液位自动控制装置.doc

G甲1038 G题液位自动控制装置设计者 高少博、杜阿安、贾兆磊赛前辅导老师 姚福安、万鹏院校 山东大学 专业 控制科学与工程学院 物流工程摘要：本系统装置是以凌阳61单片机为核心，以键盘和红外光电对管为输入系统，以液晶显示器、声光报警电路及步进电机为输出系统的液位自动检测与控制装置。系统利用连通器原理，将测储液瓶的水位高度变为测与之相连通的管子内的水位高度。键盘为单片机所配置的独立式键盘。光电对管的功能为检测连通管内浮子的位置，进而可知管内水位高度即储液瓶内的水位。步进电机带动光电装置移动。采用凌阳61单片机的RART中断进行主机与从机之间的通信。并且当储液瓶内液位低于或超出特定值时声光报警电路发出报警信号。关键词：液位控制，红外光电对管，步进电机，SPCE061A,通信。ABSTRACT:This Auto-controlled System witch based on Sunplus 61 MCU device and formed with keyboard ,photovoltaic systems, LCD monitors, sound and light alarm circuit and stepper motor is to achieve the goal of automatic control of the liquid-level. Liquid-level detection system forms the output device.The water level of the tube which connect with the bottle of liquid-level detection will be measured. SCM keyboards are configured for stand-alone keyboard. Connected to the control function of the photoelectric detection tube floater position, then we can see that the reservoir water level pipe poured the water. Sunplus 61 suspended for using SCM RART between the host and slave .When the reservoir and poured some liquid level below or above the specified value Alarm Circuit issued a warning sound and light signals.KEYWORD: control of liquid-level ,tube of Infrared photo,setpper motor, communications， SPCE061A.目录一 、方案比较、设计及论证41.1 主控制器模块4方案一：4方案二：4方案三：41.2 液面检测模块及方案4方案一：4方案二：41.3 受液瓶蓄排水系统方案选择5方案一:5方案二：51.4 键盘方案的选择5方案一：5方案二：51.5 显示方案选择5方案一：5方案二：51.6 系统各模块的最终方案5二 、系统的硬件设计与实现72.1 主控制器电路的设计72.2 红外光电对管电路设计72.3 步进电机驱动电路设计82.4 ZLG7289键盘控制电路102.5 显示模块122.6 出水与进水模块电路122.7 声光报警模块13三、系统的软件设计133.1 主机程序流程设计143.2 从机程序153.4从机水位控制程序模块设计16四、系统测试184.1 测试仪器194.2 性能测试194.2.1 水位控制测试194.2.2报警及异常情况处理检测194.3 测试结论19五、结论分析与总结20参考文献：20附录：20一 、方案比较、设计及论证1.1 主控制器模块单片机作为整个运动系统的控制核心，根据题目要求，主要作用是对水位信号的接受和液晶等显示部分的数字信号处理。对于中央控制器的选择我们有以下三种方案：方案一：采用MCS51系列单片机。51系列单片机价格便宜，使用简单，开发软件以及硬件调试器型号众多，应用广泛而普遍。但是51系列单片机RAM,ROM等资源少，外围模块少，指令周期长，运算速度较其他RISC指令系统单片机慢。方案二：采用PIC18F4620单片机。PIC18F4620采用哈佛结构，以及RISC指令系统单片机，其具有1K RAM，64K FLASH，丰富的I/O口资源，内置A/D，内置EEPROM，看门狗电路，倍频电路等丰富的外围模块，一个指令周期是四个机器周期，运算速度快，完全能够满足我们的系统要求。但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不方便，使用不广泛。方案三：采用凌阳16位单片机SPCE061A。SPCE061A是一款16位结构的微控制器，其具有指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理。内置2K字节SRAM，32K字节FLASH，SPCE061A有两个10位通用的并行I/O口以及其他丰富的外围模块。其内部具有倍频电路，16位运算以及丰富的RAM资源使其数据处理能力强大，另外由于其是凌阳公司大学计划的推广芯片，使用极其方便。1.2 液面检测模块及方案方案一： 采用红外光电对管即红外发光二极管和接收管组合通过检测漂浮于水面上不透光浮子的方法来检测水面。对水位的跟踪方式是由步进电机带动光电对管的上升与下降，当对管遇到浮子时作出电平变换，输入单片机，进而进行处理。以记录步进电机的步数来计算水位高度。方案二： 采用使用霍尔元件检测水面的带有磁铁的浮子来确定水面位置，霍尔元件由磁性材料和电桥与运算放大器构成，当有磁场通过霍尔元件内部的磁性材料时，霍尔元件内部的电桥平衡被破坏，这样使运算放大器产生输出变化。此方式需要大量霍尔元件来事时监控水面位置。结论：由于要达到0.3cm的精度，用步进电机可以实现微小距离的移动，带动光偶实现先天性的高精度，红外线波长比可见光波长长，因此受可见光的影响较小，同时红外系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，能有效的抗可见光波段的伪装，对辅助装置要求最少，外围电路简单；霍尔元件优点是不需要动力系统硬件固定于容器壁，不需要复杂的机械设计，而霍尔元件由于体积限制不能直接通过硬件来实现此精度，且对大量信号需要额外的硬件电路设计，故这里采用第一种方案。1.3 受液瓶蓄排水系统方案选择本设计中用2.5升的可乐瓶作为受液瓶，可供选择的方案有：方案一: 蓄排水均用电磁阀，此方式根据“水往低处流”通过两电磁阀的开关分别控制水流进出。方案二： 用电磁阀和水泵各一个，水泵价格便宜，可以相对减少总体开支，系统由水泵供水，电磁阀放水，此方式不需要苛刻的液位差，在实际生活中更实用且符合生产生活的实际情况与应用。结论：考虑到本设计中受液瓶位置较高如果采用方案一则外观看起来系统庞大，考虑到与实际的符合情况最终选择方案二。1.4 键盘方案的选择 方案一： 采用矩阵式键盘，此种方案硬件制作简单，系统成本有所降低，且采用矩阵式行列扫描、方式，虽然当按按键较多时，可以相对减少需要的单片机I/O口的数目，但在需要双机通讯且一主多从的I/O口紧张的电路中太多按键的设置难以实现，进而会成为对软件的扩展的瓶颈，且电路结构复杂、编程难度较大。 方案二： 采用可编程逻辑芯片来控制安键，此种方法对软件要求不高，容易编程，可以使用相对数量较多的按键，例如ZLG7289A。ZLG7289A是周立功单片机的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，其具有串行接口，可以连接多达64键的键盘矩阵，可直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED），内含去抖动电路，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。内有译码电路，大大简化了程序的编写。故其突出优点就是采用串口通讯，占用CPU端口少，对CPU负载携带能力要求低，使主控单片机实现更为关键的控制功能。结论：本设计中键盘输入只是整个控制系统功能的一小部分，其作用只是命令输入，不应该占用太多单片机有限的I/O口线资源。综合考虑两种方案及题目要求，采用第二方案可以实现控制电路的较复杂的人机交互模式，故采用方案二。1.5 显示方案选择方案一： 采用数码管显示液位，数码管价格低廉，但要实现数量较多的数码管的显示需要比较复杂的硬件电路，且对输出内容有很大限制。方案二： 采用OCMJ4X8C液晶可以实现事实图示输出，有很好的界面，且由于已经集成汉字，可以通过简单编程实现复杂多样的显示。结论：由于题目中要求一多从的控制方式，数码管显示各个从机状态时不会直观的表达，在考虑到硬件与编程情况选择液晶。1.6 系统各模块的最终方案通过以上的分析与论证，决定了各模块的最终方案列举如下。（1）中央控制模块： 采用凌阳16位单片机控制；（2）液位测量： 采用红外光电对管和步进电机组合，实现动态测量；（3）出水与进水模块： 采用水泵进水，电磁阀出水；（4）水位设定模块：采用ZLG7289做键盘输入。（5）显示模块：采用LCD液晶显示。 通过上面具体方案分析及确定下来的方案可以设计如下图所示总的系统工作框图：位置数据命令液位数据从SPCE061A步进电机LCD显示键盘主SPCE061A其他从机电磁阀光电对管LCD显示U型管内水位SPCE061A的UART通讯协议电压信号声光报警水泵水位下降水位上升图(1) 主机设定各个从机部分的水位数据，具体控制方法几内容由各从机控制。主机对各个从机返回的液位信息进行处理，以图表的形式显示于LCD上，液位数据由与主机相连的键盘输入，并且可以选择对具体从机进行事时监控。 与从机相接的LCD显示其从机所控制部分的水位信息。从机通过控制电磁阀的开关来控制出水，通过控制水泵开关来控制进水。通过步进电机来跟踪水位信息，对光电管返回的电压信号作出对应反应。二 、系统的硬件设计与实现2.1 主控制器电路的设计主控制单片机最小系统电路如图（2）所示。单片机接收从键盘输入的从机编码和液位数据，而后进行通讯，从机选择自己的数据，通过控制步进电机和水泵、电磁阀，完成各项功能。SPCE061A最小系统电路如图（2）所示。图（2）2.2 红外光电对管电路设计 光电对管是测量水面的关键元件，由于发射接受间的距离比较短，所以采用一般的发射接受管即可，但为了确保精确，必须有妨止干扰的附加措施，如给光电管加上不透光锡纸筒，发射与接受对准确。图（3）光电管的电路图设计。三个PORT端口分别是发射管的信号输出（接收到发射管的红外线信号为低电平，反之为高），设计为三对红外光电对管是因为这样就可以预先知道水位的方位，对步进电机进行快速正确驱动。 应当注意的点是，SPCE061A单片机必须和观点管共地。图（3）2.3 步进电机驱动电路设计 步进电机与光电管共同组成水位的动态监控，其在此系统中对测量精度有着重要的影响。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。总结起来步进电机有几个明显的优点：1.采用直接数字控制且控制性能好2.通过采用开环方式对位置和速度实现控制3.误差不会积累4.具有自锁能力和保持转距。其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序：通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断，工作原理如图(4)。为了增大步进电机的扭力矩，我们是按AB-BC-CD-DA顺序进行控制。(2)控制步进电机的转向：如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机速度进行调速。 (4)在本系统中用步进电机的准确定位来计算电机带动滑轮转过的距离进而求得液位高度。就体方法是：测量出连接在电机轴上小轮的周长，步进一步是1.8度，那么一个周期是两步，测转过的距离为L，其计算公式为：Lns (n为周期数，s为步进电机每个周期转过的距离)。AB5V驱动继电器CD图（4）本系统中通过软件对步进电机进行控制。根据步进电机工作时序（图4）要求，SPCE061A单片机的四个I/O口发送控制信号，共同控制电机转速与角度。通过图(5)所示电路进行功率放大，从而驱动步进电机。图（5）2.4 ZLG7289键盘控制电路键盘电路采用ZLG7289键盘扫描专用芯片。 7289芯片引脚如图(6)所示。标准的键盘显示应用电路如图(7)所示。ZLG7289最多可扫描64个按键，实际应用中，我们只用到了24个左右的按键就已经满足系统的输入和控制需求。图（6）图（7）2.5 显示模块显示模块采用OCMJ2X10C_3液晶显示器。该液晶模块既有串行接口又有并行接口，外形小巧等特点。为了是占用的I/O口数少，系统开始使用串口，但在试验中发现由于显示的图片占用太多处理时间，可能影响到时时检测的精度，最终选择并口通信。此模块接口资料如图(8)所示图(8)2.6 出水与进水模块电路 由于水泵是12V电压，电磁阀是24V电压，所以两者都不能直接用单片机控制，而只能用继电器控制。控制电路框图如图(9)所示。12V直流电源24V直流电源5V驱动继电器水泵 电磁阀 图（9）2.7 声光报警模块图(10)电路如图(10)。当液位高于25cm时，单片机发出信号使V2出现高电平，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。三、系统的软件设计题目中要求所测液位误差控制在3毫米内，因此本液位检测系统的设计对硬件结构的精确度要求相当高，虽然步进电机可以对红外光电管位置提供准确定位，但该设计中硬件部分中的滑轮以及浮子的大小产生误差的消除很难由硬件消除。只能在软件部分将误差减到最小。而软件设计的关键是算法，算法的优劣直接决定着系统的精确度。本系统的软件设计在nSP单片机开发仿真环境IDE中，采用C语言进行编程，实现各项功能。与汇编语言相比，C语言具有很多优点，如代码清晰易读，易形成模块化，编程及调试的时间减少，大大缩短开发周期，明显增加软件可读性，便于改进和扩充。设计中主机控制从机，涉及到单片机之间的通讯，本系统软件的通讯协议也是应用c语言编写的。3.1 主机程序流程设计系统功能选择系统操作说明系统信息查询从机号选择操 作 与 一 号 机 相 同 ， 故 省 略一号机水位(重)查询水位调整从机状态查询从机历史记录查询警报信息处理初始化 图（11） 主机程序框图系统启动后，主机控制所选择的从机并接收由从机返回的信息。3.2 从机程序有无向主机传送水面高度和从机号大于小于初始化测量水面高度是否按键设定水面高度开关水泵、电磁阀传送从机信息手动接触报警系统重启设定值与测量值比较放水抽水 图（12） 从机程序框图初始化之后，从机控制光电对管搜寻浮子的位置来确定液面的初始高度，当通过键盘设定液面的高度后，从机将对设定值和初始值比较，若设定值比初始值大，则开启水泵给受液瓶蓄水与此同时从机还控制滑轮将光电对管送至设定值处。当液面上升至设定值时，光电对管将检测到浮子，从机控制水泵停止蓄水。当设定值比初始值小时，从机控制电磁阀排水。 若液面高度低于2cm或高于25cm时，从机将启动报警电路发出报警信号同时停止其他部分的工作，若按下复位键则停止警报，液面恢复到初始值。若复位键不被按下则警报在30秒后自动消除，液面恢复到初始值。3.4 从机水位控制程序模块设计在水位控制时需要首先找到水面的位置，并对对管进行定位。由于采用三对红外光电对管的设计，能够对水位进行预测从而提高精度的同时加大了定位的复杂化。此设计由于光电管的位置随机所以先是光电管由上到下扫描，电机转过的距离小于25厘米,硬件上光电对管升降系统设计为能够实现上边界“活性定位程”当光电装置上升或下降到最低点时停止移动时电机继续转动不影响硬件电路和机械装置。图(13)所示是此程序过程的流程图。否1管（顶端）2管是3管（底端）初始化光电管电压是否变化，电机是否转过25cm电机由上到下扫描浮子哪个光电管电机减速2管电压变化时电机停止电机停止电机停止并向上电机停止并向上2管电压变化时继续向上移动浮子高度的距离，并停止计算并向主机发送高度向上转动25cm，电机转数置零图(13)在开始找到水面位置后，从机就可以只进行数据的发送工作，当接受到主机的控制设定信号后就进行具体的水位升降控制，光电管部分不对及其步进电机不对设定的水位作出反应，而只检查水位是否变化。具体流程图如图(14)所示。有无大 小 与主机进行数据交换接受到水位高度数据，并与初始值进行比较打开水泵水面变化后出发中断，进入中断服务程序，电机向下转1管（顶端）2管3管（底端）哪个光电管电机向下直到2管电压变化比较现在水位于设定水位如果相等，离开中断程序电机向上直到2管电压变化无图(14)水位变化后液晶显示的流程图：注：初始化的内容是把程序原有的与基准水位对应的图调入，显示在屏幕上。主机对从机的水位历史记录查询：（主机子功能流程图，如图(15)）N查询历史记录按键按下数据收集完成显示数据尚未收集完毕显示数据的变化的曲线图Y图(15)为了增加系统水位的历史查看功能，设计了水位历史变化功能，其程序流程图如图(16).Y初始化水位变化超过一厘米Y升高画面中水位上移一个像素NN画面中水位下降一个像素图(16)四、系统测试为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统所实现的性能指标进行了实际测试。按照题目的要求将系统安装好。4.1 测试仪器 万用表，毫米刻度尺，游标卡尺，4.2 性能测试4.2.1 水位控制测试 系统初始化后，通过键盘分别设定液面高度为4cm、8.3cm、12.6cm、16cm、20.1cm、25.5cm，检测受液瓶内的实际液面高度，测试两次。（注：正负知道表高低，比设定值高为正。）设定液面（cm）4.07.39.615.720.124.0平均误差实际液面1（cm）3.737.559.7715.8919.6723.76误差（cm）0.270.250.170.190.430.240.25实际液面2（cm）3.697.669.3215.4619.7024.32误差（cm）0.310.330.280.190.310.320.29表（1）平均误差总误差和/测量次数0.2742(cm) ，小于题目要求的0.3cm的要求。两次相同设定中，实际水位的高低属于随机分布，切实际水位高与低的可能性相等，可以得出浮子对光电管的检测所带来的误差很小，没有硬性的硬件原理的错误。 4.2.2 报警及异常情况处理检测设定液面高度为2cm 、25cm检测报警系统以及复位键能否正常工作。液位设置(cm)1.31.51.71.92.02.12.22.3是否报警是是是否是是否否表（2）外部人为设定液位24.024.925.025.5是否报警否是否是能否排水到20cm否是是是表（3）为了测试系统处理异常情况的能力，我们通过人为的加水和放水进行测试：当给蓄水瓶中加水或排水时，联通器内水面变化，步进电机会快速作出反应，进行水位跟踪。 从表（2）和表（3）的测试数据可以看出，如果排除水位检测方面的误差，报警模块及异常水位的处理是可以正常而准确工作的。4.3 测试结论 系统实现的功能： 1通过键盘选择从机，并设定水位，发送控制字与内容给从机； 2检测从机状态，并作出对应处理，如重启从机；3主从机都以图形的方式显示水位数据；4从机每隔4/1秒给主机发送水位信息；5从机时时检测水位变化并作出对应操作；6对异常情况声光报警；五、结论分析与总结本系统