储水罐液位控制系统设计.

1、徐州工程学院课程设计说明书徐沏X程摩隨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学生姓名学院名称学号 班级专业名称 指导教师2014年 6月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

2、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；自动控制徐州工程学院课程设计说明书目录1绪论11.1课题背景仁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.

3、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1.4.1.2 80C51时钟Z.4.1.3 80C51控制线1.4.1.4 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 1.04.4传感器与执行机构选型设计1.14.4.1液位控制系统 .1.14.4.2液位传感器设计 124.5 80C51单片机外围电路设计 1.34.5.1复位电路1.34.5.2自动报警电路 1.34.5.3振荡电路1.44.5.4 数码管显示电路 144.6水泵选择及其电路的设计154.6.1水泵选择1.54.6.2 电机驱

4、动电路的设计155系统软件的设计 165.1软件设计流程图 1.65.2软件主函数1.75.3电路图和仿真图1.86结论20参考文献21附录22附录122附录223徐州工程学院课程设计说明书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

5、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

6、。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

7、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

8、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。Q1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w 10%2、设计人机接口实时显示。2徐州工程学院课程设计说明书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

9、测液位的同时，CPU循环检测传感器输出状态，并用3位七段LE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 ADC080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LEDS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

10、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。142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

11、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

12、，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。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。设疋值+控制器D/A水箱液位5徐州工程学院课程设计说明书#徐州工程学院课程设计说明书反馈值a/d 液位传感器譽#徐州工程学院课程设计说明书图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（im比较，控制 器根据比较结果输

13、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

14、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。3系统模型的建立统疋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：out式(2.1 )Qin = Q + Q式中Q表示储水罐中保留的水量； Qin 表示流入储水罐的水量； Qout 表示流出储水罐的水量。假设A是储水罐的横截面积，h为储水罐中水位的高度则式（2.1 ）可写成：dh _Qin = A+ Qoutdt式（2.2 ）出

15、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：式（2.3）Qout = Cja, 2gh式中Cd 表示储水罐出口的流量系数； a表示储水罐的出水口面积；g表示重力常数（9.8m/s2）。结合式（2.2 ）、式（2.3 ）我们能得到：dhQin = A Cda, 2ghdt式（2.4 ）假设Qin是个常数则出水流量将达到一个稳态值Qout = Qo，水位高度也将能达到一个恒定值。Qo= Cda., 2gho我们假设Qin有个小的扰动值，我们能得到：Qin =Qin -Q0同时液位高度也将会有小的扰动： h = hh0将式（2.6 ）、式（2.7 ）带入式

16、（2.4 ）我们可以得到：d 丄 h1A Cda 2（、h h。）=、Qn Q。dt应用泰勒级数将式（2.8 ）线性化，泰勒级数：df ，、2f（x） = f （xo）+fdx取泰勒级数第一级得到：式（2.5）式（2.6）式（2.7）式（2.8）x =Xo(X -Xo) d f 1!dx2x=Xo(x xo)22!式（2.9）f（x）f（xo）： dx式（2.10）将式（2.8 ）用式（2.10 ）线性化后得到：A回+Q讣出 dt2ho对式（2.12 ）进行拉普拉斯变换，我们可以得到：式（2.12）h(s) 1_式(2.13)式(2.14)式(2.15)式(2.16)Qn(s) As Qo 2

17、ho带入数据可得：h(s) _1Qin(s) s 0.1电机的电气方程：diaLa ua _iara iCe'.qt)dt电机的机械方程：J型=TTLdt式中Ce表示电机电势系数；ra表示电枢电阻；Ua 表示电枢电压；ia表示电枢电流；La 表示电枢电感；J 表示折算到轴上的转动惯量；T 表示电动机电磁转矩;Tl 表示负载转矩;将式式(2.15 )、传递函数：式(2.16 )式进行拉式变换可以得到转速和输入电压的jT1/H(s)(s)2 CeUc(s) TmTlS2+Tms + 1电机经验公式：-_ Un |NRaCe 二 30二 nNgd2rTm 375CeCm30CmCeJITiL

18、aRa得出该电机的传递函数为:H(s)30.1390.000163s20.0173s 14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-4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，CP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 4K叭内程序存储器ROM四个8位并行的I/O

19、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UAR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ATME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4KRO M因为系统要求控制线较多，如果采用 8051 外置EPRO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据显示，方便现场调试和 维护，使整个系统的通用性和智

20、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；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。V

21、PD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）：P0.0P0.7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）：P1.0P1.7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.

22、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）：P2.0P2.7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）：P3.0P3.7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

23、，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。，P10P00,P11P01,P12P021 P13P03,P14P04.P15P05，P16P06，P17P078 05 1INT 1P20INT 0P21P22 T 1P23 T 0P24P25 E A/VPP26P27 X1X2RE SE TRXDT XDRDAL E /PW RPSE N3 1917 广1 51 41 91 81234 弓678383736353433322122232425262728101130- 293 99徐州工程学院课程设计说明书#徐州工程学院课程设计说明书图4-1 80

24、51引脚图#徐州工程学院课程设计说明书4.2 A/D转换器选择本设计采用ADC080作为A/D转换器，ADC080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 CMO组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可 以和单片机直接接口。ADC080转换器引脚介绍（引脚图见图4-2）：IN0IN7 : 8路模拟量输入端。0UT10UT8 : 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

25、，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。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000IN0001IN1010IN2011IN310

26、0IN4101IN5110IN6111IN710徐州工程学院课程设计说明书下图为ADC080芯片的引脚图:IN-0m sb2-12-2.IN-12-32-4IN-22-52-6IN-32-7lsb 2-8ADC0 809IN-4EOCIN-5ADD-AIN-6add-bADD-CIN-7AL Eref(-)ENABL ESTARTref(+)CL OCK，262728123451612201918815141772524232296,102111徐州工程学院课程设计说明书#徐州工程学院课程设计说明书图4-2 ADC0809芯片的引图ADC080是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算

27、机兼容的控制逻 辑的CMO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。4.3 D/A转换的选择T itleD/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Nu mb erSize 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Lett19-Jun-2

28、007E曹德宝2中最核心的问题是D/A转换芯片的选择与应用问题。Date:File: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 D7DO空制，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

29、支路的电阻值与二进制数据 D7DO勺“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lout :Vref7 ilout = Io Il82 Dj(2 -4)2 R 7该总电流经电流转换器后有：Vref 7 iVout RIout內 ' 2iD-E0 N2 i _0Vref7 i其中式(4-1)E。善，N 八 2iDi2i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

30、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，达到终值土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 0.03 %。其工作过程是：比较开始时，首先对二进

31、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

32、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ADC080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：传感器控制执行装置V/7单片机LED显示报警装置图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

33、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。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

34、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 ADC080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。13徐州工程学院课程设计说明书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: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

35、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。VccO8051RRSCT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。AT89S5单片机复位状态见附录一。4.5.2自动报警电路F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曇.警；2、当水位达到下限极限水位

36、时报警，水位到达下限极限水位时系统发出报图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XTAL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 :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、

37、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，

38、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 74HC57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WKA130型水泵，参数如下：表4-2 WKA130型水泵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/m

39、in）12V<400mA1.3L/min3m>50024V<240mA1.3L/min3m>5004.6.2电机驱动电路的设计本课程设计所选水泵为 WKA130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PW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S

40、1、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S3S4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

41、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：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 mai n()ik=0;e仁0;kp=2;ki=4;ini tdi ngshi(); /中断初始化st=0;while(1)ad();/AD初始化if(ge

42、tdata>=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;elselamp=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EX仁1;/外部中断1允许位打开y=100-(100*uk)/127;elsekg=1;19徐州工程学院课程设计说明书5.3电路图和仿真图4P2.2图5-2电路图当水位在1.8m时仿真图:C-1rzPTn m-iPQS 口rm 2p2-Q"鴛豊艮刖益一"4 flfi 7 1 ta e-5 H E BIPiELIBrFBEAlsh

43、亠«Io F A F JDrlnrlrJp E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20徐州工程学院课程设计说明书当水位在1m时仿真图:P2.2SJgsg盂 .*.!HBwticr: a UIIPXJIUrH-111.4Xnx mi n ® faT也 FQ.nFT存=aFF3=s3兰 t=T kMh3refA_Fu g n- o a Q n n->3TT1S ¥4>1n PJ'l 'RJ'l Ilkd1!FipiF>-lsplplpi建一p.5s;2:siEigi

44、Er*-dijj】曰片 Hurt- SI" fc-IM tjF p 丄 UljiEHl曰UF口 y曰u"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21徐州工程学院课程设计说明书6结论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

45、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

46、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。22徐州工程学院课程设计说明书参考文献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

47、 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. 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.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

48、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.张洪润，张亚凡.传感技术与应用教程M.清华大学出版社，2005.23徐州工程学院课程设计说明书附录附录1寄存器初始状态值寄存器初始状态值PC0000HTMOD00HACCOOHTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0 P1、P2、P30FFHSCON00HIPxxx00000BPCONOxx00000BIENO0xx00000BSBUF不定24徐州工程学院课程设计说明书25徐州工程学院课程设计说明书附录2#in clude<reg51.h> #i nclude<i ntri ns.h> #in clude<math.h> #defi ne uchar un sig ned char #defi ne uint un sig ned int sbit w仁P2A0; 数码管位选1 sbit w2=P2A1； 数码管位选2 sbit st=P3A0; /ADC0808 启动信号 sbit eoc=P3A1; /ADC0808 转换标志位 sbit dian=P1A7;数码管点的