基于单片机的液位控制系统设计的毕业设计论文

I 摘 要本课题是基于单片机的液位控制系统的设计，使用在日常生活和工业应用中广泛应用的水塔作为被控装置，水塔液位和水压作为被控对象；本设计采用液位检测装置和电容式差压变送器对液位高度和压力进行实时检测并传送到单片机进行实时处理，从而使水塔水位自动保持在指定的范围。其中，液位控制系统的硬件电路主要包括水位和水压检测电路、A/D 转换电路、键盘显示电路、报警电路、电机控制电路等五大部分；该系统使用电容式差压变送器对水塔水压进行检测并将检测到的信号送给 A/D转换器，A/D 转换器将对应的模拟电压信号转换成数字量传给单片机 AT89C51 进行处理，单片机将处理的结果通过数码管显示出来，并完成对排水、抽水电动机的控制；在单片机进行实时处理的同时，可以通过按键对控制系统进行相应的功能切换。该系统各个部分的硬件电路采用 C51 语言编写控制程序，从而实现使用键盘调整被控参数水压的上、下限以及软件复位功能；利用四位一体共阴极数码管显示水压；通过逻辑代码达到对电机控制电路的控制，使电机在一定的条件下进行抽水或者排水操作；最终使被控对象被控制在指定的水位和水压范围内。在将系统的硬件电路设计和软件程序设计完成后，需要将硬件电路部分和软件程序部分结合起来进行液位控制系统的调试，如果发现问题，就需要找到合适的解决方案，修改错误的部分；并且将这两者结合进行液位控制系统仿真结果的测试，观察实验的结果是否符合课题的设计要求，不然修改不符合课题要求的部分，最终达到液位控制系统的课题目标。关键词：AT89C51 单片机；A/D 转换；液位控制II AbstractThis topic is the design of control system based on single-chip liquid level control, using the tower as a controlled device which is often seen in daily life and industrial application, the liquid level of the water tower and water pressure as the object; this design uses the liquid level detection device and capacitive differential pressure transmitter to monitor the liquid level and pressure and real-time processing, so that the water level automatically keeps in the specified range. The hardware circuit of control system mainly has five parts, which includes water pressure and liquid level detection, A/D converter, keyboard display circuit, alarm circuit, motor control and so on; the system uses capacitive differential pressure transmitter to detect the tower pressure and the detected signal is sended to the A/D converter; A/D converter will convert this analog voltage signals into digital signals which send to the AT89C51 single-chip, and the micro-controller processes the results, which can use the nixie tubes to display, and accomplish the control of drainage and pumping motor; At the same time of real-time processing in the SCM, the corresponding button can switch to different functions of the control system.Each part of the hardware circuit of the system uses C51 language to program, so as to realize the use of the keyboard to adjust the controlled parameters of upper and lower limit pressure; using one of LED to display the pressure, through the logic code to control the control circuit of the motor, the motor will pump or drain under a certain condition; ultimately the water pressure and water pressure will be controlled in a specified range.After the design of hardware circuit and software program, debugging liquid level control system combining hardware with software part is needed; if errors are found, find the right solution, modify the wrong part; also this combination of liquid level control system simulation results need test, and observe the experimental results whether or not these results are in conformity with the requirements of the project design; Otherwise, modifying the part that does not meet the requirements of the project, and ultimately the aim of liquid level control system will be achieved.Keywords: AT89C51 single chip micro-controller; A/D conversion;liquid level controlIII目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论.11.1 课题的意义.11.2 国内外的研究动态.21.3 课题的目的和预期目标.3第 2 章 系统整体方案设计.4第 3 章 硬件电路设计.63.1 AT89C51 单片机.63.1.1 单片机的功能和特点.63.1.2 时钟和复位电路.83.2 水位检测电路和水压检测电路.93.2.1 水压检测电路以及控制仪表.93.2.2 水位检测电路.103.3 A/D 转换设计 .113.3.1 A/D 转换器介绍 .113.3.2 A/D 转换电路 .133.4 数码管显示和键盘电路.143.4.1 键盘电路.143.4.2 数码管显示电路.153.5 报警电路.173.6 电机控制.18第 4 章 软件设计.194.1 软件语言的选择.194.2 系统主程序和初始化函数.194.3 A/D 转换和水压的数据处理 .204.4 延时处理.214.5 键盘部分的软件设计.244.5.1 按键去抖动.244.5.2 按键功能实现.264.6 显示部分的软件设计.264.7 水位监测和报警电路的软件设计.27IV4.8 驱动电路的软件设计.28第 5 章 系统调试与仿真结果.295.1 系统调试.295.2 仿真结果.305.2.1 水压仿真测试.305.2.2 水位仿真测试.31第 6 章 结论.32参 考 文 献.33致 谢.34附 录.35沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计1第 1 章 绪论1.1 课题的意义随着很多行业对液位控制的需求日益增加，液位和液压控制技术正在不断发展。为了增加控制功能、提高生产效率，采用 AT89C51 单片机进行液位和液压的控制技术得到了广泛的应用。不论是在工业生产过程中，还是在农业和其他行业生产过程中，水塔都是生产生活中不可或缺的控制装置设备，所以水塔的液位控制就是我们面临的严峻问题之一。在我国液位技术需求迅猛上升之前，液位的控制需要人来进行看管，这不但降低了劳动生产率，而且还不能高效和精确地将水位和水压控制在一个指定的范围内。正因为这些各种方面的原因，所以采用单片机控制水塔的水位和水压的控制方案就达到了这一基本要求，并且解决了这一重要问题。液位控制作为过程控制研究领域重要的课题之一，它不仅在生产生活中占有相当大的比例，而且人们对液位控制的需要和要求越来越多，多功能的液位控制系统就为了满足这一情况而进行设计的。多功能的液位控制相比较传统的机械液位控制系统有无可比拟的优势；首先，多功能的液位控制系统在功能上比机械液位控制系统要多了不少，不仅是传统意义上的液位控制而已，还增加了水压的显示显示功能和键盘对液压的控制切换功能；其次，多功能的液位控制系统在控制速度上比机械液位控制系统要快了不少，机械液位控制系统依靠传统的机械杠杆进行移动产生位移会有一定的机械延迟，从而增加了滞后时间，然而采用单片机进行液位控制的系统使用了 A/D 转换器，采样频率相较于机械液位控制系统较高，可以对液位控制系统进行快速控制；再次，机械液位控制系统需要进行零点值和满度值进行反复的调整 1，而多功能的液位控制系统不用对其进行反复的调整，只要进行过零点调整，就无需进行反复设置；最后，多功能的液位控制系统无需人为手动的调整液位，直接通过控制电机达到控制液位的效果，相较于机械液位控制系统节省了劳动力成本，同时提高了生成过程中控制的效率。多功能的液位控制系统将使用 AT89C51 单片机作为核心处理器，方便对整个液位控制系统的调度和操作，它具有一定的可靠性、稳定性和准确性。使沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计2用单片机实现多功能的液位控制系统不仅可以减少简单液位控制的控制成本，而且可以提高用户的可操作性，方便用户对液位控制系统的控制。因此本课题采用 AT89C51 单片机控制水塔的液位相比于以前的控制方式将会有更大的性能和控制操作的提升。目前，虽然市场上的液位控制系统种类繁多，但是掌握液位控制系统关键核心技术对我们有很多好处，有助于我们更有效率和安全地进行生产生活，而且，对液位变化进行分析并采集大量数据，找出数据经常变化的位置，这些数据将会帮助我们实现更加快速和稳定的控制系统。1.2 国内外的研究动态很多欧美的发达国家在液位控制系统的设计中，特别是液位控制系统，已经积累了很多的经验，具有坚实的基础，所以欧美的发达国家的液位控制系统迅速占领了国际市场。我国在液位控制系统的研究和制造上，与其他发达国家相比还存在一定差距；但是，我们国家的研究人员在液位控制系统研究的道路上克服了许多未知困难，在探索中不断前进，希望在相关封锁的技术领域有所突破，甚至超过发达国家的控制技术水平使我国的液位控制技术领先于全世界。然而，在液位控制系统中，液位测量是液位控制技术非常重要的一项步骤，依据测量的工作原理，液位测量分为直读式液位测量、浮力式液位测量、电气式液位测量等。直读式液位测量是利用连通器的原理测量液位，浮力式液位测量利用浮力原理测量液位，分为恒浮力和变浮力两种 2。电气式测量法测量液位是将液位的变化转换为某些电量的变化，从而实现液位检测；一般，把敏感元件做成的杆状电极置于被测物质中，则电极的电气参数，随着液位的变化而变化；电气式测量液位又分为电极式、电容式、电感式等 3。除了液位测量以外，液压的测量也是液位控制技术不可缺少的部分，测量压力一般使用差压变送器，可以将 420mA 的电流远传到控制室，方便对控制装置的统一管理。国外发达国家的控制方式已经由集散控制系统发展到了现场总线技术，现沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计3场总线技术的发展使得自动化控制技术发生了变革。信息技术现在正融入到生产现场，新型的现场总线技术克服了系统封闭带来的缺陷，提高了信号测量准确度和传输精度，同时可以进行多种复杂的控制运算，提高系统的可靠性。不仅如此，现场总线技术还便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自动控制装置的运行状态。1.3 课题的目的和预期目标本课题是通过单片机作为系统核心达到控制液位的目的。本设计采用液位检测装置和电容式差压变送器对液位高度和压力进行实时监控并进行实时处理，从而使水塔水位自动保持在指定的范围。其中，液位控制系统的硬件电路主要包括水位和水压检测电路、A/D 转换电路、键盘显示电路、报警电路、电机控制电路等五大部分；该系统使用电容式差压变送器对水塔水压进行检测并将检测到的信号送给 A/D 转换器，A/D 转换器将对应的模拟电压信号转换成数字量传给单片机 AT89C51 进行处理，单片机将处理的结果通过数码管显示出来，并完成对排水、抽水电动机的控制；在单片机进行实时处理的同时，可以通过按键对控制系统进行相应的功能切换。本设计的模型是基于水塔控制装置，以 1m 的水塔的液位和液压作为被控对象，液位范围是(0-100cm)，液压范围是(0-9980Pa)，实现液位和液压被控制在指定的范围内。本系统的软件部分采用 C51 语言编写控制程序，从而实现使用键盘调整被控参数水压的上、下限以及软件复位功能；利用四位一体共阴极数码管显示水压；通过逻辑代码达到对电机控制电路的控制，使电机在一定的条件下进行抽水和排水操作；最终使被控对象被控制在指定的水位和水压范围内。本课题的水位控制技术采用液位传感器和压力传感器对液位高度和压力进行实时监控；预期目标是：当水位和压力超出规定范围时，系统能够自动调整水位和水压，使其落在规定的范围内；当水位和水压低于规定范围时，就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位和水压上升，到达规定高度。而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围内的目的。沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计4第 2 章 系统整体方案设计在生产生活中有很多种方式可以对液位和液压进行控制，但是使用比较常见的有两种控制方式，一个是基于机械的简单控制方法，另一个是基于控制器的复杂控制方法。 现在介绍这两种控制方式的区别和原理。（1）基于机械的简单控制方法。可以使用的实现方式有浮标式、电极式等，基于机械的简单控制方式的优点是结构简单、成本低。但是缺点也很明显，就是精度低、不能进行数据实时显示；另外，这种控制方式很容易引起误操作，且只能单独控制，不能与其他的计算机进行数据交换，难以实现数据的采集和数据的分析以及对数据处理后的控制 4。图 2-1 单片机液位控制系统框图沈 阳 工 业 大 学 本 科 生 毕 业 设 计5（2）基于控制器的复杂控制方法。基于控制器的复杂控制方法是通过安装在水塔下方安装差压变送器，把水塔底部的压力首先转换成变极距位移值的变化，然后再转换成电阻、电容等电量值的变化，再经过一些电路的处理，将这些电量值的变化转换成标准电压信号或者是电流信号，再经过多路切换、A/D 转换器将模拟信号变换成数字信号送到单片机，然后单片机对数据进行运算和处理 5，通过相应的逻辑实现单片机端口信号的变化，实现改变外围装置状态的变化，最终达到控制水塔液位和液压在指定范围内的目的。针对以上描述的两种控制方法，以及综合考虑本