隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求。在自動(dòng)蒸餾測(cè)控系統(tǒng)中，準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出蒸餾過(guò)程中從冷凝管餾出的第一滴液滴是獲取初餾點(diǎn)的前提；實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量出量筒中回收液體體積的變化是控制蒸餾過(guò)程中不同時(shí)段不同蒸餾速度的依據(jù)。而目前擔(dān)負(fù)著對(duì)冷凝管餾出的液滴進(jìn)行檢測(cè)、回收、計(jì)量、測(cè)速等任務(wù)的完成有諸多不盡人意的地方，需要更加完善、合理的液滴、液位檢測(cè)跟蹤控制系統(tǒng)。

　　從液位測(cè)量的方法看，按檢測(cè)器與液體接觸與否分為兩大類：一是接觸式測(cè)量，二是非接觸式測(cè)量。當(dāng)需要通過(guò)測(cè)量液位變化確定體積變化時(shí)，一般采用非接觸式測(cè)量方法。但在大多數(shù)非接觸式測(cè)量中，液位傳感器測(cè)試范圍較大，絕對(duì)分辨率均大于0.5ml，因而在體積變化范圍為0-100ml，液位變化范圍為0-200mm時(shí)，要達(dá)到0.1ml的分辨率，普通的傳感器就難以滿足要求。為此，需要研制一種測(cè)量普通100ml玻璃量筒中液體體積實(shí)時(shí)變化的高精度液位檢測(cè)系統(tǒng)。

　　針對(duì)以上所存在的問(wèn)題，本文介紹了一種以AT89C52單片機(jī)為核心的液位檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變化的液位進(jìn)行高精度體積測(cè)量的目的。

　　一、 積測(cè)量原理

　　由于量筒的容積

　　是確定的，且制作均勻，那么一定體積的液體在量筒內(nèi)對(duì)應(yīng)的高度也是一定的。傳感器與螺桿是相互耦合的，螺桿的頂端與步進(jìn)電機(jī)的中軸是直接相連的，步進(jìn)電機(jī)每走一步，螺桿就跟著轉(zhuǎn)一個(gè)小角度。因此，在電機(jī)步距和螺桿螺距一定的情況下，量筒的單位高度與電機(jī)步數(shù)成正比關(guān)系。于是，可將量筒內(nèi)液體的體積直接轉(zhuǎn)換成電機(jī)的步進(jìn)數(shù)，即電機(jī)每走一步所代表的液體的體積是多少毫升。

　　體積測(cè)量示意圖如圖1所示。為了確定電機(jī)的步進(jìn)數(shù)與確定量筒內(nèi)液體的體積毫升數(shù)之間的換算關(guān)系，我們需要對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，具體校準(zhǔn)的方法是：

　　1. 測(cè)量體積為10ml液體的電機(jī)步進(jìn)數(shù)，將其值設(shè)為L(zhǎng)1；

　　2. 測(cè)量體積為100ml液體的電機(jī)步進(jìn)數(shù)，將其值設(shè)為L(zhǎng)2；

　　根據(jù)以上步驟記錄的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電機(jī)每走一步所代表的體積毫升數(shù)，將其值設(shè)為T，則有如下的計(jì)算公式：T=90/（L2-L1）。這樣就可以很方便地計(jì)算出跟蹤器所跟蹤的液體體積。

　　二、 硬件電路組成及原理

　　本系統(tǒng)的基本組成是：紅外光電傳感器、輸入電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、顯示電路、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)實(shí)時(shí)處理與控制電路等。

　　其基本的工作原理是：紅外光電傳感器檢測(cè)到的各種信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路后，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，同時(shí)把電信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行判斷和計(jì)算處理后，再發(fā)出控制指令，控制步進(jìn)電機(jī)工作，完成對(duì)變化液位的檢測(cè)與跟蹤。

　　該硬件電路原理框圖如圖2所示：

　　1、紅外光電傳感器

　　紅外光電傳感器是由紅外發(fā)射二極管和敏感三極管組成，紅外發(fā)射二極管發(fā)出的紅外光的波長(zhǎng)和敏感三極管的受光波長(zhǎng)相同或相近。當(dāng)發(fā)射管和接受管之間沒(méi)有障礙物時(shí)，敏感三極管由于收到紅外光信號(hào)而導(dǎo)通，電路輸出電平為低電平；當(dāng)發(fā)射管和接受管之間有障礙物擋住時(shí)，敏感三極管由于收不到紅外光信號(hào)而截止，電路輸出電平為高電平。

　　該系統(tǒng)中，對(duì)量筒中的液體表面的檢測(cè)基本上是利用散射原理，在玻璃量筒中液體表面處的液體會(huì)發(fā)生外延現(xiàn)象或吸附現(xiàn)象而形成一個(gè)環(huán)形曲面，這個(gè)曲面正好供我們檢測(cè)用。它是由一對(duì)紅外光電對(duì)管組成的，在玻璃量筒中液體表面處的液體會(huì)發(fā)生外延現(xiàn)象或吸附現(xiàn)象而形成一個(gè)環(huán)形曲面，由于散射作用，接收管接收不到發(fā)射管的紅外光信號(hào)而截止，電路輸出電平為高電平。因此，可以利用其輸出電平的高低來(lái)檢測(cè)液面的位置，其輸出信號(hào)再通過(guò)電纜輸出到單片機(jī)接口電路和顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行處理。為了適應(yīng)本系統(tǒng)的特殊要求，我們將紅外發(fā)射、接受管分別裝在U形板的兩邊，兩管距離大于玻璃量筒的直徑。為了減少外來(lái)自然光的干擾，在兩管的發(fā)射、接受頭安裝有一定深度的導(dǎo)光孔槽，它一方面減少了外來(lái)光的干擾，另一方面可以限制光束直徑，以利于提高檢測(cè)分辨率。

　　2、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路

　　在步進(jìn)電機(jī)工作中，其電源大多是采用單極性直流電，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按恰當(dāng)?shù)臅r(shí)序方式通電，就可使其執(zhí)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)所用電機(jī)為四相電機(jī)，當(dāng)兩相繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，從而使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。因此，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主要是按照電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的要求，由單片機(jī)順序地輸出相應(yīng)的控制信號(hào)即可。

　　下面以正轉(zhuǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明，正轉(zhuǎn)時(shí)，要求按ABCDA的順序依次輸出寬為8ms的正脈沖，且兩脈沖之間有一小延時(shí)。由此可以往8255的PC0～PC3口依次輸出1000、0100、0010、0001、1000等一系列的信號(hào)，每一個(gè)高電平保持8ms，輸出時(shí)間間隔為1ms，即可滿足控制需要。同理，也可以控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，只是輸出信號(hào)的順序相反。于是在寄存器中的初始控制字可設(shè)為00010001B（即11H），電機(jī)每走一步，則對(duì)此寄存器的內(nèi)容向左（正轉(zhuǎn)）或向右（反轉(zhuǎn)）循環(huán)移一位，然后取出此寄存器的內(nèi)容并輸出，就可以完成對(duì)電機(jī)的控制。