单片机的水位控制系统

计算机控制技术课程设计说明书-1-1引言随着集成电路规模日益大型化、复杂化，各种复杂的液位控制系统已成为一个研究的热点。单片机以其控制精度高，性能稳定、可靠，设置操作方便，造价低等特点，应用到液位系统控制之中，不但保证了系统的准确性和可靠性，而且增强了人机交互的能力。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。工程应用中液位的测量常用方法主要有超声波、激光红外测距、机械浮子、压力传感器测距等几种。这些测量方式对一般液位的测量来说各有各的优点，可根据不同的应用场合和要求进行选择。计算机控制技术课程设计说明书-2-2系统设计方案2.1系统设计方案及总框图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。图2-1系统总体框图2.2硬件设计方案2.2.1工作原理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计算机控制技术课程设计说明书-3-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。2.2.2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口用于控制电磁阀计算机控制技术课程设计说明书-4-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2.2.3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计算机控制技术课程设计说明书-5-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3A，控制电压5VDC的小型继电器。2.2.4A/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。计算机控制技术课程设计说明书-6-（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。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。地址选中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7计算机控制技术课程设计说明书-7-3硬件电路设计3.1传感器电路系统选用B2119压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件。这种传感器精度高、工作可靠，容易实现数字化，比应变式压力传感器体积小而输出信号大。它是目前压力测试中使用最多的一种传感器。压阻式压力传感器使用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路，当不受到压力作用时，电桥处于平衡状态，无电压输出；当受到压力作用时，电桥失去平衡，电桥输出电压。电桥输出的电压与压力成正比例。其工作原理图如3—1所示图3—1压阻式压力传感器原理图3.2时钟电路与复位电路要使单片机按照设计要求正常工作，完整单片机最基本的工作要求，考虑到系统无需精确地定时功能，且为了方便串口通信波特率的计算，采用11.0592MHz的晶振提供系统时钟。并附加复位电路，组成单片机最小系统。计算机控制技术课程设计说明书-8-图3—2复位电路及时钟电路3.3A／D采集转换电路本系统A/D芯片所选用的是ADC0809，该大规模集成电路芯片是一种由单一+5V电源供电，采用逐次逼近转换原理，能够对8路0—+5V输入模拟电压进行分时转换的八位并行通用型可编程模数转换器。ADC0809由单片机控制驱动，对传感器进行定式循环采集，然后单片机将各测量参数传至PC机，进行后台数据处理。电路连接如图3-3。图3—3A/D转换电路图3.4按键设计键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路。在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键计算机控制技术课程设计说明书-9-在上拉电阻作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下。图3—4系统按键电路计算机控制技术课程设计说明书-10-4软件程序设计4.1系统主程序流程图系统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序流程图如图4-1所示。图4—1主程序流程图4.2显示与A/D转换的数据处理系统中，显示输出的要求为压缩BCD码，而A/D转换输入的数据是8位16进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。对8位A/D转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表4-2：开始CPU初始化参数设定是否有按键采样子程序显示实时液位数据处理子程序控制电机启停按键处理是否计算机控制技术课程设计说明书-11-十六进制二进制满刻度比率相对电压幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位电压低四位电压F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.92