儲水罐液位計算機控制系統(tǒng)設計

1、徐州工程學院課程設計計算機控制技術課程設計儲水罐液位計算機控制系統(tǒng)設計學生姓名崔 健學 號20080506109學院名稱信電工程學院專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導教師樊兆峰2011年6月7日18 目 錄1控制系統(tǒng)工作原理說明 .1 1.1液位控制系統(tǒng)原理如下圖所示.1 1.2工作原理.12系統(tǒng)建模與總體控制方案設計.2 2.1結構框圖.2 2.2不同方案比較.2 2.2.1使用單片機實現(xiàn)水體液位控制的優(yōu)點.2 2.2.2本方案實際優(yōu)越性.2 2.3系統(tǒng)的總體控制方案.23傳感器與執(zhí)行機構選型設計.3 3.1傳感器設計.3 3.1.1液位傳感器設計.3 3.2a/d轉換器.3 3.2.1 adc

2、0809轉換芯片.3 3.3鍵盤及顯示接口.54硬件電路設計.7 4.1核心芯片8051單片機.7 4.2自動報警電路.105軟件設計.11 5.1流程圖.11 5.1.1流程圖說明.11 5.1.2流程圖.12結論.13參考文獻.14附錄.15 附錄1.15 附錄2.17 1控制系統(tǒng)工作原理說明 1.1 液位控制系統(tǒng)原理如下圖所示。 儲水罐 傳感器 微控制器a/ddd/a 清水池放大器 q1 水泵q2圖1.1液位控制系統(tǒng)原理圖1.2工作原理打開電源、啟動抽水泵后，水箱液位開始上升，液位傳感器實時采集液位數(shù)據(jù)，并將所采集到的數(shù)據(jù)經a/d轉換后，送至比較器與設定值（1m）比較，控制器根據(jù)比較結果

3、輸出相應控制值，經d/a轉換成模擬量后，驅動控制電動調節(jié)閥開度，從而調節(jié)水箱液位。水位檢測是通過四對由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3口，實時對水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水閥控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁

4、閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開始加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。2系統(tǒng)建模與總體控制方案設計2.1結構框圖將模擬過程控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的基于計算機的控制系統(tǒng)水箱液位設定值+反饋值控制器d/a電動閥儲水罐a/d液位傳感器_圖2.1結構框圖2.2不同方案比較2.2.1使用單片機實現(xiàn)水體液位控制的優(yōu)點使用單片機實現(xiàn)水體液位控制具有較高的實用價值和穩(wěn)定性好等特點。單片機不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很

5、高的性價比，應用前景廣，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)給水系統(tǒng)的自動控制與調節(jié)，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經濟運行。本文就是采用8051單片機為核心芯片的一種水體水位控制系統(tǒng)，具有較高的實用價值和優(yōu)越性。2.2.2本方案實際優(yōu)越性本系統(tǒng)與plc控制系統(tǒng)相比大大降低了使用成本,提高了控制運行速度。根據(jù)仿真模擬運行的結果表明,該系統(tǒng)能很好的運行,將液位控制在給定的范圍內,對過高和過低進行安全報警,穩(wěn)定性能好,容易操作和控制,保證了生產的正常進行。2.3系統(tǒng)的總體控制方案本設計是采用8051單片機為核心芯片,及其相關硬件來實現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測液位的同時, cpu循環(huán)檢測傳

6、感器輸出狀態(tài),并用3位七段led顯示示液位高度,檢測液位數(shù)據(jù),實施報警安全提示,當水體液位低于用戶設定的值時,系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設定值時,系統(tǒng)自動關閉水泵或打開排水泵。3傳感器與執(zhí)行機構選型設計3.1傳感器設計3.1.1液位傳感器設計本設計主要采用的是由高亮二級管和光敏三級管所組成的光電傳感器來對液位進行控制，在把檢測的電信號通過adc0809輸入到單片機進行分析,在由led進行顯示和鍵盤控制,實行對液位的報警。我采用的是四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖 圖3.1 液位傳感器由圖2-4可知，液位傳感器的主要元件是高亮二極管和光敏三極管,它們都屬于光

7、電元件,光電元件主要采用的是光電效應,光電效應分外光電效應、內光電效應和光生伏特效應。 3.2a/d轉換器3.2.1 adc0809轉換芯片 本開發(fā)系統(tǒng)的ad轉換實驗硬件主要是由adc0809轉換芯片和四個可變電位器組成的。adc0809是8位8通路逐次逼近式ad轉換器，輸入電壓在(o5)v，最大不可調誤差小1lsb，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長期工作條件下能耗小、重復性好等優(yōu)點。adc0809芯片的引腳圖如圖2-6所示。由圖2-6可看芯片主要是由一個8位ad轉換器、8路模擬輸入選通開關、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。為實現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地

8、址譯碼鎖存器選通所要開通的8路模擬通道中的一路開關，將模擬信號送入a/d轉換器中實現(xiàn)a/d的轉換，轉換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待cpu來取，取后由cpu啟動新一次的地址譯碼，重復以上完成新一次的a/d轉換。adc0809芯片提供了高轉換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點，被廣泛應用于各種控制領域。下圖為adc0809芯片的引腳圖。 圖3.2 adc0809 芯片的引圖adc0809是帶有8位a/d轉換器、8路多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的cmos組件，其轉換方法為逐次逼近型。在a/d轉換器內部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關樹組的256電阻分壓器，以及一個逐

9、次逼近型寄存器。8路的模擬開關由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態(tài)ttl輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口。3.3鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段led顯示器，led顯示器是單片機應用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。用led是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉換效能高、壽命長的特點。在微型機系統(tǒng)中，led常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機

10、一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個七位顯示器需要一個八位輸出控制，我的設計就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是單片機定時的對顯示器進行掃描。這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低，但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導電電流有關，也與點亮時間和間隔時間比例有關。鍵盤是有若干按鍵組成的開關矩陣，它是最簡單的單片

11、機輸入設備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來實現(xiàn)簡單的人機對話。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器74ls164和六個鍵組成，74ls164是一個14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的txd端輸出列掃描信號到74ls164的1、2引腳，鍵閉合信號則用端口p3.3、p3.4、p3.5輸入8051單片機，由8051單片機的txd引腳輸出移位時鐘脈沖到74ls164的時針輸入端（clk）。還有非前者用軟件來識別和產生代碼，后者則用鍵盤來識別，鍵盤處理程序實現(xiàn)對鍵盤的管理，顯示具體見下圖。 圖3.3 led顯示

12、器 水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3口，實時對水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水

13、；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。 4硬件電路設計4.1核心芯片8051單片機計算機芯片mcs-51是一個電腦晶片,英特爾公司生產系列。它是在mcs-48系列的基礎上發(fā)展的高性能的8位單片機。所出的系列產品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的單片機都以它為核心,所以本設計采用的核心芯片是8051單片機。cpu是它的核心設備,從功能上看,cpu包括兩個部分:運算器和控制器,它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。整個系統(tǒng)電控部分以atmel公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過

14、程。這種芯片內置4keprom，因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置eprom程序控制結構，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用p0、p2口作控制總線，大大簡化了硬件結構，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、led數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測量液體的液位值,通過單片機的轉換與分析在led上顯示及輸出控制;根據(jù)當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開關水泵,以及是否到達危險高、低水位,需要關閉閥門。 圖4.1 8051引腳圖 上圖是8051的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8

15、位共32個i/o口，中斷口線與p3口線復用。現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：pin40:正電源腳，正常工作或對片內eprom抄寫程序時，接+5v電源。pin19:時鐘xtal1腳，片內振蕩電路的輸入端。pin18:時鐘xtal2腳，片內振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12mhz)和振蕩電容,振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將xtal1接地，外部時鐘信號從xtal2腳輸入。本設計采用外部時鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。 輸入輸出(i/o)引腳：pin39-pin32為p0.0-p0.7輸入輸

16、出腳，pin1-pin1為p1.0-p1.7輸入輸出腳,pin21-pin28為p2.0-p2.7輸入輸出腳，pin10-pin17為p3.0-p3.7輸入輸出腳。在對單片機設計中，p0口作為程序存儲器擴展口，且是擴展并行輸入/輸出接口的接口，另外也作為模數(shù)轉換的數(shù)據(jù)傳輸口,p2口為程序存儲器擴展口的高八位地址總線口，p1口為輸入/輸出口。pin9:reset/vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器pc指向0000h， p0-p3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07h，其它專用寄存器被清“0”

17、。reset由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變ram（包括工作寄存器r0-r7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下 特殊功能寄存器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)accpsw07hdplipietmodsconp0-p300h00h00h00hxxx00000b0x00000b00hxxxxxxxxb1111111bbspth0tl0th1tl1tconsbufpcon00h07h00h00h00h00h00h00h0xxxxxxxb圖4.2 寄存器初始狀態(tài)8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見圖2-3。此外，reset/vpd還是一復用腳，v

18、cc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部ram的數(shù)據(jù)不丟失,此設計采用自動復位電路。圖4.3 復位電路pin30:ale/當訪問外部程序器時，ale(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內部程序存儲器時，ale端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ale會跳過一個脈沖。如果單片機是eprom，在編程其間,prog將用于輸入編程脈沖。pin29:當訪問外部程序存儲器時,此腳輸出負脈沖選通信號，pc的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到p0口上，由

19、cpu讀入并執(zhí)行。在編程時，ea/vpp腳還需加上21v的編程電壓。4.2自動報警電路 下列二種情況發(fā)生系統(tǒng)報警。 1)當水位達到上限極限水位時報警，水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；2)當水位達到下限極限水位時報警，水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警 圖4.4自動報警電路的接線圖5軟件設計5.1流程圖 5.1.1流程圖說明液位控制是利用由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器，把液位的狀態(tài)轉換成模擬信號,再通過模數(shù)轉換器adc0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的i/o接口，單片機經過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接led進行顯示,實現(xiàn)液位的報警和鍵盤的顯示與控制；下圖即是液位控制系統(tǒng)：

20、cpu傳感器控制執(zhí)行裝置led顯示報警裝置 圖5.1液位控制系統(tǒng)流程簡圖 由上圖可觀察到傳感器通過對液面進行測量，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉換器把輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號，通過8051單片機的運算控制，在通過led進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對水體的液位進行調節(jié)控制,閥門的驅動設備是電動機。 5.1.2流程圖 檢測液位 檢測液位設定值 初始化 小于下限 停水泵 大于上限 開水泵到達給定值 開始初始化計數(shù)器顯示液位 y n n y n 圖5.2 液位控制系統(tǒng)流程圖結論本系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測控制，介紹了8051單片機和其它一些單片機在液位控制系統(tǒng)中

21、的應用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，本設計還采用了多種傳感器來對液位的信號采集，利用led來進行信號的輸出顯示,我設計的硬件系統(tǒng)的結構簡化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機交互功能,并設有液位報警和閥門失靈等故障報警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過自動調節(jié)控制液位并實現(xiàn)水體的液位報警。液位控制在設定值上正常運行不需要人工干預，操作人員勞動強度小。采用單片機設計出的工業(yè)水位控制器,能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行控制,水位運行穩(wěn)定、控制品質良好、控制效果明顯改善;同時大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)的穩(wěn)定運行?？刂蒲b置具有成本低、抗干擾能力強、控制性能好等優(yōu)點,且系

22、統(tǒng)硬、軟件維護簡單方便,尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場,具有良好的應用前景。本系統(tǒng)所采用的傳感器性能穩(wěn)定,測量準確,大大簡化現(xiàn)場安裝,具有較高的性價比,有較大的工程應用價值,而且利用計算機單片機技術對工業(yè)生產過程進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對水體液位進行的簡易方便的操縱，可以準確得控制水泵進行添加水或放水以適應工作的需要，可以產生巨大的經濟效益。其次，水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，工

23、業(yè)以及其他方面的微機控制必將得到更加廣泛的應用。參考文獻1 d.ibrahim. microcontroller based applied digital control m john wiley & sons. 20062 謝維成 等單片機原理與應用及c51程序設計m 清華大學出版社, 20063 王兆安 等.電力電子技術.機械工業(yè)出版社，20104 戴文進 等電機與拖動m 清華大學出版社, 20085 陳伯時 電力拖動自動控制系統(tǒng)m 機械工業(yè)出版社, 20116 何立民 mcs-51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術.北京航空航天大學出版社,2001.7 牛永明 液位控制系統(tǒng)設計附錄1水位檢測的主程序本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡單，整個軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測主程序。這是程序運行的主要程序段，主要實現(xiàn)啟動adc0809轉換器，并從a/d轉換器采集信號，shuicpm:mov a,p1 anl