单片机的分段电容式液位测量的研究本科课程设计文档格式.docx
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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：
Whenseparateoilfromwateratspilledoilrecoveryprocessing，thedetectionofoil—gasinterface，oil—waterinterfaceandtheoilthicknessisacriticalpart，notonlycandetectoilgasinterfaceandoil-waterinterface，butalsoneedtoensuretheresultsinreal—timeandcontinuous，requiresfasterdetectionspeed．Thisissueisresearchasuchofmeasurementthatreal·
-timeanddynamicdetectmultiinterfaceliquidlevelusingmicro—controllerandcapacitancemeasuring．
Bymeasuringthecapacitanceofsub—capacitorsensorthenprocessingthe
measureddatatogettheinterfacepositionistheoverallideaofthispaper．
Thispaperfirstintroducesthevariousliquidlevelmeasurementmethods，andthenanalysistherequirementsmentionedinthesubjectandprovidesliquidlevel
measurementneeds，bycomparingselectedvarietyofmeasurementmethodsand
selectedmeasurementbasedonsub-capacitorsensor．Describedtheprincipleanalysesofsub—capacitorsensorforliquidlevelmeasurement，implementation，andsolutionproblems，gointodetailaboutthedesignandproductionprocessoftheliquidlevelmeasurementsensorsfrombothhardwareandsoftwareaspects，andfinallyistheexperimentandanalysisoftheexperimentandexperimentaldata，therebytoverifytheliquidlevelwithsub—capacitorsensorinthistopiciscorrect．
KEYWORDS：
Sensor；
Sub—capacitor；
LiquidLevel；
SingleChipMicrocomputer
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集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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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。
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年月日
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涉密论文按学校规定处理。
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导师签名：
日期：
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，1973—2006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
。
第二章分段电容式液位测量原理及方法
2．1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ε的介质时，其电容值的计算表达式如下：
C=
（2-1）
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ε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ε。
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3．1计算出此时油的介电常数。
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2．1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
10
20
30
40
50
介电常数
88
84
80
76
73
70
（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Ⅳ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Ⅳ个I／N量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过Ⅳ个电容传感器的测骨=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,
为纯油段,
为纯水段，根据这几个电容值，通过公式2．1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。
2.2.2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100pF／m。
（2）测量电路中使用的CMOS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）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：
5／s
（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、A／D转换电路和ATmega8单片机电路，A／D转换电路使用ATmega8自带的A／D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。
（5）通信模块：
包括两部分，传感器内部串行通信和外部RS．485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：
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、A／D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。
图4.1ATmega8单片机
4.3主控电路设计
4.3.1ATmegal6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4.2
图4.2ATmega16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：
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