水位控制装置设计报告

水位控制装置中文摘要随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的液位采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对液位的控制水平。本设计论述了一种以K60N512VLQ1OO单片机为主控制单元，以投入式液压变送器为液位传感器的液位控制系统。该控制系统可以实时存储相关的水位数据并记录当前的水位。系统设计了相关的机械结构，硬件电路和相关应用程序。机械结构主要包括模拟水缸的制作，传感器的安装，水管等的排布；硬件电路主要包括K60N512VLQ1OO单片机最小系统，液位测试电路、电源电路、升压电路，液晶显示电路以及通讯模块电路等。系统程序主要包括主程序，读液位子程序，计算液位子程序、按键处理程序、无线传输程序，LCD显示程序以及数据存储程序等。关键词K60N512VLQ1OO单片机；投入是液压传感器；串口通讯；水位；显示。SUMMARYOFWATERLEVELCONTROLDEVICEWITHMICROCOMPUTERMEASUREMENTANDCONTROLTECHNOLOGYOFTHERAPIDDEVELOPMENTANDWIDEAPPLICATIONOFMICROCONTROLLERABSTRACTASTHECOREOFTHEDEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFDATAACQUISITIONANDCONTROLSYSTEMFORLIQUIDLEVELINCREASESTOAGREATEXTENTONTHELEVELOFCONTROLFORLIQUIDLEVELOFPRODUCTIONLIFETHISDESIGNADDRESSESAK60N512VLQ1OOSINGLECHIPMICROCOMPUTERMACHINECONTROLUNIT,INPUTTYPEHYDRAULICPRESSURETRANSMITTERFORLIQUIDLEVELCONTROLSYSTEMOFLIQUIDLEVELSENSORSTHISCONTROLSYSTEMCANSTORAGERELATEDWATERLEVELDATAINREALTIMEANDRECORDTHECURRENTWATERLEVELTHERELEVANTMECHANICALSTRUCTURESYSTEMDESIGN,HARDWAREANDRELATEDAPPLICATIONSMAINMECHANICALSTRUCTURESINCLUDESIMULATIONOFTANKPRODUCTION,THESENSORINSTALLATION,ARRANGEMENTOFPIPESMINIMUMSYSTEMHARDWARECONSISTSMAINLYOFK60N512VLQ1OOSINGLECHIP,LIQUIDLEVELTESTCIRCUITS,POWERSUPPLIESANDVOLTAGEBOOSTINGCIRCUIT,LCDCIRCUITS,ASWELLASCOMMUNICATIONCIRCUITMODULE,ANDSOONSYSTEMPROGRAM,INCLUDINGTHEMAINPROGRAM,READINGLIQUIDSEATPROGRAM,CALCULATETHEHYDRAULICSEATPROGRAM,KEYHANDLER,WIRELESSTRANSMITTER,LCDDISPLAYPROGRAM,ANDDATASTORAGEPROCEDURESKEYWORDSK60N512VLQ1OOSINGLECHIPINPUTISAHYDRAULICSENSORSERIALCOMMUNICATIONWATERDISPLAY一、要求11、任务利用透明容器（直径不能小于10CM）、直流双向水泵、传感器和胶管等制作一个水位控制装置，用单片机设计控制系统实现水位的精确控制，水源自备，控制装置供电为12V单电源，水位控制装置参考框图如下。12、要求1基本要求（1）控制器能显示当前水位值、给定水位值和水泵工作状态。（2）水位给定范围10200MM；在给定水位范围内，任意设置水位值，控制系统调整水位高度，使系统测量的水位显示值与实际值误差2MM；（3）重新给定新的水位值（新水位值与原水位值之差不小于50MM），水泵启动进行抽水或放水，水位到达设定值后水泵停止工作，设定水位值与实际值误差4MM，水位调整时间小于5分钟；2发挥部分设计并制作主从式控制系统，从机是水位控制器，主机不允许使用PC机或笔记本电脑，主机能通过串行通信口对从机进行远程控制。（1）主机能对从机的水位给定值和当前水位值进行读取与显示，也能对从机的水位给定值进行远程修改；（2）提高控制性能达到水位显示值与实际值误差1MM，设定水位值与实际值误差2MM；（3）尽量缩短水位调整时间；（4）在水泵位置设计一个能显示水泵转向的显示装置；（5）其他。二、方案论证与比较21传感器的选择与比较方案一采用液位传感器液位传感器（液位变送器）是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420MA/15VDC）。方案二采用压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造压力传感器而成的，这样的传感器也称为压电传感器。考虑到液位传感器信号输出是电流信号，较易转换为电压信号处理，所以选择方案二。系统三系统设计31主控芯片32整体结构抽水机处理MCU电源传感器处理串口通讯四硬件电路设计415V电源设计方案与比较方案一采用三端电源稳压电路LM7805方案二采用线性稳压电源LM2940LM2940具有纹波小、电路结构简单的优点，LM7805电流大，但电路的纹波大。对于单片机，需要提供稳定的5V电源，由于LM2940的稳压的线性度非常好，所以选用LM2940。LM2940的设计电路图如下。LM2940电路图4224V电源的设计考虑到电源的稳定性，我们采用MC34063芯片，其升压电路图如下。43驱动的电路方案比较与设计方案一采用两片的BTS7960设计一个H桥，可以控制电机的正反转，输出电流可以达到43A。方案二采用COMS管，功耗低,电流大。方案三采用L298N，其输出电流为2A，可以驱动感性负载。我们选用的水泵稳定工作的电流大概2A左右，而L28刚好适合，且L298属专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，该模块可直接控制直流电机的正反转。综合考虑各方面，驱动电路的芯片选用L298N。电路图如下驱动电路图44显示和串口通讯电路我们采用诺基亚5110液晶显示屏，蓝牙串口通迅。五、机械机构我们主要是制作了模拟水池，水管，传感器等的安装。下面是实物图六、软件设计我们所用的编程环境是IAREMBEDDEDWORKBENCHIDE,嵌入式IAREMBEDDEDWORKBENCH适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。它为用户提供一个易学和具有最大量代码继承能力的开发环境，以及对大多数和特殊目标的支持。嵌入式IAREMBEDDEDWORKBENCH有效提高用户的工作效率，通过IAR工具，用户可以大大节省工作时间。同时我们使用JLINK仿真器进行DEBUG仿真，大大的减少了调试的时间，为我们进行精确性调试争取了大量的时间。以下为IAR界面水泵控制方案1通过常规的判断，直接对水泵进行开关控制；方案2利用棒棒算法PID算法进行闭环控制；通过实践测试与调试，我们选择了方案二；PID（比例积分微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数KP，TI和TD可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在过程控制中，PID控制器，一直是应用最为广泛的一种自动控制器；PID控制也一直是众多控制方法中应用最为普遍的控制算法，PID算法的计算过程与输出值OUT有着直接函数关系，因此想进一步了解PID控制器，必须首先熟悉PID算法，这也是笔者为什么在下面的内容里大费周章讨论这个问题的原因所在。PID控制器调节输出，是为了保证偏差值E值为零，使系统达到一个预期稳定状态。这里的偏差E是给定值SP和过程变量值PV的差。PID控制原理基于下面的算式输出MT是比例项P、积分项I、微分项D的函数。MTKCEKCMINITIALKCTD11为了让计算机能处理这个PID算法，我们必须把这个连续算式离散化成为周期采样偏差算式，才能计算调节输出值以下简称OUT值。将积分与微分项分别改写成差分方程，可得12E1E2EK13EKEK1/T。T是离散采样周期将上12和13式代入输出项函数11式，可得数字偏差算式14为MNKCENKCMINITIALKCENEN114输出比例项积分项微分项11与14式中MT回路输出时间函数MN第N次采样时刻,PID回路输出的计算值OUT值T采样周期或控制周期MINITIALPID回路输出初始值KCPID回路增益TI积分项的比例常数TD微分项的比例常数EN在第N次采样时刻的偏差值ENSPNPVNEN1在第N1次采样时刻的偏差值也称偏差前项从这个数字偏差算式可以看出；比例项是当前误差采样的函数。积分项是从第一个采样周期到当前采样周期所有误差项的函数。微分项是当前误差采样和前一次误差采样的函数。在这里需要说明的是我们在积分项中可以不保存所有误差项，因为保存所有误差项会占用较大的计算机存储单元，所以我们通常从第一次误差采样开始，我们利用每一次偏差采样都会计算出的输出值的特点，在以后的输出值计算时只需保存偏差前项和积分项前值。利用计算机的处理的周期重复性，我们就可以根据我们刚才推导的数字偏差算式计算出下一次积分项值。因此我们可以简化上述的数字偏差算式14为MNKCENKCENMXKCENEN115CPU计算机中央芯片实际计算中使用的是15简化算式的改进比例项、积分项、微分项和的形式计算PID输出的。相关程序七系统测试1、测试环境环境温度28摄氏度，室内面积50平方米测试仪器数字万用表，钢尺，示波器等。2、测试方法使系统运行，使用示波器观察抽水机的工作强度，通过钢尺读取液位的实际位置，通过液晶显示屏读取标定值，通过比较得出测试结果。3、测试结果设定液位150MM，初始液位9MM，抽水后实际液位1505MM。调节时间45S（具体视现场情况）静态误差05MM最大超调量1MM。八结论通过系统的设计与测试，本系统基本实现的水位控制功能，精确值达