液位自动控制装置设计

2006年山东省大学生电子设计大赛液位自动控制装置院系：自动化学院参赛队员：徐坤增、王伟臣、高平指导老师：张天开、张民、庞中华、郑钢、赵艳秋编号：G甲06012006年9月8日至11日目录一、题目要求二、系统功能概述三、方案论证与比较1、传感器2、A/D采集电路四、系统框架五、硬件电路设计1、最小系统2．液位控制及报警电路2、ADCICL7135信号采集传输电路4、键盘和显示电路六、软件设计七、测试分析八、设计总结一、题目要求1、任务设计并制作一个水位监测与控制装置，示意图如下图所示。处理器液位检测传感装置电磁阀1电磁阀2键盘显示器AB2、要求(1)基本要求（1）通过键盘可以设定B瓶里的液位（0-25cm内的任意值），并通过控制电磁阀（或类似于电磁阀的装置）使B瓶的液位达到设定值。（2）液位误差不超过±0.3cm。（3）液位超过25cm或液位低于2cm时发出警报。（4）显示器能实时显示当前液位状态和瓶内液体重量，以及阀门状态。(2)发挥部分设计并制作一个由主站控制8个从站的有线监控系统。8个从站中，只有一个从站是按基本要求制作的一套液位监控装置，其它从站为模拟从站(仅要求制作一个模拟从站)。（1）主站功能：a．具有所有基本要求里的功能。b．可显示从站传输过来的从站号和液位讯息，可控制从站液位。c．在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的液位讯息。d．收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可自动调整从站液位为20cm。（2）从站功能：a．能输出从站号、液位讯息和报警信号；从站号可以任意设定。b．接收主站设定的液位控制信息并显示。c．对异常情况进行报警和自动调整。（3）主站和从站间的通信方式不限，通信协议自定，但应尽量减少信号传输线的数量。（4）其它。二、系统功能概述本设计充分体现电子设计大赛的宗旨，利用MCS-51单片机结合数字芯片、模拟电路，完成了液位自动控制系统的设计与制作。实际测试表明，所设计的液位自动控制系统可很好地满足任务要求。该电路能够通过键盘设定液位（0-25cm内的任意值），主机可以显示和设定从机的液位。通过传感器和ADC7135把当前液位传到控制器与设定值相比较，单片机控制电磁阀调节液位，使其接近设定值。基本工作流程为：主机通过键盘设定自己和从机的液位，超声波传感器测出当前水位对应的电压值，再经过AD7135模数转化送入控制器与设定值相比较，单片机通过控制电磁阀调节主机液位，并且把设定值与当前值显示在LCD上；主机控制器通过485通讯对从机控制器传输设定值，从机控制器也可以如主机控制器一样对液位进行控制，并且通过LCD显示主机给定值与当前液位值；并利用485通讯把从机当前液位传给主机显示出来。三．方案论证与比较1．传感器方案一：压力传感器目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。所以本设计不采用此传感器。方案二：压阻式压力传感器压阻式传感器是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制作扩散压敏电阻；硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化；此变阻器容易受外面环境的影响，如温度，从而造成测量不准确，而且体型一般比较大，不易安装、不易携带；一般其精确度也比较低。不能满足设计的需要，所以没有选择此类传感器。方案三：超声波传感器超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。它虽然体型小，但是具有其它大型传感器所有的功能，安装使用方便而且不受被测物体的颜色影响，有许多特设功能，如：具有自诊断LED显示和按键设定功能、温度补偿功能、可选择模拟量或开关量输出；其供电电压为10—30V,测量范围为30mm—300mm,输出电压0V—10V，输出电流为4mA—20mA,最小负载阻抗2.5欧，精度可达到0.5mm，外形分为直线型和直角型。感应口径为18mm。超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0-25cm的液位控制，以及液位误差不超过±0.3cm的要求，并且解决了安装不方便的难题。所以本设计选择了精度高，体型小的超声波传感器。2．A/D采集电路方案一：采用8位ADC0809A/D转换器ADC0809是常用的8位A/D转换器，属逐次逼近型，ADC0809由单一+5V供电，片内含带有锁存功能的8路模拟电子开关，可对0～+5V8路的模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100us，所以速度较快，但是ADC0809芯片分辨率低，精度不够，不能满足本系统要求，不予采用。方案二：采用4位半双积分A/D转换器ICL7135ICL7135是应用广泛的4位半双积分A/D转换器，它是动态BCD码输出的积分型A/D器。其特点是：精度高、极性自动转换输出、自动校零、单一电源工作、动态BCD码输出。由于双积分方法的二次积分时间比较长，所以A/D转换速度慢，通常为（3～10）次/s，此外，对周期变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。在同等精度的情况下，其价格低于逐次逼近式A/D转换器，因而在对速度要求不高的场合，更宜于采用这类A/D转换器。考虑系统的要求，本设计采用控制精度较高的ICL7135进行A/D转换。四．系统框架本系统由单片机系统数据处理模块、A/D数据输入模块、485通讯模块、液位控制及报警模块及键盘和显示模块(LCD)等几部分组成。系统组成总框图如图1.1所示。从机N电磁阀主机电磁阀主机键盘主机控制器主机传感器主机显示器电源液位液位从机N控制器从机显示器从机传感器485通讯从机键盘电源AD7135AD7135图1.1系统组成总框图五．硬件电路设计本设计的硬件电路包括最小系统电路、液位控制及报警电路、ADCICL7135信号采集传输电路、键盘和显示模块等。1、最小系统本设计使用的最小系统板是以80C52单片机为内核，并且具有良好的扩展性。CPU接有11.0592MHZ的晶振，74ls373锁存电路、74ls138译码电路以及按键、显示器件、ADC7135电路板插槽并用8255外扩了I/O接口。如图1.2所示。VCCVin1GND2+5V3U47805A1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77VCC16GND8U2LS138D034D133D232D331D430D529D628D727PA04PA13PA22PA31PA440PA539PA638PA737PB018PB119PB220PB321PB422PB523PB624PB725PC014PC115PC216PC317PC413PC512PC611PC710RD5WR36A09A18RESET35CS6GND7VCC26U18255VCCVCCGND1GND1GND1GND1GND1C210470C209.1C208.1C2073300VCCGND1C20130pC20230pJZ6MD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11VCC20GND10U5LS373GND1GND1GND1GND1D203D201D202D204GND112P202GND1C22310uGND1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U689C51VCCGND1GND1VCCR210k.1*6C10-C16ALALD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7WRRDA0A1A2A3A4A5A6A7D7D6D5D4D3D2D1D0RDWRA0A1RSTZ0Z1Z2Z3WRRDA3A4A5Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y3P10P11P12P13P20P21P22P23T0T1RXDTXDRSTU3NAND图1.2最小系统电路图（1）电源供电电路本电路需外接一个AC220/9V的变压器，变压器的二次侧通过整流滤波后输入CW7805便可得到+5v电压，此电压做最小系统的电源。如图1.3所示Vin1GND2+5V3U47805VCCGND1GND1GND1GND1GND1C210470C209.1C208.1C2073300GND1GND1D203D201D202D20412P202图1.3电源供电电路（2）I/O扩展及选通电路本系统中通过8255外扩了PA,PB,PC共24个I/O口，以便作为系统的输入输出通道。用74ls138的输出作为各个芯片的译码选择端，除最小系统中使用的Y0-Y3外，还有Y4-Y7可供其它扩展使用。2．液位控制及报警电路本设计的液位控制电路是一闭环电路，传感器把液位传给单片机与设定值比较，单片机通过对电磁阀的控制来控制液位。用9V电源对继电器供电，使用了24V电源对传感器供电，用220V交流电对电磁阀供电；在报警电路中，利用9V电源对蜂鸣器供电，当液位超过25cm或液位低于2cm时发出报警。本设计在供水回路中，用了电动机进行循环供水，保证程序的连续运行。电路如图1.4所示。Vin1GND2+5V3U47805VCCGND1GND1GND1GND1GND1C210470C209.1C208.1C2073300GND1GND1D203D201D202D20412P20211621531441351261171089200315234继电器115234继电器2SPEAKER12电磁阀112电磁阀2P2.0P2.1P2.2~~~~220V常开常开GNDGND1GND1GND1GND1C310220uC3090.1uC3080.1uC3073300uGND1GND1D303D301D302D30412P202220v/40vVin1ADJ2+Vout3U100LM317HD403D404R101120C41520uFRp4.7kGND1GND124VIN4002123456传感器GND7135输入图1.4液位控制及报警电路图3.ADCICL7135信号采集传输电路本电路由一个小型集成电路来实现，采样后的信号经过电位器送到ICL7135进行处理，将处理后信号直接送到单片机最小系统。ICL7135量程为0-2V，基准电压VREF由MC1403输出（2.5V）分压获得1V电压。HC240是八位缓冲线/线驱动器，内含八个具有三态输出反相缓冲器。三态输出的反相缓冲器，输出允许控制端（ENA、ENB），每一个EN控制四个缓冲器，1A、8A数据输入，1Y、8Y输出。输出分别送出个、十、百、千、万位。HC157是四路二选一开关，1为选择输入端，S为低电平时，选择A输出；S为高电平时，选择B输出。ICL7135的BCD码的位选通输出端D1-D5分别接8位可编程逻辑接口电路8255的PA0-PA3和PB0-PB4。CPU可读取各个位的状态并判断，从而在ICL7135的B1-B8输出端读取BCD数据。电路图如图1.5所示R32210kVERFR327100kR32610kC324100p-5B1lsb13V+11BUSY21D1lsd20OR27D219D318Cref+8B315V-1B214D417Vref2Cref-7GNDa3INT4GNDd24POL23AZ5CP22B4msb16Vin-9BU6D5msb12Vin+10U3067135+5+5C309.1D305R325100kC322.47C3231C321