基于单片机的水位控制系统设计

1、1 概述 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

2、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

3、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。 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

4、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。 2 设计的基本任务和要求 2.1 基本功能 本设计是采用 AT89C51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。 2.2 塔

5、水位控制原理 单片机水塔水位控制原理如图 l 所示，图中的虚线表示允许水位变化的上、 下限位置。在正常情况下水位应控制在虚线范围之内。为此，在水塔内的不同 高度处，安装固定不变的 3根金属棒 A、B、 C。用以反映水位变化的情况。其中， A棒在下限水位 B棒在上、下限水位之间， C棒在上限水位 （底端靠近水池底部 不 能过低，要保证有足够大的流水量 ） 。水塔由电机带动水泵供水。单片机控制电 机转动，随着供水，水位不断上升当水位上升到上限水位时，由于水的导电作 用。使B、C棒均与+5 V连通。因此b、C两端的电压都为 +5 V即为。 l ”状态，此 时应停止电机和水泵工作，不再向水塔注水；当水

6、位处于上、下限之间时。B棒 和A棒导通而 C棒不能与 A棒导通， b端为“ r 状态。 C端为“ O”状态。此时电机 带动水泵给水塔注水，使水位上升，还是电机不工作，水位不断下降，都应继续 维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时， B、C棒均不能与 A棒导通， b、 c均为“ 0”状态。此时应启动电机转动，带动水泵给水塔注水 2.3 系统硬件总体方案 系统的原理是采用 8 个按钮进行水位检测， 在现场的 3个不同的位置， 由下 至上测量水体的液位值 ,。并把这四个液位状态通过模数转换器传到单片机中 ,在 通过 3 位七段 LED 显示器显示出液位的三种状态及报警安全提示。 用 LED 显示

7、 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。 3 控制系统方案设计 3.1 系统硬件方案 系统方案设计液位控制是利用把液位的状态转换成模拟信号 ,再通过模数转 换器 AT89C51 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； 图 2 即是液位控制系统： 图 2 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 号， 换器把输入

8、的模拟信号转换成数字信号，通过 AT89C51 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 3.2 核心芯片 AT89C51 单片机 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器( FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器， 俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的 单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除

9、1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集 和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片 中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精 简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉 的方案。外形及引脚排列如图 3 所以。 图 3 AT89C5 引脚图 3.3 系统软件总体方案 水位检测是通过 8个按钮进行水位检测的，当水位到检测位置其输出端口就 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

10、， 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 电磁阀可能出故障如图 4。 图 4 水位控制流程图 4.Proteus 设计与仿真 4.1 元器件清单 7SEG-COM-CAT-GRN LED 数码管 AT89C1 单片机 BUTTON 按钮 CAP 电容 CAP-ELEC

11、 陶瓷电容 CRYSTAL 12 兆晶振 LED-RED 发光二极管 MOTOR-DC 电机 RES 电阻 RESPACK-8 排阻 4.2 基于单片机水位控制原理图 5 图 5 水位控制原理图 4.3 基于单片机的水位控制 PCB 图 6 图 6 水位控制 PCB 图 4.4 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。 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit MOR=P27; sbit MOT=P

12、26; sbit LED=P20; code uchar tab=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66, 0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; void delay (uint n) while(n-); void LED_SHOW() if(P1=0 xfe) P0=tab8; LED=0; MOR=0; MOT=1; if(P1=0 xfd) P0=tab7; LED=0; MOR=0; MOT=1; if(P1=0 xfb) P0=tab6; LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xf7) P0=tab5; LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xfd) P0=tab4; LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xef) LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xdf) P0=tab2; LED=0; MOR=1; MOT=0; if(P1=0 xbf) P0=tab1; LED=0; MOR=1; MOT=0; if(P1=0 x7f) P0=tab0