水槽液位控制系统

大庆师范学院课程设计课程过程控制系统题目水槽液位控制系统院系物理与电气信息工程学院专业班级自动化二班学生姓名李全序陈福龙吕健朱志甜指导教师马骏驰2011年5月5日水槽液位控制系统李全序，陈福龙，吕健，朱志甜摘要：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0引言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。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。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。1系统的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。2系统的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液位传感器的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。本文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：

由图2-2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。2.2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;A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SPEAKER图2-3自动报警电路的接线图3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TitleSizeNumberRevisionA4I/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。SPEAKER图2-3自动报警电路的接线图3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TitleSizeNumberRevisionA4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图3-1软件设计流程图4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。参考文献王文琦.工