薄膜谐振式液位高度测量用频率计的设计与制作
本文介绍了一种以单片机(AT89C51)为核心与薄膜谐振式水位传感器配套使用的液位高度测量用频率计的设计与制作。还介绍了谐振式水位传感器的新型传感原理,传感器的结构,数字振荡电路的特点，阐述了水位与频率的对应关系。薄膜谐振式水位传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的固有频率来判定水位的高低。
该频率计直接利用单片机内部的计数器对薄膜谐振式水位传感器的频率脉冲信号进行计数，然后利用单片机的定时功能实现对频率的检测，最后通过LED动态显示电路显示数值。在设计中应用了单片机的运算和控制功能，满足测量的精度要求，该频率测量仪器测量误差小于±10Hz测频性能稳定可靠，可单独使用，也可方便嵌入系统中。
该频率计具有结构简单、价格低、精度高、操作简单、并且降低产品的成本,有利于新产品的设计与研制、等特点。随着单片机应用技术的发展，越来越多的测量仪器都采用单片机作为系统进行设计，应用单片机进行系统设计时系统结构简单、控制方便、硬件设计需要外围器件较少，软件设计可采用汇编语言编程，汇编语言具有编程方便、运算效率高、占用内存少等优点。
1绪论
1.1选题的目的及意义
频率测量仪器在生产和科研的各个部门都有使用，也是某些大型系统的重要组成部分；利用单片机的定时计数功能设计的信号频率测量仪，可单独使用，也可方便嵌入系统中。实现频率测量有专用的频率测量仪器，但不易用于特殊场合。本文介绍了一种以单片机为核心构成的与薄膜谐振式水位传感器配套使用的专用频率计。该频率计直接用单片机的计数器对薄膜谐振式水位传感器的频率脉冲计数，然后利用单片机的定时功能，从而实现频率的检测。
在一些特殊场合只需要用到一般测量用频率计就可以，但市场上出售的大多都是多功能频率计，且价格较高，使用起来成本较高。为此，需要设计用于固定场合的专用频率计。本设计介绍一种与薄膜谐振式水位传感器配套使用的频率计。利用薄膜谐振式水位传感器来检测容器内液位高度是一般液位高度检测方法之一。目前，在全自动洗衣机中多使用薄膜谐振式水位传感器来检测桶内的水位，薄膜谐振式水位传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率
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随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低[8]。该频率计根据频率计的基本原理，本文设计方案的基本思想是一种基于单片机AT89C51制作的频率计的设计方法，用汇编语言对单片机编程，实现了闸门控制信号、计数电路、锁存电路、位选电路、段选电路、显示电路等。
测频一直以来都是电子和通讯系统工作的重要手段之一，高精度的频率测量仪和频率发生器有着广泛的市场前景。传统的频率测量仪器都是采用的是在低频段采用测周法，再高频段采用测频法，其精度往往会随着被测频率的下降而下降。频率信号抗干扰性强，易于传输，可以达到较高确度的测量,所以在测控系统中，测频方法的研究越来越受到重视。多种非频率量的传感信号要转化为频率量进行测量。由于单片机内部含有稳定度较高的频率源、定时/计数器等硬件，能很方便的对外部信号或标准信号进行计数，并且可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等，使得基于单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。
1.2 频率测量仪器的现状及发展
随着电子技术的不断发展，单片机应用技术正在逐渐向工业控制和测量仪器仪表系统设计领域渗透，在现代化的工业生产、科学研究等领域中，频率的测量是很普遍的。由于单片机内部含有稳定度较高的标准频率源、定时/计数器等硬件,能很方便地对外部信号或标准频率信号进行计数， 并且可以进行计数的逻辑控制以及数据存储运算等, 使得基于单片机的频率测量系统可以具有更小的体积、更实用的功能及更便宜的价格。频率的测量通常有两种方法:测频法和测周法。由于量化误差的影响,测频法在高频测量时准确度较高，测周法在低频测时准确度较高,但无论是精确测频法还是测周法，量化误差都将在中界频率附近产生较大的误差。
频率计是一种基础测量仪器，到目前为止已有30多年的发展史。早期，设计者们追求的目标主要是扩展测量范围，再加上提高测量精度、稳定度等，这些也是人们衡量频率测量仪的技术水平，决定频率计价格高低的主要依据。目前这些基本技术日臻完善，成熟。应用现代技术可以轻松地将频率计的测频上限扩展到微波频段。
目前，频率测量仪器正向一个宽频域、高精度的频率计方向发展，在高频段采用直接测频法，而在低频段采用测周期法，结合高精度恒误差的原理，设计出测量精度与被测频率无关的频率计
随着科学技术的发展，用户对频率计也提出了新的要求。对于低档产品要求使用操作方便，量程（足够）宽，可靠性高，价格低。而对于中高档产品， 则要求有高分辨率，高精度，高稳定度，高测量速率；除通常通用频率计所具有的功
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能外，还应具有数据处理功能等。由于微电子技术和计算机技术的发展，微波频率计都在不断地进步着，灵敏度不断提高，频率范围不断扩大，功能不断地增加。一些计数器可以测量脉冲参数，并提供类似于频率分析仪的屏幕显示；对这些具有不同功能不同规格的众多仪器，我们应该视测试需要正确地选择，以达到最经济和最佳的应用效果。
1.3 频率计的设计内容及要求
本频率计的设计是基于单片机AT89C51的和薄膜谐振式水位传感器配套使用的用于液位测量的频率测量仪，这就要求设计者在充分了解薄膜谐振式水位传感器特性的基础上进行系统的设计。设计内容主要包括单片机外围电路、锁存电路、位选电路、段选电路、显示电路等。频率测量是电子测量的重要领域。
近几年来的科学技术发展要求频率标准具有更高的准确度和稳定性。频率测量的突出地位使得这方面的测量工作也显得格外重要。针对频率测量仪器领域内的发展现状，对频率计设计有如下要求： 1. 要求该频率计的频率测量范围在1Hz ~60KHz。 2. 测量信号为脉冲信号，幅度为5V。
3. 测量误差要求小于±10Hz,测频性能稳定可靠。
2 薄膜谐振式水位传感器应用
水位传感器是将水位数据转换成电讯号再进行传送的关键设备，目前水位传感器的主要类型有浮子式、超声波式、压阻式、感应式、谐振式等。各种传感器有不同的使用条件和范围，传感器选择恰当与否直接影响到整个水位观测系统的可靠性及精度，特别是在一些自然条件和管理要求较为复杂的灌区应进行充分比较、论证、最终选取适用的传感器。目前，薄膜谐振式水位传感器大多应用在节水设备上用于水位检测与控制，还用于全自动洗衣机的水位控制部分。
2.1 薄膜谐振式水位传感器概述
2.1.1 薄膜谐振式水位传感器的结构
谐振式水位传感器采用新型的传感原理，把水位的高低通过水位传感器直接变成水位与频率的对应关系。该传感器内置三点式水位传感器振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低。水位传感器的结构 如图2-1所示：
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图2-1 水位传感器的结构原理图
2.1.2水位传感器的工作原理
图中水桶的水位H转换为导管口中的气压，通过引入嘴进入传感器气室，气室上面式封闭的，与水位H成正比的气压，被传到薄膜上，导板嵌装在隔膜上，当水位H上升时，气压增大，导板向上移动，当水位下降时，气压降低，在弹簧的作用下，导板向下移动，导板中心有导向轴，受外壳的支撑点限位，使导板上下平行移动，不致偏移。导板上有固定支架，装有磁性元件，在导管气压的作用下导板上下平行移动时，带动磁性元件使其与线圈之间的相对位置发生变化，因此线圈的电感量发生变化。该电感与电容组成三点式振荡电路，该振荡电路的固有频率随水位的变化而变化，通过检测该振荡电路的频率来判定水位的高低[9]。
2.2薄膜谐振式水位传感器的功能简介
2.2.1水位检测
谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC 作为传感器的敏感元件, 将被测物体的变化转变为LC 参数的变化, 最终以频率参数输出。其工作原理是: 将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变化的压力, 驱动内腔上方的一块隔膜移动, 带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动, 从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。水位测量电路如图2-2所示, 为便于与单片机接口, 水位传感器采用数字振荡电路, 电感与电容组成的三点式振荡电路经
C2 耦合接入数字式谐振放大器A1, 随着水位变化, 谐振频率作相应变化, 经A2 整形后输出, 此时即可将数字量接到单片机。
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R2A1A2R3R1C1LC3C2 图2-2 水位传感器测量电路
2.2.2水位与频率关系的对应
由于桶内所形成的压力远小于大气压，因此，由此引起检测内腔的空气体积变化很小，既气腔内外的压差为
?P?H?? （2-1）
式中?为水的密度， H 为水的高度。
压差?P作用于薄膜上， 驱动磁芯位移ΔX ， 磁芯同时受到弹簧的反作用力，压差形成的驱动力为：
F1 = Δp ·S （2-2）
式中 S 为薄膜的有效面积。弹簧的反作用力为：
F2 = K ·ΔX （2-3）
式中 K 为弹性系数。当F1=F2 时位移停止，由H ·?·S = K·ΔX 得：
ΔX = ? S/K·H = A ·H （2-4）
由此可见,水位H与位移ΔX 成线性关系，磁芯在线圈中位移ΔX ，将引起电感量的变化， 已知磁芯与线圈如图2-3 所示。
图2-3 磁心与线圈的位移
电感L 由下式决定，
L????0?[a?R2?(?a?1)??X?r2a]/a2 （2-5）
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薄膜谐振式液位高度测量用频率计的设计与制作
