0 的变化量为 C，则上式变为：f=1/2L
3、C0(1+C/C0)=f0/1+C/C0 将上式按泰勒级数展开并忽略高阶项，得ff0(1-C/2C0)=f0-f 式中：f=f0C/2C0 将式代入式 可以得到：f= f0xA/2 C0 有以上分析可以知道 LC 振荡电路的振荡频率 f 与调谐参数呈线性变化关系，亦即振荡频率受控于被测物理量（这里指 C0） 。这种被测物理量转化为振荡频率的过程称为直接调频测量。 图 4鉴频电路：对调频波的解调也称为鉴频，鉴频的原理是将调频信号频率的变化相应的复原为原来电压幅值的变化。鉴频有多种方案可以使用，一般采用鉴频器和锁相环解调器。前者结构简单，在测试技术中经常使用；后者解调性能优良，但结构复杂，一般用于
4、要求较高的场合。现在我们用的是振幅鉴频电路原理图如图 5 所示：图 6图 5 为鉴频器示意图，该电路实际上是一个高通滤波器及一个包含络检波器构成。图 6 为滤波器的幅频特性 H（f） ，从H（f ）过度可以看到，随输入信号频率的不同，输出信号的幅值值便不同。通常在幅频特性的过渡带上选择一段接近直线的工作范围来实现频率与电压的转化，并将调频信号的载波频率f0 设置在这段线性区的中点附近。由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号 x（t）等幅的 u（f）经过高通滤波器后变换为u（a） 。而 u（a）则成为随调制信号 x（ t）的“调幅”信号，其包络形状正比于调制信号 x（t） ，但频率仍与调频信号u（
5、f ）保持一致。该信号经二极管整流检波器检出包络信号。即可恢复出反映被测量变化的调制信号 x（t） 。 以上是调频解调的两个步奏，调频的最大优点在于他抗干扰能力强。这是应为调幅波容易受噪声干扰的影响，而调频是利用频率变化的原理，对噪声的幅度影响不太敏感，因而调频电路的信噪比比较高。根据以上原理，可知调频后的电路为：正玄电路公式为：1=1/jC+jL 1输入函数为： 2=1/jC 2将 1 和 2 相乘得：3=1+LC 31 和 3 相乘： x=1/jC+jL2C 4通过高通滤波器后，为 1/jC 则 x=-jx/A 5图 5放大电路：由于鉴频完了的信号比较微弱所以为了更清晰的显示我们采用了放大
6、电路如图 8 所示：其放大倍数为如下公式：U（y）=-u0C1/C2 图 83，控制方案；将鉴频后的电压信号通过放大电路，再经 A/D 转换器将模拟量转换为数字量，再将数字量送到主机当中（这里的主机指C51 单片机） ，可进行单片机编程。其程序流程图如下图：传感器 调频震荡器 鉴频放大A/D主机图 7放大电路，前面已经详细介绍，且采用相同放大倍数。A/D 转换器:A/D 转换过程包括取样，保持，量化和编码四个过程，一般，前两个步奏在取样保持电路中一次性完成，后两个步奏在 A/D转换电路中一次性完成。1，取样和取样定理：我们知道，要确定一曲线，理论上要用无穷多个点，但有时并非如此，比如一条直线，
7、去两个点即可。可对于区县要多去几个点而已，将连续变化的模拟信号用多个时间点上的信号值来表示称为取样，取样点上的信号值称为样点值，样点的全体称为原信号的取样信号。一个取样点信号示意图如图 a 所示。取样点的时间可以是等时间的，也可以是非等时间的取样间隔。问题是：对于频率 f 的信号，应当取多少个点，或者更准确的应当用多高的频率进行取样？取样定理将回答这个问题：在 进 行 模 拟 /数 字 信 号 的 转 换 过 程 中 ， 当 采 样 频 率 fs.max大 于 信 号 中 最 高 频 率 fmax 的 2 倍 时 (fs.max=2fmax)， 采 样之 后 的 数 字 信 号 完 整 地 保
8、 留 了 原 始 信 号 中 的 信 息 ， 一 般 实 际应 用 中 保 证 采 样 频 率 为 信 号 最 高 频 率 的 5 10 倍 ； 采 样 定 理又 称 奈 奎 斯 特 定 理 。 即 采 样 定 理 这 就 是 说 对 于 一 个 周 期 波 ，每 个 周 期 只 要 取 两 个 样 点 即 可 ， 条 件 是 必 须 用 滤 波 器 复 原 信号 。 用 公 式 可 以 表 示 为 ： 在工程上，一般取 2，取样-保持取样后的样点值必须保持下来，并在取样脉冲结束后到下一个脉冲到来之前保持不变，以便使电路在此期间内将该样点转换成数字量，这就是所谓的取样-保持。3 量化与编码注意
9、，取样保持后的样点值仍是连续的模拟信号，为了用数字量表示，必须将其转化成某个最小单位的整数倍。比如取样保持后的电压值为 10V 如果以 1V 为最小单位，转换成的数字就是 10；如果以 1mV 为最小单位，转化成的数字就是 10000；这个化模拟量为数字量的的过程成为量化。有只舍不入式的量化和有舍有入式量化两种。转化成的数字可以用十进制表示，也可以用 2 进制表示。或BCD 码表示等，这就是所谓的编码。一般多用 2 进制码。在我们的电路中应该使用双积分型。双积分型 ADC 是一种 V-T 型 A/D 转换器，原理图如图 10 所示，由积分器，比较器，计数器和部分控制电路组成。工作过程如下：（1
10、）平时（即 A/D 转换之前），转换控制信号 Vc=0，计数器和触发器 FFc 被清零，门 G1，G2 输出低电平，开关 Sa 闭合使电容 C 完全放电，S1 掷下方，比较器输出 Vb=0，门 G3 关闭。图 a图 b（2） Vc=1 时，开关 Sa 断开，开关 S1 掷上方接入信号V1，积分器开始对 V1 积分，积出电压为 显然 V0 是一条负向积分线，如图 b 中的 t=0T1 段实线所示。与此同时，比较器输出 Vb=1（因 V00），门 G3 开启，计数器开始计数。（3）当积分到 t=T1= 时（其中 Tcp 是时钟 CP 的周期），n 位计数器计满 2 的 n 次方复 0.FFc 置
11、1，门 G2 输出高电平，开关 S1 掷下方基准电压（-Vref），积分开始对（-Vref）进行积分。设 t=T1 时，V0 下降到 V0=V01，由式V01=-T1V1/RC 因为（-Vref）为负值，所以从 V01 开始向相反方向积分，即：V0 波形如图 b 中 t=T1（T1+T2）段实线所示（途中下方的虚线是最大输入电压时的积分线）。（4）当 t=T1+T2 时，V0 上升到 V0=0V,Vb=0，门 G3 被关闭，计数器停止计数，此时计数其中保存下来的数据就是时间 T2。由图可知，输入信号 V1 越大，V01 绝对值越大，T2 越大。将式，t=T1+T2 和 V0=0V 代入式中，得
12、： V0=-V1T1/RC+VrefT2/RC=0 从而有显然，计数其中的数字与输入信号 V1 成正比。3，主机部分。将 A/D 转换过来的数字信号输入到主机当中，以 C51 单片机为主机部分 C 语言控制系统实现测量过程的自动化，系统快速，准确，方便。最终在 CET 水位显示器上显示电压变化图。采用C 语言编程，可发挥其处理功能强，运算速度快的特点直接实现对系统硬件及外围接口的控制。其 C 语言程序流程图如下：开始水位上升是否到 2m灯亮否通过以上程序，可以与预先设好的水位置进行比较，如果达到就把电压图进行显示。综合以上所说下面我们列出整个设计过程的流程图。传感器调频振荡器鉴频放大A/D主 机警示灯
