基于单片机的水位控制系统

1绪论单片机应用发展迅速而广泛。在过程控制中，单片机既可作为主计算机，又可作为分布式计算机控制系统中的前端机，完成模拟量的采集和开关量的输入、处理和控制计算，然后输出控制信号。单片机广泛用于仪器仪表中，与不同类型的传感器相结合，实现诸如电压、功率、频率、湿度、流量、速度、厚度、压力、温度等物理量的测量；在家用电器设备中，单片机已广泛用于电视机、录音机、电冰箱、电饭锅、微波炉、洗衣、高级电子玩具、家用防盗报警等各种家电设备中。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的应用。随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。1．1课题背景与研究意义在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。1．2国内外研究现状及发展液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。●接触式测量法接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。电容式液位测量装置通常结构简单、灵敏度高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测微小电容量的变化。●非接触式测量法非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法、微波法等。其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。●光纤测量法光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成网络等。目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。在液位测量这一领域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍的意义。液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。1．3本课题主要研究内容利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。具体要求如下：1、设计单片机工作电源模块及其复位电路2、选择合适的水位传感器，单片机通过相应的调理电路采集当前水位值，设计相应的电磁阀控制电路，根据水位情况控制器开启和关断3、通过键盘设置其预定水位4、画出电路方框图，叙述主要模块的功能及他们之间的控制关系和数据传输，利用Visio软件绘制软件流程图5、编制相应的控制程序，并用C语言或汇编语言对软件进行编译。并能通过调试。6、利用protel进行原理图绘制，并利用Proteus进行仿真2系统设计方案2.1系统设计方案比较对于水位进行控制的方式有很多,而应用较多的主要有2种,一种是简单的机械式控制装置控制,一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等,这种控制形式的优点是结构简单,成本低廉。存在问题是精度不高,不能进行数值显示,另外很容易引起误动作,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制水位的目的。本设计利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。2.2系统设计总框图图2-1系统总体框图2.3硬件设计方案2.3.1工作原理电机控制模块A/D转换模块按键与显示模块时间模块存储模块通信模块单片机主控模块基于单片机实现的水位控制器是以AT89C51芯片为核心,由键盘、数码显示、A／D转换、传感器,电源和控制部分等组成。工作过程如下：当水位发生变化时,引起连接在水位底部软管管内的空气气压变化,气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后,即把变化量转化成电压信号;该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5V标准信号,送入A／D转换器,A／D转换器把模拟信号变成数字信号量,由单片机进行实时数据采集,并进行处理,根据设定要求控制输出,同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度,可任意控制水位高度。2.3.2主控模块设计方案单片机作为主控模块，使得在对单片机选型上有了较大的空间。单片机在30多年的发展历程中，形成了多公司、多系列、多型号“百家争鸣”的局面。因而，选择一个合适的单片机有时真的不太容易，要考虑的方面太多。大致总结出以下几点：1)单片机的基本参数。例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。2)单片机的增强功能。例如看门狗、双指针、双串口、RTC（实时时钟）、EEPROM、扩展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。3)Flash和OTP（一次性可编程）。4)封装：DIP（双列直插）,PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。5)工作温度范围，工业级还是商业机。6)功耗。7)工作电压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电,至少应该能在1.8~3.6V电压范围内工作。8)供货渠道畅通。9)价格。10)烧录器价格，能否ISP（在线系统编程）。11)仿真器。12)单片机汇编语言支持。13)资料尽量丰富。14)抗干扰性能好。15)和其他外设芯片放在一起的综合考虑。单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片,如图2—2所示。其中,P0口用于A／D转换和显示;P1口连接一个3×5的键盘;P2口用于控制电磁阀和水泵动作;P3口用于上、下限指示灯,报警指示灯以及用于读写控制和中断等。图2-2AT89C51的管脚图2.3.3键盘显示模块设计方案键盘显示电路主要是实现水位设定值的输入和显示实时水位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是否有键按下的检测并判断键值，有操作则进行延时去消抖，并根据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本系统采用4行4列的16键行列式键盘，占用单片机P1口的8个端口。显示采用4位LED数码显示当前水位测量值。2.3.4A/D转换模块设计方案ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。1、主要特性（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。（2）具有转换起停控制端。（3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）（4）单个＋5V电源供电（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度（7）低功耗，约15mW。2、内部结构和外部引脚ADC0809的内部结构和外部引脚分别如下两图所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下：（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。（3）ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。（4）VR(+)、VR(-)——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存止，重新从头开始转换器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中。地址选中通道ADDCADDBADDA000011001100010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5图2—3ADC0809外部引脚图7）EOC——转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。（8）OE——输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。2.3.5电机控制模块设计方案选用继电器作为电机控制的元件。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器主要产品技术参数：1)额定工作电压。是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2)直流电阻。是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3)吸合电流。是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧111101IN6IN7毁。4)释放电流。是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。5)触点切换电压和电流。是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。根据以上的参数，结合设计的演示性，选用额定工作电压120VAC/24VDC，工作电流3