储水罐液位控制系统设计

计算机控制系统课程设 计说明书 储水罐液位控制系统设计储水罐液位控制系统设计 学生姓名 学院名称 学号 班级 专业名称 指导教师 2014 年6 月3 日 徐州工程学院 课程设计说明书 摘要 本文主要设计了一种液位控制器 它以 8051 作为控制器 通过 8051 单片 机和模数转换器等硬件系统和软件设计方法 实现具有液位检测报警和控制双 重功能 并对液位值进行显示 本系统是基于单片机的液位控制 在设计中主要有水位检测 按键控制 水位控制 显示部分 故障报警等几部分组成来实现液位控制 主要用水位传 感器检测水位 用六个控制按键来实现按健控制 用三位 7 段 LED 显示器来完 成显示部分 用变频器来控制循环泵的转速 并且通过模数转换把这些信号送 入单片机中 把这些信号与单片机中内部设定的值相比 以判断单片机是否需 要进行相应的操作 即是否需要开启补水泵或排水泵 来实现对液面的控制 从而实现单片机自动控制液面的目的 本设计用单片机控制 易于实现液位的 控制 而且有造价低 程序易于调试 一部分出现故障不会影响其他部分的工 作 维修方便 等优点 关键词关键词 8051 单片机 模数转换 水位控制 自动控制 徐州工程学院 课程设计说明书 目目 录录 1 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 国内外研究的现状 1 1 3 题目说明 2 1 4 系统的总体研究方案 3 1 4 1 系统硬件总体方案 3 1 4 2 系统软件总体方案 3 2 控制系统结构框图与工作原理 4 2 1 结构框图 4 2 2 工作原理 4 3 系统模型的建立 5 4 系统硬件设计 7 4 1 微控制器选择 7 4 1 1 80C51 电源 7 4 1 2 80C51 时钟 7 4 1 3 80C51 控制线 7 4 1 4 80C51 I O 接口 8 4 2 A D 转换器选择 9 4 3 D A 转换的选择 10 4 4 传感器与执行机构选型设计 11 4 4 1 液位控制系统 11 4 4 2 液位传感器设计 12 4 5 80C51 单片机外围电路设计 13 4 5 1 复位电路 13 4 5 2 自动报警电路 13 4 5 3 振荡电路 14 4 5 4 数码管显示电路 14 4 6 水泵选择及其电路的设计 15 4 6 1 水泵选择 15 4 6 2 电机驱动电路的设计 15 5 系统软件的设计 16 5 1 软件设计流程图 16 5 2 软件主函数 17 徐州工程学院 课程设计说明书 5 3 电路图和仿真图 18 6 结论 20 参考文献 21 附录 22 附录 1 22 附录 2 23 徐州工程学院 课程设计说明书 1 1 绪论 1 1 课题背景 液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统 它在工业生产的各个领域 都有广泛的应用 在工业生产过程中 有很多地方需要对容器内的介质进行液 位控制 使之高精度地保持在给定的数值 如在建材行业中 玻璃窑炉液位的 稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用 液位控制一般指对 某一液位进行控制调节 使其达到所要求的控制精度 液体的液位的自动控制 是近年来新开发的一项新技术 它是微型计算机软件 硬件 自动控制等几项 技术紧密结合的产物 工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制 微机控 制有以下明显优势 1 直观而集中的显示各运行参数 能显示液位状态 2 在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值 并修改系 统的控制参数 可以方便的改变液位的上限 下限 3 具有水体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 综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋 单 片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的 CPU 存储器 输入 输出 等部件 单片机自问世以来 性能不断提高和完善 体积小 速度快 功耗低 的特点使它的应用领域日益广泛 一般工业控制系统的工作环境差 干扰强 利用单片机控制就能克服这些缺点 因此单片机在控制领域得到广泛的应用 使用单片机控制液体液位是很好的选择 1 2 国内外研究的现状 目前我国在单片机测控装置研究 生产 应用中 取得了很大的成绩 总 结了很多经验 但是各行业仍处于发展期 经调查 更多科研究所在这方面开 展的工作更看重的是理论和算法 数年来这方面的研究的论文较多 着重生产 实际的很少 在上海 新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚 在生产过程中需要新型的测控装置与系统 因此在不断的努力研究与开发 上 海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究 对理论 算法和成果的论文 较少 深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就 尽管与其他国家比 较尚有差距 但是 深圳的高校 研究院所的最大的特点就是实际 与生产实 际应用项目无关的问题基本不去考虑 主要考虑选取什么材料 测控什么物理 徐州工程学院 课程设计说明书 2 量 优点是什么 与机器设备的通讯接口等等 一些发达国家在单片机新型系统研究 制造和应用上 已积累了很多经验 奠定了基础 进入了国际市场 我国在新型测控装置与系统研究 制造 应用 和经验上 与其他发达国家相比还存在差距 但是我国的研究人员已经克服很 多困难 并在不断的摸索中前进 有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技 术水平 这是发展趋势 1 3 题目说明 被控系统为一储水罐 系统如图1 1所示 储水罐内为清水 下部设有出水 管 流量记为Q2 储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内 流量记为Q1 清水池内的水位可视为固定值2米 即在储水罐补水过程中液位不变化 已知 储水罐的截面积A 1平方米 高度H 2米 要求控制目标液位高度为1米 图1 1 蓄水罐液位控制系统 要求 1 控制系统调节时间ts 2分钟 超调量 10 2 设计人机接口实时显示 清水池 储水罐 目标液位 高度 水泵 2 Q 1 Q 徐州工程学院 课程设计说明书 3 1 4 系统的总体研究方案 本设计是采用8051单片机为核心芯片 及其相关硬件来实现的水体液位控 制系统 在用液位传感器测液位的同时 CPU循环检测传感器输出状态 并用3 位七段LED显示示液位高度 检测液位数据 实施报警安全提示 当水体液位低 于用户设定的值时 系统自动打开泵上水 当水位到达设定值时 系统自动关 闭水泵或打开排水泵 1 4 1系统硬件总体方案 系统的原理是采用发光二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进 行控制 通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置 由上至下测量水 体的液位值 并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中 在通 过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示 用LED显示是因为 它具有显示清晰 亮度高 使用电压低 光电转换效能高 寿命长等特点 根 据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开 关水泵 需要是否开启和 关闭驱动阀门的电动机 1 4 2 系统软件总体方案 水位检测是通过四对由发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别 安装在四个不同的位置 由上至下四个输出端口分别接单片机的 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3口 实时对水位进行检测 当水位到达某一光敏三极 管的位置时 其输出端口就向单片机输出高电平 反之 其输出端口就向单片 机输出低电平 由上至下的第一个位置为水位上限报警线 即当水位高于此位 置时 开水阀控制系统就会自动报警 提醒工作人员注意 加水电磁阀有可能 出故障 第二个位置是自动停止加水线 即当水位高于此位置时 控制系统会 自动关闭加水电磁阀 停止加水 第三个位置是自动加水线 即当水位低于此 位置时 控制系统会自动接通加水电磁阀 开始加水 第四个位置是当水位低 于此位置时 控制系统就会自动报警 提醒工作人员注意 加水电磁阀可能出 故障 本系统所使用的传感器性能稳定 测量准确 大大简化现场安装 具有较 高的性价比 有较大的工程应用价值 其优越性主要在于 首先 通过对水体 液位进行的简易方便的操纵 可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工 作的需要 操作简单 经济效益好 其次 水体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 工业以及其他 徐州工程学院 课程设计说明书 4 方面的微机控制必将得到更加广泛的应用 2 控制系统结构框图与工作原理 2 1 结构框图 将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现 就组成了一个典 型的基于计算机的控制系统 图 2 1 结构框图 2 2 工作原理 打开电源 启动抽水泵后 水箱液位开始上升 液位传感器实时采集液位 数据 并将所采集到的数据经A D转换后 送至比较器与设定值 1m 比较 控 制器根据比较结果输出相应控制值 经D A转换成模拟量后 驱动控制电动调节 阀开度 从而调节水箱液位 水位检测是通过四对由高亮度发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感 器分别安装在四个不同的位置 由上至下四个输出端口分别接单片机的 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3口 实时对水位进行检测 当水位到达某一光敏三极 管的位置时 其输出端口就向单片机输出高电平 当水位低于此光敏三极管的 位置时 其输出端口就向单片机输出低电平 由上至下的第一个位置为水位上 限报警线 即当水位高于此位置时 开水阀控制系统就会自动报警 提醒工作 人员注意 加水电磁阀有可能出故障 第二个位置是自动停止加水线 即当水 位高于此位置时 控制系统会自动关闭加水电磁阀 停止加水 第三个位置是 自动加水线 即当水位低于此位置时 控制系统会自动接通加水电磁阀 开始 加水 第四个位置是水位下限报警线 即当水位低于此位置时 控制系统就会 自动报警 提醒工作人员注意 加水电磁阀可能出故障 水箱液位 设定值 反馈值 控制器 D A电动阀储水罐 A D液位传感器 徐州工程学院 课程设计说明书 5 3 系统模型的建立 此系统是一个典型的一阶系统 储水罐相当于一个流体容器 由物质守恒 可以得到 inout Q Q Q 式 2 1 式中 表示储水罐中保留的水量 Q 表示流入储水罐的水量 in Q 表示流出储水罐的水量 out Q 假设是储水罐的横截面积 为储水罐中水位的高度则式 2 1 可写成 Ah inout Q A Q dh dt 式 2 2 出水流量取决于储水罐的流量系数 储水罐的液位高度 储水罐的出水口 面积 和重力常数 即 out d Q C a 2gh 式 2 3 式中 表示储水罐出口的流量系数 Cd 表示储水罐的出水口面积 a 表示重力常数 9 8m s2 g 结合式 2 2 式 2 3 我们能得到 in d Q AC a 2 dh gh dt 式 2 4 假设是个常数则出水流量将达到一个稳态值 水位高度也将能 in Q 0out QQ 达到一个恒定值 0d0 Q C a 2gh 式 2 5 我们假设有个小的扰动值 我们能得到 in Q in in 0 QQQ 式 2 6 同时液位高度也将会有小的扰动 0 hhh 式 2 7 将式 2 6 式 2 7 带入式 2 4 我们可以得到 d0in 0 AC a 2 QQ d h hh dt 式 2 8 应用泰勒级数将式 2 8 线性化 泰勒级数 徐州工程学院 课程设计说明书 6 00 22 00 0 2 1 2 x xx x xxxxdfd f f xf x dxdx 式 2 9 取泰勒级数第一级得到 0 00 x x df f xf xxx dx 式 2 10 将式 2 8 用式 2 10 线性化后得到 0 0 A 2 in Qd h hQ dth 式 2 12 对式 2 12 进行拉普拉斯变换 我们可以得到 00 1 2 in h s QsAsQh 式 2 13 带入数据可得 1 0 1 in h s Qss 式 2 14 电机的电气方程 式 a aaa ae di Lui rCt dt 2 15 电机的机械方程 式 L dt JTT dt 2 16 式中 表示电机电势系数 e C 表示电枢电阻 a r 表示电枢电压 a u 表示电枢电流 a i 表示电枢电感 a L 表示折算到轴上的转动惯量 J 表示电动机电磁转矩 T 表示负载转矩 L T 将式式 2 15 式 2 16 式进行拉式变换可以得到转速和输入电压的 传递函数 2 1 1 e cmlm s C H s U sT TsT s 电机经验公式 徐州工程学院 课程设计说明书 7 30 NNa e N UI R C n 2 375 m em GD R T C C 30 meCC a l a L T R 得出该电机的传递函数为 2 30 139 0 0001630 01731 H s ss 4 系统硬件设计 4 1 微控制器选择 此设计采用Ateml 80C51作为控制芯片 它是在MCS 48系列的基础上发展的 高性能的8位单片机 所出的系列产品有8051 8031 8751 其代表就是8051 其他系列的单片机都以它为核心 所以本设计采用的核心芯片是8051单片机 CPU是它的核心设备 从功能上看 CPU包括两个部分 运算器和控制器 它执 行对输入信号的分析和处理 每片80C51包括 一个8位的微型处理器CPU 128B 的片内数据存储器RAM 4KB片内程序存储器ROM 四个8位并行的I O接口P0 P3 每个接口既可以输入 也可以输出 两个定时器 记数器 五个中断源的中 断控制系统 一个全双工UART的串行I O口 片内振荡器和时钟产生电路 但石 英晶体和微调电容需要外接 最高允许振荡频率是12MHZ 以上各个部分通过内 部总线相连接 整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片 控制信号采集 处理 输出三个过程 这种芯片内置4KROM 因为系统要求控制线较多 如果采用8051 外置EPROM程序控制结构 则造成控制线不够 而8051却可以利用P0 P2口作控 制总线 大大简化了硬件结构 并可以直接控制LED数据显示 方便现场调试和 维护 使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高 现在介绍下在此设计中用到的引脚 单片机的40个引脚大致可分为4类 电源 时钟 控制和I O引脚 4 1 1 80C51电源 VCC 芯片电源 接 5V 徐州工程学院 课程设计说明书 8 VSS 接地端 4 1 2 80C51时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 4 1 3 80C51 控制线 ALE PROG 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低 8 位地址 PROG 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚输入 编程脉冲 PSEN 外 ROM 读选通信号 RST VPD 复位 备用电源 RST Reset 功能 复位信号输入端 VPD 功能 在 Vcc 掉电情况下 接备用电源 EA Vpp 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 功能 内外 ROM 选择端 Vpp 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 施加编程电源 Vpp 4 1 4 80C51 I O接口 P0 口 39 脚 32 脚 P0 0 P0 7 统称为 P0 口 当不接外部存储器与不 扩展 I O 接口时 它可作为准双向 8 位输入 输出接口 当接有外部程序存 储器或扩展 I O 口时 P0 口为地址 数据分时复用口 它分时提供 8 位双向 数据总线 P1 口 1 脚 8 脚 P1 0 P1 7 统称为 P1 口 可作为准双向 I O 接口使 用 对于 MCS 52 子系列单片机 P1 0 和 P1 1 还有第 2 功能 P1 0 口用 作定时器 计数器 2 的计数脉冲输入端 T2 P1 1 用作定时器 计数器 2 的外 部控制端 T2EX 对于 EPROM 编程和进行程序校验时 P0 口接收输入的 低 8 位地址 P2 口 21 脚 28 脚 P2 0 P2 7 统称为 P2 口 一般可作为准双向 I O 接口 当接有外部程序存储器或扩展 I O 接口且寻址范围超过 256 个字节时 P2 口用于高 8 位地址总线送出高 8 位地址 对于 EPROM 编程和进行程序 校验时 P2 口接收输入的 8 位地址 P3 口 10 脚 17 脚 P3 0 P3 7 统称为 P3 口 它为双功能口 可以作 为一般的准双向 I O 接口 也可以将每 1 位用于第 2 功能 而且 P3 口的每 一条引脚均可独立定义为第 1 功能的输入输出或第 2 功能 引脚图见图 4 1 徐州工程学院 课程设计说明书 9 123456789101112 A B C D 121110987654321 D C B A Title NumberRevisionSize A1 Date 24 Jun 2007Sheet of File E 与与与 与与 Backup of BACKUP 14 DDBDrawn By EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051 图 4 1 8051 引脚图 4 2 A D 转换器选择 本设计采用ADC0808作为A D转换器 ADC0808是带有8位A D转换器 8路多 路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件 它是逐次逼近式A D转换器 可以和单片机直接接口 ADC0808转换器引脚介绍 引脚图见图4 2 IN0 IN7 8 路模拟量输入端 OUT1 OUT8 8 位数字量输出端 AL 地址锁存允许信号 输入 高电平有效 START A D 转换启动脉冲输入端 输入一个正脉冲 至少 100ns 宽 使其启动 脉冲上升沿使 0808 复位 下降沿启动 A D 转换 EOC A D 转换结束信号 当 A D 转换结束时 此端输出一个高电平 转换期间一直为低电平 OE 数据输出允许信号 输入 高电平有效 当 A D 转换结束时 此端 输入一个高电平 才能打开输出三态门 输出数字量 CLK 时钟脉冲输入端 要求时钟频率不高于 640KHZ VREF 和 VREF 参考电压输入端 Vcc 主电源输入端 5V GND 接地 ADDA ADDB ADDC 3 位地址输入线 用于选通 8 路模拟输入中的一 路 通道选择表如表 3 3 所示 徐州工程学院 课程设计说明书 10 注意事项 输出端 out8 为最低位 out1 为最高位 与单片机连接是要注意 表 4 1 通道选择 ADDCADDBADDA选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 下图为ADC0809芯片的引脚图 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize Letter Date 19 Jun 2007Sheet of File E 与与与 22 BACKUP 11111 BkpDrawn By IN 0 26 msb2 1 21 2 2 20 IN 1 27 2 3 19 2 4 18 IN 2 28 2 5 8 2 6 15 IN 3 1 2 7 14 lsb2 8 17 IN 4 2 EOC 7 IN 5 3 ADD A 25 IN 6 4 ADD B 24 ADD C 23 IN 7 5 ALE 22 ref 16 ENABLE 9 START 6 ref 12 CLOCK 10 ADC0809 图 4 2 ADC0809 芯片的引图 ADC0809是带有8位A D转换器 8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制 逻辑的CMOS组件 其转换方法为逐次逼近型 在A D转换器内部含有一个高阻抗 斩波稳定比较器 一个带有模拟开关树组的256电阻分压器 以及一个逐次逼近 型寄存器 8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制 可以在8个通道中任意 访问一个通道的模拟信号 由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码 而且三态TTL输出也可以锁存 所以它易于与微型计算机接口 徐州工程学院 课程设计说明书 11 4 3 D A 转换的选择 D A转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一 它涉及了D A转 换芯片的选择参考电压源的配置 数字输入码与模拟输出电压的极性等问题 而其中最核心的问题是D A转换芯片的选择与应用问题 D A转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量 实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位 产生一个相应的电流 而 这个电流的大小正比于相应的二进制位的权 D A转换器主要由三部分构成 即 加权电阻解码网 受输入数字量控制的电子开关组和由运算放大器构成的电流 转换器 电子开关组受输入二进制数据D7 DO控制 当某一位为 1 时 则电 子开关闭合 基准电压Vin接电阻解码网络 使某一支路电阻上有电流流过 当 某一位为 0 时 则电子开关断开 该支路电阻上无电流流过 加权电阻解码 网络各支路的电阻值与二进制数据D7 DO的 权 相对应 权 大的电阻值小 权 小的电阻值大 因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值 0或1 因此 总电流为 out I 7 01234567 8 0 2 24 2 refi outi i V IIIIIIIIID R 该总电流经电流转换器后有 7 0 8 0 2 2 refi outouti i V VRIDEN 其中 式 4 1 7 0 8 0 2 2 refi i i V END 由式 4 1 看出 尽管使用的网络结构不同 但对于D A转换器的输入输 出来说是等效的 就8位D A转换器而言 每一数字输入位所代表的输出模拟量 是其相邻的2倍 这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器 D A转换芯片的主要性能指标如下 1 分辨率 表征D A转换器对微小输入量的敏感程度 通常用数字量的数 位表示 如8位 12位 14位等 分辨率为10位的D A转换器 表示它可以对满 量程的1 1024的增量做出反应 2 相对精度 在满刻度已校准的前提下 在整个刻度范围内 对于任一数 码的模拟量输出与它的理论值之差 通常用偏差几个ISB来表示和该偏差相对满 刻度的百分比表示 3 转换时间 数字变化量是满刻度时 达到终值 LSB 2所需要的时间 通常为几十纳秒至几微秒 4 非线性误差 通常给出在一定温度下的最大非线性度 一般为 0 l 0 03 徐州工程学院 课程设计说明书 12 其工作过程是 比较开始时 首先对二进制计数器 输出锁存器 的最高位 置 1 然后进行转换 比较判断 若模拟输入Uin大于Ui 比较器输出为1 则使输出锁存器的最高位保持为1 然后对较低的位依次按照该办法进行比较和 调整 无论哪种情况 均应继续比较下一位 直到最末位为止 此时D A转换器 的数字输入 输出锁存器内容 即为对应模拟输入信号的数字量 将此数字量输 出就完成了A D转换过程 这种方法好比用天平称一个物体的重量 第一次放最 大的砝码 若不合适 就改放小一号的 依次类推 一旦天平指示砝码太重说 明刚才放进去的那个应当取走 显然对于n位的转换器 总共需要重复这种过程 n次 4 4 传感器与执行机构选型设计 4 4 1液位控制系统 广泛的液位控制系统包括对水体的液位 压力等的控制 本系统只侧重于 介绍液位的控制 液位控制是利用由高亮度发光二极管和光敏三级管所组成的 液位传感器 把液位的状态转换成模拟信号 再通过模数转换器ADC0809把输出 状态直接接到单片机的I O接口 单片机经过运算控制 输出数字信号 输出接 口接LED进行显示 实现液位的报警和键盘的显示与控制 下图即是液位控制系统 图 4 3 基于单片机的液位控制系统 由上图可观察到传感器通过对液面进行测量 输出模拟信号 再通过模数 转换器把输入的模拟信号转换成数字信号 通过8051单片机的运算控制 在通 过LED进行显示 通过报警装置进行报警 报警显示之后再通过对阀门的开启实 单片机 传感器 报警装置LED 显示 控制执行装置 徐州工程学院 课程设计说明书 13 现对水体的液位进行调节控制 阀门的驱动设备是电动机 4 4 2液位传感器设计 在液体液位控制系统中 传感器的选择是非常重要的 传感器是能感受规 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 它通常由 敏感元件和转换元件组成 它的性能直接影响到整个检测系统 对检测精确度 起着重要的作用 光电传感器是一种小型电子设备 它可以检测出其接收到的光强的变化 早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备 发射器带 一个校准镜头 将光聚焦射向接收器 接收器出电缆将这套装置接到一个真空 管放大器上 在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源 这些小而坚固的白炽 灯传感器就是今天光电传感器的雏形 本设计主要采用的是由高亮度发光二极管和光敏三级管所组成的光电传感 器来对液位进行控制 在把检测的电信号通过ADC0809输入到单片机进行分析 在由LED进行显示和键盘控制 实行对液位的报警 本次设计采用的是四对高亮度发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感 器 这种液位传感器如下图 1234 A B C D 4321 D C B A LED 1K 1K GND 与 与 与 与 与与与与 与 与 与与与与与与与与 与与与与与与与与与 与 与 与 与与与03 6 与 与 2007与6与24与 与与与与与与与与 图 4 4 液位传感器 4 5 80C51 单片机外围电路设计 4 5 1复位电路 80C51单片机有一个复位引脚RST 高电平有效 在时钟电路工作以后 当 外部电路使得RST端出现两个机器周期 24个时钟周期 以上的高电平 系统内 部复位 复位方式有两种 上电复位和按钮复位 本设计选用按钮复位 因为 遇到特殊情况系统出错 可以及时复位保证系统损失减到最低 复位电路如图 4 2所示 徐州工程学院 课程设计说明书 14 图 4 5 80C51 按钮复位电路 复位是通过某种方式 使单片机内各寄存器的值变为初值状态操作 AT89S51单片机在时钟电路工作以后 在RST端持续给出两个机器周期的高电平 就可以完成复位操作 复位分为上电复位和按键手动复位两种方式分别如图2 5 图2 6 AT89S51单片机复位状态见附录一 4 5 2自动报警电路 下列二种情况发生系统报警 1 当水位达到上限极限水位时报警 水位到达上限极限水位时系统发出报 警 2 当水位达到下限极限水位时报警 水位到达下限极限水位时系统发出报 警 图 4 6 水位报警电路 4 5 3振荡电路 单片机时钟信号有两种方式得到 内部振荡方式和外部振荡方式 引脚 XTAL1 和XTAL2引脚上外接晶振构成了内部振荡方式单片机内部有一个高增益反 相放大器 当外接晶振后就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 本控制器 采用12MHZ的晶振其电路图如图4 8 徐州工程学院 课程设计说明书 15 图 4 7 晶振电路 4 5 4数码管显示电路 显示部分我采用三位7段LED显示器 LED显示器是单片机应用中最常用的输 出部件 它是由若干发光二极管组成 当发光二极管导通时 相应的一个点或 一个笔画发光 不同组合的二极管导通 就能显示出各种字符 用LED是因为它 具有显示清晰 亮度高 使用电压低 光电转换效能高 寿命长的特点 在微型机系统中 LED常用的显示方法有两种 一种是静态显示 一种是动 态显示 所谓的静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持 直到下 次送新的显示模式为止 这种显示占用机少 显示可靠 缺点是使用元件多 且线路比较复杂 因而成本比较高 这种显示器显示方式的每一个七位显示器 需要一个八位输出控制 我的设计就是采用的就是动态显示 所谓动态显示就 是单片机定时的对显示器进行扫描 这种方法中 显示器件分时工作 每次只 能有一个器件显示 但由于人的视觉暂留现象 所以 仍感觉到所有的器件都 同时 显示 这种显示方法的优点是使用硬件少 因而价格低 但占用机时 多 只要单片机不执行显示程序 就立刻停止显示 动态显示的亮度与导电电 流有关 也与点亮时间和间隔时间比例有关 数码管显示电路用来显示液位高度 本文的设计方法是用两片74HC573锁存 芯片接单片机的P0口控制数码管的位选和断选 这样做可以节省单片机的I O口 4 6 水泵选择及其电路的设计 4 6 1水泵选择 根据设计要求控制系统调节时间ts 2分钟 水泵的选型要考虑调节时间的 限制 由于储水槽到达液位高度时水槽中水的容量为1000L 查阅相关资料选择WKA1300型水泵 参数如下 表 4 2 WKA1300 型水泵 徐州工程学院 课程设计说明书 16 电压电流流量最大抽水高度处于最大抽水高度时泵的 抽水速率 L min 12V500 24V500 4 6 2 电机驱动电路的设计 本课程设计所选水泵为WKA1300型微型水泵 此水泵为直流控制 相当于一 个直流电机 用单片机控制直流电路通常是通过I O口输出PWM波来控制直流电 机的转速 正转 反转 目前流行的直流电机驱动电路是H型全桥式电路 这种 驱动电路可以 很方便实现直流电机的四象限运行 分 别对应正转 正转制动 反转 反转制动 全桥式驱动电路的4只开关管都工 作在斩波状态 S1 S2为一组 S3 S4 为另一组 两组的状态互补 一组导通则 另一组必须关断 当S1 S2导通时 S3 S4关断 电机两端加正向电压 可以实 现电机的正转或反转制动 当 S3 S4导 通时 S1 S2关断 电机两端为反向电压 电机反转或正转制动 5 系统软件的设计 软件编程是系统完成控制的一个重要部分 系统软件程序主要完成初始化 工作 输入输出控制 子程序主要完成数据采集处理的功能包括采集的液位数 据与给定的液位值的比较 是否需要报警 以及处理完成显示部分与调节阀信 号输出 在该系统的软件部分的设计中 第一部分主要是对流程图的介绍 通过对 水体液位进行的简易方便的操纵 可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适 应工作的需要 并可防止故障的发生 第二部分是系统工作程序的编程内容 5 1 软件设计流程图 本软件流程图设计简易合理 方便易于操控 能够针对水位的不同状态和 不同外界条件进行控制 水位运行稳定 控制品质良好 控制效果明显改善 同 时大大提高了控制系统的抗干扰能力 保证了工业水体液位方面作业的稳定运 行 徐州工程学院 课程设计说明书 17 下图即为软件设计流程图 图 5 1 软件设计流程图 5 2 软件主函数 本控制系统采用的是控制 由于模糊控制量的求取是采用查表法 因此软 件程序较简单 整个软件部分较多 现取最重要的水位检测主程序 根据流程图设计出软件的主程序如下 见附录二 void main ik 0 e1 0 kp 2 ki 4 initdingshi 中断初始化 A D 1M N O 1 8M Y E S Y E S N O 徐州工程学院 课程设计说明书 18 st 0 while 1 ad AD初始化 if getdata 230 判断是否水位超过1 8米如果超过 打开报警灯否则关闭报警灯 lamp 0 kg 1 else lamp 0 if getdata 127 判断数位是否低于1米如果低于打开继电器 kg 0 并设定双向晶闸管导通次数 EX1 1 外部中断1允许位打开 y 100 100 uk 127 else kg 1 5 3 电路图和仿真图 徐州工程学院 课程设计说明书 19 图 5 2 电路图 当水位在 1 8m 时仿真图 图 5 3 水位在 1 8m 时仿真图 黄灯模拟报警器 当水位位于 1 8m 时 灯亮即报警 同时阀门开启放水 当水位在 1m 时仿真图 P2 2 P2 2 徐州工程学院 课程设计说明书 20 图 5 4 水位在 1 m 时仿真图 黄灯模拟报警器 当水位位于 1m 时 灯亮即报警 同时水泵开启补水 6 结论 P2 2 徐州工程学院 课程设计说明书 21 本系统主要介绍了水体的液位检测控制 介绍了8051单片机和其它一些单 片机在液位控制系统中的应用 介绍了它们的引脚和在系统中的电路图 本设 计还采用了多种传感器来对液位的信号采集 利用LED来进行信号的输出显示 我设计的硬件系统的结构简化 系统精度高 具有良好的人机交互功能 并设 有液位报警和阀门失灵等故障报警 有问题立即就能发现 通过自动调节控制 液位并实现水体的液位报警 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 采用单片机设计出的工业水位控制器 能够针对水位的不同状态和不同外 界条件进行控制 水位运行稳定 控制品质良好 控制效果明显改善 同时大大 提高了控制系统的抗干扰能力 保证了工业水体液位方面作业的稳定运行 控 制装置具有成本低 抗干扰能力强 控制性能好等优点 且系统硬 软件维护 简单方便 尤其适用于工业控制现场 具有良好的应用前景 本系统所采用的传感器性能稳定 测量准确 大大简化现场安装 具有较 高的性价比 有较大的工程应用价值 而且利用计算机单片机技术对工业生产 过程进行自动控制有着重要的意义 其优越性主要在于 首先 通过对水体液 位进行的简易方便的操纵 可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作 的需要 可以产生巨大的经济效益 其次 水体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 工业以及其他 方面的微机控制必将得到更加广泛的应用 参考文献 徐州工程学院 课程设计说明书 22 1 王文琦 工业锅炉的检测与控制技术 M 成都 四川科学技术出版社 1986 2 王骥程 化工过程控制工程 M 北京 化学工业出版社 1981 3 王文琦 工业锅炉的检测与控制技术 M 成都 四川科学技术出版社 1986 4 王骥程 化工过程控制工程 M 北京 化学工业出版社 1981 5 谢自美 电子线路设计 实验与测试 M 华中科技大学出版社 2003 6 杨国志 王立峰 杨东光 王辉林等 实用电子制作实例 M 福建科学技术出版社 2000 7 金伟正 单线数字温度传感器的原理及用 M 电子工业出版社 2000 8 王永平 陈建华 基于 S7 200PLC 的高性能电热锅炉控制系统 J 仪表技术与传感器 2002 9 潘新民 王艳芳微 型计算机控制技术 M 高等教育出版社 2002 10 谈振藩 自动控制专业英语 M 哈尔滨工程大学出版社 1999 11 杨智 明丽萍 21 世纪燃气锅炉在中国的发展前景 J 自动化学报 2001 12 袁希光等 传感器技术手册 M 北京国防工业出版社 1986 13 张洪润 张亚凡 传感技术与应用教程 M 清华大学出版社 2005 附录 徐州工程学院 课程设计说明书 23 附录 1 寄存器初始状态值寄存器初始状态值 PC0000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100H DPTR0000HTL100H P0 P1 P2 P3 0FFHSCON00H IPxxx00000BPCONOxx00000B IEN0Oxx00000BSBUF 不定 附录 2 include 徐州工程学院 课程设计说明书 24 include