液位控制器设计

1、编号： 课程设计说明书 题 目： 水位控制器设计 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 自动化 学生姓名： xxxxxxxxxxxxx 学 号： xxxxxxxxxxx 指导教师：xxxxxxxxxxxxx 职 称： 研究员 题目类型：题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 7 月 5 日 摘 要 半个世纪来，随着控制理论的深入研究，出现了许多新的控制算法。液位高度控制 是工业控制过程的一种典型控制模型，进行液位控制课题研究，有助于学生进一步学 习单片机、微机控制、自动控制理论等相关课程。在动态状态下，采用合适的方法对 液位进行检测、控制，能收到

2、很好的效果。PID 控制是目前采用最多的控制方法。根据 液位系统的特点，设计合适的 PID 控制器对其进行液位控制，不仅成本低，而且控制 效果好，具有较高的使用价值。 本文主要是利用双向水泵对水箱进行进水与排水控制，也就是进行对水箱液位控制 系统的设计，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 算法、传感器等一系列知 识。选用合适的器件设备、控制方案和算法，为能最大限度地满足系统对控制精度、 实时控制等控制品质的要求。 关键词 PID 控制 单片机 液位 AbstractAbstract In recent years, with in-depth study of control the

3、ory, many new control algorithm. Liquid level height is an important parameter in industrial control process, under dynamic condition, adopt the appropriate methods to control the liquid level detection, and can get very good effect. PID control is one of the most control methods. According to the c

4、haracteristics of the liquid level system, design a suitable PID controller for level control, not only low cost, and good control effect and has higher use value. This article mainly is to use the two-way water pump to control the feed water and drainage water tank, in a word, is the design of wate

5、r tank level control system, involves the level of dynamic control, the modeling of the control system, PID algorithm, sensors and so on a series of knowledge. Choose the right components, equipment, control scheme and algorithm to maximize meet the control accuracy and real-time control system cont

6、rol quality requirements. KeywordsKeywords PID control ; Industrial ; Liquid level ;singe chip 目目 录录 引言 . 1 背景知识及系统设计要求 . 1.1 背景知识 . 1.2 STC12C5A60S2 系列单片机介绍. 1.3 系统设计要求 . 1.4 系统设计方案 . 2 主要器件的选择及论证 . 2.1 微处理器的选择 . 2.2 驱动模块选择 . 2.3 输出模块选择 . 2.4 输入模块选择 . 3 硬件电路的设计 . 3.1 STC12C5A08S2 主控模块设计. 3.1.1 stc1

7、2c5a08s2 最小系统芯片部分.8 3.1.2 stc12c5a08s2 最小系统 I/O 口部分.9 3.1.3 系统驱动模块部分 3.2 总原理图与 PCB 效果图 . 4 软件设计 . 4.1 AD 转换的程序. 4.2 LCD 程序. 4.1 按键程序 .1 4.1 关于中断 .1 4.5 关于 PWM.2 4. 关于主程序2 5 调试过程 . 5.1 液位传感器定标 . 5.2 硬件调试过程 5.3 软件调试过程 . 6 对系统的总结与展望 . 6.1 总结 . 6.2 展望 . 谢 辞 . 参考文献 . 附 录 .20 引言 本课题中我们设计了基于单片机控制驱动器驱动水泵来进行

8、水位控制的控 制系统，实现了连续控制和跟踪水位，并以液晶实时显示水位。该方案具有原 理简单、想法新颖、容易实现、精度高等特点，控制系统对于提高工业自动化 水平和提高生活供水质量具有重要的意义。 在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程控制的一项关键技术， 对于提高工业过程控制的自动化水平有着重要的意义。 在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水 资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。 目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位控制可以有多种实 现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控 制方式存在控制精度低、能耗大、不能实

9、现连续控制和跟踪水位的特点，所以 本论文设计出更方便更准确的水位控制系统。 1 背景知识及系统设计要求 1.1 背景知识 本课题涉及了单片机、自动控制原理、传感器、计算机控制技术等相关课程，需要熟 练编写单片机程序、设计控制算法、正确标定传感器与 ad 转换的数据曲线、正确进行分段 线性拟合、根据实际水位和目标水位的差值用 pwm 脉宽调制技术进行 pid 调节。其中单片 机程序设计为重点，主要用到其中的定时器，内置 ad，中断和寄存器相关知识。 1.2 stc12c5a60s2 系列单片机介绍 stc12c5a60s2 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期单单片机，是高速、低功 耗、超

10、强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但是速度快了 812 倍，内部集成 max810 专用复位电路，2 路 pwm，8 路 10 位 ad（250k/s） ，针对电机控制， 强干扰的场合。本课题中由学校提供一片 stc12c5a08s2 单片机，用其进行课题设置完全能 满足需求。 1.3 系统设计要求 在学过的单片机的一些知识的基础上，通过自主学习，学会另外一些单片机的应用， 学会那种单片机的一种或者几种语言的编程，学会运用学到的新的单片机控制外围的芯片、 电路模块，设计一个液位控制器，实现 4 项功能，基本功能：单片机正常工作；功能 1： 用 H 桥芯片驱动水

11、泵进行正反转；实现水箱进水与排水控制；功能 2：实现用压力传感器 进行液位的测量；功能 3：键盘可进行水位设置，实际水位可以实时显示。 1.4 系统设计方案 流程图： 主程序流程： 开始 外部中断 1 中断服务程序流程： 开始进入主程序，开启计数器，开中断， 将固定字符送 lcd 输出显示。 进入 while 循环中，不断刷新 ad 测出实时 数据、按键数据并分别送 lcd 显示。 在 while 循环中等待定时器 0 溢出，每次溢出时进行实际液位于 目标水位的位差计算并由此求取所需要的水泵转向的控制信号输 出以及水泵输出功率，将其换算为满功率对应占空比信息。 每当 4*4 按键中扫描到按键按

12、下就进 入外部中断程序，读取按键值 根据算术结果进行水泵转动控制 按键值为 0 9 数字？ 将原按键值乘与 10 置高位再加上新按下键值 得到新的按键 值999 ？ 定时器 1 中断服务程序设计 pwm 波形流程： 将键值最高位去除 退出中断服务程序 每 10us 进入定时器 1 中断中 将 time 自加 1 Time=目标占 空比？ 使能输出 pwm 低电平 使能输出 pwm 保持高电平 Time=100？ 使能输出 pwm 低电平 退出中断服务程序 2主要器件的选择及论证 2.1 微处理器和 ADC 的选择 老师提供的 stc12c5a08s2 是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 805

13、1 单片机，指令代码 完全兼容传统 8051，但是速度快了 812 倍，内部集成 max810 专用复位电路，2 路 pwm，8 路 10 位 ad（250k/s） ，用来进行课题设置完全能满足需求。其中开通一路 ad 通道 采集液位信号就可以，并且精度能达到 1/1024 足够满足课程精度要求了，若需要再提高精 度，可以考虑多开通一路 ad 通道采集一路标准电平信号用作参考电压来计算减小液位电压 的误差。在本次试验中 ad 转换取高八位 1/256 的精度就已经足够了，本人采用十位转换精 度，经验证最后精度能保持在 1 毫米误差内，已经满足需求，所以参考标准电压的 ad 通道 只作用预留接口附加设计在硬件中，而未使用之，若读者需要可将参考电压（推荐为 2.5v）加入 p.14 口，并在程序中加入 P1ASF = 0 x10; （开启 p1.4ad 通道） 。 2.2 驱动模块的选择 由于单片机的负载功率不足以驱动水泵并且控制器与控制对象应该进行电气隔离进行保护， 所以应该加入驱动模块，本次课题中我们考虑了 293、2