液位控制系统设计.doc

东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 1 摘摘 要要 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 8051 单片机 模数转换 水位控制 自动控制 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 2 目目 录录 1 前言前言 3 1 1 课题背景 3 1 2 国内外研究的现状 3 1 3 使用单片机实现水体液位控制的优点 4 2 系统硬件设计系统硬件设计 6 2 1 核心芯片 8051 单片机 6 2 2 液位传感器设计 9 2 4 ADC0809A D 转换器转换器 13 2 5 键盘及显示接口 16 2 6 自动报警电路 17 下列二种情况发生系统报警 18 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 18 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 18 3 系统软件的设计系统软件的设计 19 3 1 软件设计流程图软件设计流程图 19 致谢致谢 23 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 3 1 前言前言 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 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 4 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 使用单片机实现水体液位控制的优点 使用单片机实现水体液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点 采用高亮二 极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位 可有效保证水位的自动控制 能更好 地对水体水位进行自动化控制 避免了工作人员在现场进行检测操控 方便了人员对液位系 统的控制 控制方便且系统稳定性能好 单片机不仅有体积小 安装方便 功能较齐全等 优点 而且有很高的性价比 应用前景广 同时有助于发现可能存在的故障 通过微机 实现给水系统的自动控制与调节 维持稳定系统 保证安全经济运行 本文就是采用 8051单片机为核心芯片的一种水体水位控制系统 具有较高的实用价值和优越性 本系统与PLC控制系统相比大大降低了使用成本 提高了控制运行速度 根据仿真模 拟运行的结果表明 该系统能很好的运行 将液位控制在给定的范围内 对过高和过低进行安 全报警 稳定性能好 容易操作和控制 保证了生产的正常进行 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 系统的原理是采用高亮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 本设计主要运用了液位传感 器测液位 第三章将着重介绍 1 4 2 系统软件总体方案 水位检测是通过四对由高亮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 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 5 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 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 而且利用计算机与组态软件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 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 以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用 1 4 3 设计的研究进程 本设计第二章对系统进行硬件分析 主要介绍了本设计所使用的核心芯片8051 重要对 其端口进行介绍 介绍其功能与用途 还介绍了液位传感器 数模转换ADC0809 执行设备 LED显示和报警装置 介绍了他们的原理 结构和电路连接 另外我着重介绍了本设计所 使用的传感器 因为传感器的性能在整个系统中起着非常重要的作用 尤其对检测精确度起 着重要的作用 第三章我介绍了整个系统的软件设计 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 6 2 系统硬件设计系统硬件设计 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二级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 2 1 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现对水体的液位进行调节控 制 阀门的驱动设备是电动机 2 1 核心芯片 8051 单片机 计算机芯片 MCS 51 是一个电脑晶片 英特尔公司生产系列 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 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 4KEPROM 因为系统要求控制线较多 如果采用 8031 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 并可以直接控制键盘参数输入 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 控制执行装置 C P U LED 显示 报警装置 传感器 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 7 系统的原理是采用液位式传感器测量液体的液位值 通过单片机的转换与分析在LED 上显示及输出控制 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 以及是否 到达危险高 低水位 需要关闭阀门 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 2 2 8051 引脚图 上图是 8051 的引脚配置 40 个引脚中 正电源和地线两根 外置石英振荡器的时钟 线两根 4 组 8 位共 32 个 I O 口 中断口线与 P3 口线复用 现在我们对这些引脚的功能 加以说明 Pin40 正电源脚 正常工作或对片内 EPROM 抄写程序时 接 5V 电源 Pin19 时钟 XTAL1 脚 片内振荡电路的输入端 Pin18 时钟 XTAL2 脚 片内振荡电路的输出端 8051 的时钟有两种方式 一种是片内时钟振荡方式 但需在 18 和 19 脚外接石英晶 体 2 12MHz 和振荡电容 振荡电容的值一般取 10p 30p 另外一种是外部时钟方式 即将 XTAL1 接地 外部时钟信号从 XTAL2 脚输入 本设计采用外部时钟电路 外接晶振和 电容组成振荡器 输入输出 I O 引脚 Pin39 Pin32 为 P0 0 P0 7 输入输出脚 Pin1 Pin1 为 P1 0 P1 7 输 入输出脚 Pin21 Pin28 为 P2 0 P2 7 输入输出脚 Pin10 Pin17 为 P3 0 P3 7 输入输出脚 在对单片机设计中 P0 口作为程序存储器扩展口 且是扩展并行输入 输出接口的接 口 另外也作为模数转换的数据传输口 P2 口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口 P1 口为输入 输出口 Pin9 RESET Vpd复位信号复用脚 当 8051 通电 时钟电路开始工作 在 RESET 引 脚上出现 24 个时钟周期以上的高平 系统即初始复位 初始化后 程序计数器 PC 指向 0000H P0 P3 输出口全部为高电平 堆栈指钟写入 07H 其它专用寄存器被清 0 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 8 RESET 由高电平下降为低电平后 系统即从 0000H 地址开始执行程序 然而 初始复位 不改变 RAM 包括工作寄存器 R0 R7 的状态 8051 的初始态如下 表 2 1 寄存器初始状态 特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态 ACC PSW 07H DPL IP IE TMOD SCON P0 P3 00H 00H 00H 00H xxx00000B 0 x00000B 00H xxxxxxxxB 1111111B B SP TH0 TL0 TH1 TL1 TCON SBUF PCON 00H 07H 00H 00H 00H 00H 00H 00H 0 xxxxxxxB 8051 的复位方式可以是自动复位 也可以是手动复位 见图 2 3 此外 RESET Vpd 还是一复用脚 Vcc掉电期间 此脚可接上备用电源 以保证单片机内部 RAM 的数据不 丢失 此设计采用自动复位电路 8051 RESET RESET8051 VccVcc SW 22u 1K 9 1K 470R 22u 9 上电自动复位手动复位电路 图 2 3 复位电路 Pin30 ALE 当访问外部程序器时 ALE 地址锁存 的输出用于锁存地址的低位字 节 而访问内部程序存储器时 ALE 端将有一个 1 6 时钟频率的正脉冲信号 这个信号可 以用于识别单片机是否工作 也可以当作一个时钟向外输出 更有一个特点 当访问外 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 9 部程序存储器 ALE 会跳过一个脉冲 如果单片机是 EPROM 在编程其间 prog 将用于输入编程脉冲 Pin29 当访问外部程序存储器时 此脚输出负脉冲选通信号 PC 的 16 位地址数据 将出现在 P0 和 P2 口上 外部程序存储器则把指令数据放到 P0 口上 由 CPU 读入并执 行 在编程时 EA Vpp脚还需加上 21V 的编程电压 2 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 传感器的种类很多 有温度传感器 加速度传感器 光学传感器 压力传感器的 本设计主 要采用的是由高亮二级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 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 光电检测方法具有精度高 反应快 非接触等优点 而且可测参数多 传感器的结 构简单 形式灵活多样 因此 光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛 我采用的是四对高亮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 2 4 液位传感器 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 10 由图 2 4 可知 液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管 它们都属于光电 元件 光电元件主要采用的是光电效应 光电效应分外光电效应 内光电效应和光生伏特效 应 我们知道 光电效应的原理是 PN 结加反向电压时 反向电流的大小取决于 P 区和 N 区中少数载流子的浓度 无光照时 P 区中少数载流子 电子 和 N 区中的少数载流子 空 穴 都很少 因此反向电流很小 但是当光照 PN 结时 只要光子能量 h 大于材料的禁带 宽度 就会在 PN 结及其附近产生光生电子 空穴对 从而使 P 区和 N 区少数载流子浓 度大大增加 它们在外加反向电压和 PN 结内电场作用下定向运动 分别在两个方向上渡 越 PN 结 使反向电流明显增大 如果入射光的照度变化 光生电子 空穴对的浓度将相 应变动 通过外电路的光电流强度也会随之变动 光电效应的原理就是光电二极管的原 理 光敏二极管就把光信号转换成了电信号 它是最简单的光学元件 而光敏三极管有两个 PN 结 因而可以获得电流增益 它比光敏二极管具有更高的灵敏度 也是把光信号转化 成电信号 其结构如图 2 11 所示 光敏三级管是由高亮二极管进行发光的 高亮二极管是一种把电能转变成光能的半导 体器件 它的原理和光敏二极管相似 也是产生光电效应 只不过原理正好相反 当有电流 导体内部产生光电流 照射在 PN 结上 在内部产生光电流 它具有体积小 功耗低 寿命长 响应快 机械强度高等优点 并能和集成电路相匹配 因此 广泛地用于计算机 仪器 仪表和自动控制设备中 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的 按光电 元件 光学测控系统 输出量性质可分二类 即模拟式光电传感器和脉冲 开关 式光电传感 器 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流 它与被测量间呈单值关系 而我设计的液位传感器的主要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器 通过吸 收高亮二极管的光来测量液位的高度 在转化成光电流传到模拟传感器 ADC0809 中 a 光敏三极管的结构示意图 b 基本电路 当光敏三极管按图 2 8 的形式进行电路连接时 它的集电结反向偏置 发射结正向 A E V I 结构示意图和图形符号 基本电路 a b E U0 c e Ic RL N N P a 结构示意 图b 基本电路 A E V I 结构示意图和图形符号 基本电路 a b E U0 c e Ic RL N N P a 结构示意 图b 基本电路 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 11 偏置 无光照时仅有很小的穿透电流流过 当光线通过透明窗口照射集电结时 和光敏 二极管的情况相似 将使流过集电结的反向电流增大 这就造成基区中正电荷的空穴的 积累 发射区中的多数载流子 电子 将大量注人基区 由于基区很薄 只有一小部分从发 射区注入的电子与基区的空穴复合 而大部分电子将穿过基区流向与电源正极相接的集 电极 形成集电极电流 IC 这个过程与普通三极管的电流放大作用相似 它使集电极电 流 IC 是原始光电流的 l 倍 这样集电极电流 IC 将随入射光照度的改变而更加明显地 变化 光电传感器通常由光源 光学通路和光电元件三部分组成 如下图光电传感器框图 a b c d 1 2 2 2 2 1 1 1 3 3 3 I x1 x2x3 1 2 光源光学通路光电元件 a 被测量是光源 b 被测量吸收光通量 c 被测量 是有反射能力的表面 d 被测量遮蔽光通量 1 被测物 2 光电元件 3 恒光源 图 2 10 光电传感器框图 光电传感器通常由光源 光学通路和光电元件三部分组成 如图 2 12 所示 图中 1 是光源发出的光信号 2 是光电器件接受的光信号 被测量可以是 x1 或者 x2 它们 能够分别造成光源本身或光学通路的变化 从而影响传感器输出的电信号 I 光电传感器 设计灵活 形式多样 在越来越多的领域内得到广泛的应用 水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管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 开水房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 开水加水 第四个位置是水位下限报警线 即当水位低于此位置时 开水房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 2 3 光电式传感器的基本特性 1 光谱特性 在入射光照度一定时 光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化 一种光 敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感 这就是光敏晶体管的光谱特性 见图 2 11 由曲线可以看出 当入射光波长增加时 相对灵敏度要下降 这是因为光子能量太 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 12 小 不足以激发电子 空穴对 当人射光波长太短时 光波穿透能力下降 光子只在半 导体表面附近激发电子 空穴对 却不能达到 PN 结 因此相对灵敏度也下降 从曲线还可以看出 不同材料的光敏晶体管 光谱峰值波长不同 硅管的峰值波长 为 0 9 m 左右 锗管的峰值波长为 1 5 m 左右 由于锗管的暗电流比硅管大 因此锗管 性能较差 因此在探测可见光或赤热物体时 多采用硅管 但对红外光进行探测时 采 用锗管较为合适 2 伏安特性 光敏三极管在不同照度下的伏安特性 就象普通三极管在不同基极电流下的输出特 性一样 如图 2 11 所示 在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流 从而得 到这样一簇曲线 3 光电特性 它指外加偏置电压一定时 光敏晶体管的输出电流和光照度的关系 一般说来 光 敏二极管光电特性的线性较好 而光敏三极管在照度小时 光电流随照度增加较小 并 且在光照足够大时 输出电流有饱和现象 这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电 流和大电流时都下降的缘故 4 温度特性 温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小 但是对暗电流的影响却十分显著 如 图 7 2 10 所示 因此 光敏晶体管在高照度下工作时 由于亮电流比暗电流大得多 温 度的影响相对来说比较小 但在低照度下工作时 因为亮电流较小 暗电流随温度变化 就会严重影响输出信号的温度稳定性 在这种情况下 应当选用硅光敏管 这是因为硅 管的暗电流要比锗管小几个数量级 同时还可以在电路中采取适当的温度补偿措施 或 者将光信号进行调制 对输出的电信号采用交流放大 利用电路中隔直电容的作用 就 可以隔断暗电流 消除温度的影响 5 频率特性 光敏晶体管受调制光照射时 相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性 如图 2 12 所示 减少负载电阻能提高响应频率 但输出降低 一般来说 光敏三极管的频响比 光敏二极管差得多 锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级 4 1 2 3 Ic mA 20 40 60 80 100 Kr 1 2 1 00 51 52 0 i m 8 12 Ee 2500lx 250 0 lx 150 0 lx 100 0 lx 500lx 250 0 lx 1 硅光敏晶体 管 2 锗光敏晶体 管 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 13 图 2 11 光敏晶体管的光谱特性 图 2 12 光敏三极管的伏安特性 光电传感器的敏感范围远远超过了电感 电容 磁力 超声波传感器的敏感范围 此外 光电传感器的体积很小 而敏感范围很宽 加上机壳有很多样式 几乎可以到处 使用 最后 随着技术的不断发展 光电传感器在价钱方面可以同用其他技术制造的传 感器竞争 2 4 ADC0809A D 转换器转换器 A D 是把模拟信号转换成数字信号 把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数 字信号 然后再通过 8051 单片机的分析处理进行 LED 显示和液位和压力的报警 2 4 1 D A 转换基本原理 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 4 1 2 3 Ic mA 20 40 60 80 100 Kr 1 2 1 00 51 52 0 i m 8 12 Ee 2500lx 250 0 lx 150 0 lx 100 0 lx 500lx 250 0 lx 1 硅光敏晶体 管 2 锗光敏晶体 管 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 14 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 还决定于 权 各支路的电流如下 1 222 68 2 22 refref VV IDD RR 因此 总电流为 Iout 7 01234567 8 0 2 24 2 refi outi i V IIIIIIIIID R 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 25 其中 7 0 8 0 2 26 2 refi i i V END 7 0 8 0 2 26 2 refi i i V END 0 00 88 1 111 78 2 22 2 22 refref refref VV ID RR VV IDD RR 3 333 58 4 444 48 5 555 38 6 666 28 7 777 18 2 22 2 22 2 22 2 22 2 22 refref refref refref refref refref VV IDD RR VV IDD RR VV IDD RR VV IDD RR VV IDD RR 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 15 由式 2 6 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 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 2 4 2 ADC0809 转换芯片 本开发系统的 A D 转换实验硬件主要是由 ADC0809 转换芯片和四个可变电位器组 成的 ADC0809 是 8 位 8 通路逐次逼近式 A D 转换器 输入电压在 O 5 V 最大不可 调误差小 1LSB 它具有高速 高精度 温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小 重 复性好等优点 ADC0809 芯片的引脚图如图 2 6 所示 由图 2 6 可看芯片主要是由一个 8 位 A D 转换器 8 路模拟输入选通开关 地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁 存器组成 为实现 8 路模拟通道能有条不紊地工作 首先通过地址译码锁存器选通所要 开通的 8 路模拟通道中的一路开关 将模拟信号送入 A D 转换器中实现 A D 的转换 转 换后的数据放到三态数据锁存器中等待 CPU 来取 取后由 CPU 启动新一次的地址译码 重复以上完成新一次的 A D 转换 ADC0809 芯片提供了高转换速度 高精密度 环境影 响小和低功耗等优点 被广泛应用于各种控制领域 下图为 ADC0809 芯片的引脚图 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 16 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 2 6 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 2 5 键盘及显示接口 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 LED 发光二极管 最早出现在 19 世纪 60 年代 现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管作为指示灯来用 LED 就是一种半导体元件 其电气性能与普通二极管相同 不同之处在于当给 LED 通电流时 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 17 它会发光 由于 LED 是固态的 所以它能延长传感器的使用寿命 因而使用 LED 的光电 传感器能被做得更小 且比白炽灯传感器更可靠 不像白炽灯那样 LED 抗震动抗冲击 并且没有灯丝 另外 LED 所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分 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 是采用的就是静态显示 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 键盘是有若干按键组成的开关矩阵 它是最简单的单片机输入设备 通过键盘输入 数据或命令 来实现简单的人机对话 键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种 非编码 键盘有并行接口扫描和串联接口扫描 我采用的是串行接口 它的组成是由移位寄存器 74LS164 和六个键组成 74LS164 是一个 14 位脚的寄存器 集成电路芯片 由 8051 串行 接口的 TXD 端输出列扫描信号到 74LS164 的 1 2 引脚 键闭合信号则用端口 P3 3 P3 4 P3 5 输入 8051 单片机 由 8051 单片机的 TXD 引脚输出移位时钟脉冲到 74LS164 的时针输入端 CLK 还有非前者用软件来识别和产生代码 后者则用键盘来 识别 键盘处理程序实现对键盘的管理 显示具体见下图 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 24 Jun 2007Sheet of File C Documents and Settings Administrator 与与 与与 与与 与与与与与 ddbDrawn By A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 74LS164 a bf c g d e VCC1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 AMBERCA 1K 1K1K1K1K1K1K1K A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 18 图 2 7 LED 显示器 2 6 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 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 24 Jun 2007Sheet of File C Documents and Settings Administrator 与与 与与 与与 与与与与与 ddbDrawn By A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 CLK 8 CLR 9 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 74LS164 a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 AMBERCA 1K 1K1K1K1K1K1K1K Q LS SPEAKER R 1K 12 2 3 1 UA 74LS33 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 1 23 UA 图 2 8 自动报警电路的接线图 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 19 3 系统软件的设计系统软件的设计 该系统硬件系统完全 但系统的运算与控制必须靠软件支持 系统硬件组态完后 根据 I O 地址分配和功能要求便可以进行软件编程 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 显示部分与调节阀的信号输出 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 其中包括了对水 位的检测 对补水泵的控制开和关 以及补水泵是否正常工作的报警 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 由于全部编程部分较多 只 取最重要的水位检测主程序段 本程序段主要实现启动 ADC0809 转换器 并从 A D 转换 器采集信号的功能 3 1软件设计流程图软件设计流程图 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 下图即为软件设计流程图 补水泵 1 有故障 吗 水位下限水位吗 开启补水泵 1 进行补水 水位检测 Y N N 补水泵 2 工作 Y 开始 返回 检测水位为上限 水位吗 补水泵 1 停止补水 Y N 检测水位为上限 水位吗 补水泵 2 停止补水 Y N 故障报警 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 20 图 4 1 软件设计流程图 3 2 水位检测的主程序水位检测的主程序 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 这是程序运行的主要程序段 主要实现启动 ADC0809 转换器 并从 A D 转换器采 集信号 SHUICPM MOV A P1 ANL A 0FH MOV 30H 0FH 00001111 CJNE A 30H AAA1 SETB P2 0 SETB 20H 1 setb 水位状态标志位 AJMP OUT2 AAA1 MOV 30H 0EH 00001110 CJNE A 30H AAA2 SETB P2 0 CLR 20H 1 AJMP OUT2 AAA2 MOV 30H 0CH 00001100 CJNE A 30H AAA3 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 21 CLR 20H 1 CLR p2 0 AJMP OUT2 AAA3 MOV 30H 08H 00001000 CJNE A 30H AAA4 CLR P2 0 CLR 20H 1 AJMP OUT2 AAA4 MOV 30H 00H 00000000 CJNE A 30H AAA5 setb P2 0 SETB 20H 1 AJMP OUT2 AAA5 SETB 20H 2 RET OUT2 CLR 20H 2 RET BAOJING JB 20H 3 OUT6 MOV A 20H MOV 30H 00H CJNE A 30H OUT5 AJMP OUT6 OUT5 SETB P3 6 JB 20H 4 OUT9 SETB P0 1 OUT10 JB 20H 2 OUT11 SETB P0 2 OUT12 JB 20H 1 OUT13 SETB P0 3 OUT14 JB 20H 0 OUT15 SETB P0 4 OUT16 RET OUT6 CLR P3 6 RET OUT9 CLR P0 1 AJMP OUT10 OUT11 CLR P0 2 AJMP OUT12 OUT13 CLR P0 3 AJMP OUT14 OUT15 CLR P0 4 AJMP OUT16 东北石油大学华瑞学院本科生毕业设计 论文 22 东北石油大学华瑞学院