摘要
本设计是关于一个基于FPGA的液位检测系统的设计，即设计合适的传感器来对液位的信号进行采集，然后在FPGA上对信号进行处理，主要是对FPGA用VHDL进行编程，建立若干逻辑模块对数据进行一系列的处理，最后利用LED来对信号进行输出显示。本文着重介绍了这个系统的液位检测信号采集的前端设计，前端设计包括传感器模块、放大电路模块以及A\D转换模块的设计，它是整个液位检测设计的基础，主要目的是数据的采集即如何获得高质量的液位信号，然后对其进行加工处理传送。本文介绍的前端设计能实现结构简化,系统精度较好，适用性强，具有良好的人机交互功能。

关键词：液位检测，传感器，FPGA,VHDL

第一章 引言
1.1液位检测的意义
液位检测广泛用于各种行业领域，它几乎遍及生产与生活的各个领域,尤其 工业 生产过程如石油、化工、医药和食品等行业领域中, 液体的测量不但要求精度高,还需很好地适应工业现场的特殊环境,具有在恶劣环境下持续传感的能力, 由于液体性质物理环境的复杂性，给准确检测液位变化带来的很大的困难。故对液位测量提出了精确、实时、在线的要求。随着 科学 技术与生产的迅速 发展 ,液位自动检测领域出现了种类多样的测量手段，对其 经济 性、技术性提出了很高的要求。
1.2液位检测的发展现状和趋势
    由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着 电子 技术及 计算 机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。
1.3 液位检测系统的任务和所要达到的目标
该系统功能结构主要分为五个方面：一、使用压力传感器去采集与压力相对应的电压值；二、由于本系统使用的传感器MPX53输出电压较小（毫伏级），所以输出电压必须经过放大电路放大再传送至A/D转换器；三、从A/D转换器出来后的信号变成了相应的数字信号，再将其传送给FPGA芯片；四、对FPGA用VHDL进行编程，建立若干逻辑模块对数据进行一系列的处理与控制（包括MAX197控制模块、数制转换模块以及LCD驱动模块）；最后，把信号传送给LCD进行显示。液位检测功能图如图1-1所示。

图1- 1 液位检测功能结构图

我设计的部分是信号的采集即前端设计，其设计模块图1-2所示：其中包括传感器模块、放大电路模块、A\D转换模块的设计，设计所要达到的目标是硬件系统的结构简化,系统精度较好，适用性强，具有良好的人机交互功能，有问题就能立即发现，通过实现水位的显示以便自动调节控制液位。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。

 

图1- 2 前端设计模块图                               

第二章 传感器模块的设计方案
2.1传感器简介
　　传感器，指能感受规定的被测量并按照一定的 规律 转换成可用输出信号的器件或装置。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：
　　传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
　　而本设计的测量对象是液体，所选择的传感器能够准确反映液位的变化，所选择的传感器应该符合以上要求，我们知道压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路 交通 、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍压阻式力传感器原理: 
电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。
选择了合适的传感器，为了节约成本，同时保证传感器的测量精度及稳定度达到技术指定要求，需要对原始芯片进行合理的封装，实现压力传感器内部无可动部件，保证传感器抗冲击、抗震动，从而保护了内部芯片，对于MPX53D型号压力传感器芯片，对其进行封装应注意的问题是测量软管的选择，应根据芯片的端口选择合适的软管，封装时应保证其密封度。
2.2 前端设计的传感器模块的设计方案
根据以上传感器的选择原则，考虑到测量范围、量程、重复性、可靠性等因数，而本实验环境是量程较小的液体，有两种方案可供选择 参考 ：一种方案是选用Motorol

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