开题报告基于光纤传感器的分布式液位测控系统.doc

辽宁工程技术大学本科毕业设计论文开题报告 题 目 基于光纤传感器的分布式液位测控系统 指 导 教 师 高 姬 院（系、部） 电气与控制工程学院 专 业 班 级 自动化07-3 学 号 0705010305 姓 名 李 伦 日 期 2010.03.10 教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状选题的目的：本文的目的为设计一种基于光纤液位传感器，以单片机为核心的高精度液位测控系统，该系统应具有性价比高，可靠性和实时性好，精度高，本质安全和易于维护等特点。选题的意义：近年来,随着计算机、光纤、传感器等高新技术的不断发展,有关光纤液位传感系统应用于液位测量的报告很多,光纤液位传感器由于具有无电源、灵敏度高、抗腐蚀和抗干扰能力强等特点,得到广泛应用。国外已经应用先进的光纤液位测控系统,且能满足测量精度要求,但价格昂贵。所以需要一种新型的，性价比高的光纤液位传感器测控系统。在目前过程控制领域中液位控制的研究引起广泛关注，随着集成电路规模日趋大型化、复杂化,各种复 杂的液位控制系统已成为的一个研究热点。单片机以 其控制精度高, 性能稳定、可靠, 设置操作方便, 造价 低等特点, 应用到液位系统的控制之中, 不但保证了系 统的准确性和可靠性, 而且增强了人机交互的能力。随着单片机和微机技术的不断发展, 单片机的应用也 从独立的单机向网络发展, 由PC机和多台单片机构成 的多机网络测控系统已成为单片机技术发展的一个方 向。在一个大型的应用系统中,通常由单片机完成数据 的采集和上传, 后台则通过PC机对数据进行分析并处 理，在这样的系统中,单片机系统一般称之为下位机, 由PC机、网络设备、数据库服务器组成的后台应用部 分则统称为上位机。二者结合, 充分发挥了单片机在 实时数据采集和微机对图形处理、显示以及数据库管 理上的优点, 使得单片机的应用已不仅仅局限于传统 意义上的自动监测或控制, 而形成了向以网络为核心 的分布式多点系统发展的趋势。这样的发展结果，使 PC机和单片机之间的数据通信在具体应用中的作用越来越重要。研究现状及趋势：在现代化的工业生产中,液位测量几乎遍及生产过程的各个环节。在许多生产领域,不但对液位测量精度要求高,还需要测量仪表很好地适应工业现场的特殊环境,例如高温、高压、强腐蚀性、强放射性的场合,以及远距离传送和在密闭压力容器内使用等情况。自20世纪80年代开始,由于微电子计算机、光纤、超声波等高科技的迅猛发展,在液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段,并且其功能越来越完善,各项性能指标越来越易于适应工业生产的要求,趋于自动化、智能化。目前,国内已有许多厂家生产光纤液位计,其中武汉中光光电有限公司生产的光纤液位计可在小于0.1液位的变化条件下,触发信号输出,并自动跟踪光、电信号,经过CPU处理后直接输出标准信号供给二次仪表,实现对液面连续自动的高精度控制。南京航空航天大学研制的光纤液位计,用于液位检测时精度可达1,响应时间小于0.01,最大可传输距离为5。目前市场上出现了许多新的光纤液位计。已用于工业生产过程的有:(1)双波纹管结构光纤液位计。该液位计以差动方式工作,采用全光路补偿方法和多种温度补偿技术,使得光纤液位计具有自动补偿性能,克服了光源强度起伏和环境温度变化这2个主要因素对结构式强度型光纤液位计测量精度的影响。(2)浮筒式光纤液位计。该液位计是一种适用于易燃、易爆液体贮罐的光纤液位计,实现了现场全光无电在线检测功能,其输出信号与光强变化无关,具有很好的稳定性和抗干扰能力。(3)反射式动栅光纤液位计。该液位计的光源、光纤、探测器位于光敏元件的同一侧,输入、输出共用1根光纤束,结构简单、易于测量、成本较低,适用于大型液体贮罐的液位测定。其它还处于研制开发阶段的光纤液位计有棱镜式光纤液位计、斜面单光纤液位计。近年来,微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。新的检测原理与电子部件的应用使得液位计更趋向小型化和微型化,特别是一些小型现场液位开关发展极快,如光纤液位计,由于没有可动部件,所以可靠性高,不仅可现场显示,而且可以发出控制信号。与此同时,液位检测也正向着智能化方向发展,在液位测量领域内广泛应用微处理技术,以实现故障诊断和报警功能,提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。在应用和设计液位计时尽量实现不接触式或不渗透式测量,如雷达液位计,从而提高探头对恶劣环境的抵抗能力,以便在恶劣环境下准确、可靠地工作。随着计算机应用的普及,直接输出数字信号的数字化液位传感器已成为这一领域仪表的发展趋势;随着纳米技术、生物工程技术的发展,纳米技术和生物技术在液位测量中的应用也将会日益增多。总的来说,液位计必将向着微型化、高精度、适用范围广、低功耗、智能化方向发展。二、研究方案及预期结果（一）研究方案控制端口 MCU六通道编程放大器除法器电换光转位移传感器光发射机液晶显示A/D转换超限报警电换光转USB接口监视液面PC 图一基于光纤传感器的分布式液位测控系统（如图一所示）可以大致分为以下几个部分：1. 数据采集电路。该电路的功能主要是采集容器中即时的液位高度，并且负责把这个采集到的信号转换成单片机可以识别的数字信号并送入单片机。具体方案：光纤位移传感器探头置于监测容器的被测液体上方,从控制室发出光信号,由光纤传输到光纤探头处射在液体界面上;反射光经光纤传到光电检测器(光电二极管),将光信号转换成电压信号,该电压信号与光强度成正比;经过功率放大器放大后,将反射信号和参考信号送入一个模拟除法器,除法器输出的电压信号与液面高度成正比; 将多路该电压信号送入数据处理单元。2. 数据处理单元。这部分的工作是接收采集模块送来的数据，然后和事先预定的液体高度值进行比较，高出预定值或者低于预定值将会发出不同的控制信号来控制执行部分从而能够达到控制液位的目的。同时还能够通过键盘设定不同的液位值来进行调整，并在数码管上显示当前液位值，达到精确控制的目的。 具体方案：多路电压信号送入MCP6S26型6通道增益可编程放大器的输入通道后,由单片机控制依次选通;将选通路的电压模拟量送入MAX1224型12位模/数转换器,经模数转换后以串型数据形式将各点高度对应的电信号转化为12位数字编码,送入单片机微处理器;处理结果送至执行机构。3.执行机构。该机构采用的是一个能够通过提供其电流大小来控制通过其中的液体流量的控制阀。如果单片机分析得出即时的液体高度比预定值低许多时，就会最终输出一个数值比较大的电流，来控制流量阀在单位时间内通过更多的液体，使液体高度尽快地回复到所需液位高度值。反之，开启排水阀进行调整。 具体方案：将数据处理单元得到的液位信息传到液晶显示端口显示;液晶显示屏循环显示各测量点的液位高度和测量点编号;单片机程序中设置液位上下限后,当某一测量点液位达到设定值时,单片机驱动蜂鸣器及LED报警并驱动外接设备进行相应操作;报警时,液晶显示屏显示超限位置的编号和超限方式(超高或超低)。4. 多机通信单元。要建立一个一对多的多机串行通信平台，即一台PC机与多个单片机之间进行多机互联，PC机作为主机，单片机作为从机，实现主机对各个从机的控制，以及主机与从机之间的数据传输。具体方案：单片机通过PDI USBD12型USB接口芯片与PC机连接,传输过程采用标准USB1.1协议,将各测量点编号和高度编码高速传给PC机;PC机的软件系统显示各测量点的编号、监控地点、液位高度、上下限等信息;当液位超限时,PC机的软件系统弹出报警对话框显示超限位置编号和超限形式。（二）预期结果设计完成具有性价比高，可靠性和实时性好，精度高，本质安全和易于维护等特点的基于光纤传感器的分布式液位测控系统。达成本科生毕业论文一篇。控制系统可行性市场分析。三、研究进度1第4至5周：整理资料，完成开题报告和实习报告。2第6至7周：拟订系统的设计方案，方框图，原理图。3第8至10、11周：详细设计硬件及接口电路并绘制硬件电路图。4第10、11至12周：进行软件的编程设计。5第13周：详细写论文，整理并完成草稿。6第14周：修改草稿，二次整理。7第15周：修改二稿，整理并完成最终成文。8第16周：答辩准备阶段。9第17周：进行毕业答辩。四、主要参考文献1杨万国,贾延刚.多种液位仪表的应用对比.石油工程建设,20042郑卫东.储罐液位仪表的应用及发展.甘肃科技,20053陆石辉,邱瑞鑫,黄少先.雷达液位计测量系统及应用.广东水利电力职业技术学院学报,20084郑龙江,杨影.新型光纤液位测量系统的研究.传感器技术.2001,20.5张丽红,李艳萍,侯桂凤,等.一种强度补偿反射式光纤位移传感器的研究.农机化研究,20066李福进,张淑卿,陈至坤.新型光纤液位测量系统的研究.仪表技术与传感器,20067周立功.PDIUSBD12固件编程与驱动开发.北京:北京航空航天大学出版社,2003.8 陈霞,白小军. 基于单片机的液位监控系统J . 武汉理工大学学报,2007 9 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M . 北京: 清华大学出版社,1996. 10 刘华东. 单片机原理与应用 M . 北京: 电子工 业出版社,2003. 11 何希才. 传感器及其应用实例 M . 北京: 机械 工业出版社,2004. 12 付晓光. 单片机原理与实用技术M . 北京:清 华大学出版社,200413LIUYQ,GUOZY,ZHKNGY.Simultaneous pressure and temperature measurement with polymer coated fiber Bragggrating.ElectronLett,200014XIEF,WANGHQ.A fiber Braggg rating sensing system with a fiber F-P wavelength filter.光电子激光,2003,1415Philips Semiconductor. PDIUSBD1 2: Universal Serial Bus peripheral controller with parallel bus.2006.五、指导教师意见指导教师签字