单片机水箱控制系统

1、一水箱控制系统的模型分析与设计1.系统的模型分析系统由以下几个部件组成：储水箱，潜水泵，变频器，控制器，出水管。系统有一个出水通道，一个输水通道。通过潜水泵向储水箱输水，以平衡出水道的水量流失，使水箱液面维持恒值。水箱的液位值有一只压力传感器测得，并通过A/D转换传输到控制器。控制器通过计算得出控制量，输送给变频器，变频器根据控制量向潜水泵输出功率，以控制潜水泵的抽水效率。系统原理图如图1所示：4/D±!量单片机及 按口电路清水泵图1.控制对象：水箱液位操纵变量：输水流量 Q1扰动量：出水量Q2控制器：C51单片机执行机构：潜水泵 变频器）f二.主控制器硬件设计1.概述主控制器包括以

2、下模块：中央处理器，A/D转换器，D/A转换器，串口通信电路，数字显 示器，键盘，蜂鸣警告器。使用ALTIUM DESIGNER8.0软件，设计集成电路板，将上述模块集成到一块小型的电路 板上。2.中央处理器一一AT89C55单片机因为系统是一个液位控制系统，控制精度并不要求十分高<控制在毫 M级即可），控制速度不要求十分快。因此考虑到性能及成本问题，选用atmel公司的AT89C55单片机。AT89C55单片机的性能参数为：DIP40封装，32个I/O 口 <P0_0P3_7）, 8个中断源，3个计时/计数器，256字节RAM，20字节ROM,时钟频率，12MHz。处理器接线如图

3、8所示：e?c5xMR3CD2TCT"SJM 丁 A 4 . r7i"Df.ATK ri4PnTXDP3_KXD 11営 冷：jc. n t DA'R!£.,Pl 0PL 1Pl 2Pl.3PL.lPL.5PlfiPl.7 RSTVyJP3 0 與 1 RXDGXDVCCDev DATAA D DATAK2Y：KFY' k?Y4i "T K± I .VCCPOOP01P02 fD.3JO 4P0«fOtiPO.SJAyvppALEPJ : IX70'.'Pj.3P3 47C KJ 11 p? d gyP

4、3 _ CRDXAL1 XAUVscc图8处理器有8个空余管脚暂未使用，以后可根据需要作功能扩展。3.模/数转换器一一ADC0804要对水箱液位进行控制，首先要将水箱的即时数据采集给中央处理器。通过置于水箱中 的压力传感器将水箱液位转换为电信号<05V电压信号或420mA电流信号），传输到模/数转换器，通过转换，将电信号模拟量变为数字量，供中央处理器处理。在这里采用 NSC公司的ADC0804作为模/数转换器。ADC9804接受典型的传感器输入电信号，8位数据并行输出。它的处理速度为100s,无论从速度还是精度 <8位）都已经可以满足要求。ADC0804接线如图9所示：图9这里为了

5、节约I/O 口，采用了数据并入串出的方式，通过移位寄存器74164将转换得的数字量逐位输入给中央处理器。这样虽然使得处理速度降低，但因为液位控制只需间隔一 定时间对水箱液位进行数据采样即可，而采样周期一般远大于处理周期，因此，实际上并 不会降低数据的处理效率。4.数/模转换器一一DAC0832数/模转换是模/数转换的逆过程。中央处理器通过将当前的液位值与给定值比较，得 出误差，再通过一定的控制算法处理误差，得出控制量。这时的控制量是数字量，必须转 换成模拟量，才能传输到变频器的模拟量输入端子。在这里采用NSC公司的DAC0831作为数/模转换器，接线图如图 10所示：图10.这样，通过运算放大

6、器以及反馈电阻的组合，可以将电流输出转为电压输出。 同理，为了节约I/O 口，采用了数据串入并处的方式。5.输入键盘因为系统没有转门的给定值模块，所以给定值储存于中央处理器中。因此若要改变给定值，就必须要有输入装置。这里采用3X4矩阵键盘。原理图如图12所示：图12键盘实物图如图13所示:STOP图13有4个空余键可由使用者通过修改中央处理器内部程序自定义。6.显示器一一4X 8段数码管为了方便使用者实时了解液位值及中央处理器内部信息，这里设置了一组有四个八段 数码管组成的显示器。为了节省I/O 口，这里同样采用了数据串入并处及数码管动态扫描显示的方式。接线如图14所示：vrcj_LE3J3-

7、J.J 厂LIZ Z. 匚LL吐JAJ r4阴獻 i FiE-T ie TTLC_a-JAf TLO.U-.T.C ：5DTt 匸_让上.LM：匕二 G :二GW ELE.j.C.e ' LCT_PAT.V "I tm Da.T.3aCTTeX胡匚小1二”；L工且4红:二Ttt=Tdg i.R:粘iLqa7a jCVD.-； 卫三:：:：_.-.-. :-：:二 £ 三二“：.、-吐LD.： . ! lauATv *；a 3 J- Sr SI !QQ Q3 o Q S3- D-LaLi-r.- .1 - J i- -SJ- Bh BBEIls;5 i-.- m-匚-

8、leDQZ卫平A_Z LEPJjis? nr图137.蜂鸣警告器实际应用中有可能出现这样的情况：因为使用者的控制算法设计不当积分时间常数太大，或者开环增益太大，造成很大超调量，或者算法中没有积分环节切除设置，导致积 分饱和），使得液位超过上限，或低于下限，这时需要系统及时发出警告。这里使用简单 的蜂鸣器即可。接线如图 14所示：BEEPccBuzzerR510KX 2N3904GND图14其中BEEP信号有中央处理器 P2.0给出。高电平时三极管导通，蜂鸣器响。反之不响。8.直接串口通信一一RS232为了使得系统可以与其他机器进行信息交流单片机与单片机之间），这里设置一个RS232芯片为核心的

9、串口通信接口。接线如图15所示：12I?Oi-_l.K图15图16F L1110.电源接口考虑到电源提供能更廉价和方便，这里使用220v, 50Hz的工频电源。但是如果在控制器集成版中内置变压器，变压器的强磁场对把板子内各块芯片的信号可能产生较大干扰， 所以这里不采用位置的变压器，先将220v的交流电转成24v的直流电，再由内置的 7805芯片转换成5v电压。接线如图17所示:PC机下载9. USB 转串口 PL2303。中央处理器的程序要根据实际情况和使用者需要随时修改。程序从通用的到中央处理器中。这里用的接口便是以PL2303为核心的电路。如图 16所示:IDTpfCI5HeadeT 4X巧匸现FT XT Al CIOI0K丄TIENT1OUTT2QUTT：D：oL?)pr=C13 IRIOUT RJOUTl：曲丁兀DUSBGND5£1KTXD DTK X Rrsjx M3D2S2 JtXD 瑟 VT3D DSR_N