液位自動控制裝置

1、G甲1038 G題液位自動控制裝置設計者 高少博、杜阿安、賈兆磊賽前輔導老師 姚福安、萬鵬院校 山東大學 專業(yè) 控制科學與工程學院 物流工程摘要：本系統(tǒng)裝置是以凌陽61單片機為核心，以鍵盤和紅外光電對管為輸入系統(tǒng)，以液晶顯示器、聲光報警電路及步進電機為輸出系統(tǒng)的液位自動檢測與控制裝置。系統(tǒng)利用連通器原理，將測儲液瓶的水位高度變?yōu)闇y與之相連通的管子內(nèi)的水位高度。鍵盤為單片機所配置的獨立式鍵盤。光電對管的功能為檢測連通管內(nèi)浮子的位置，進而可知管內(nèi)水位高度即儲液瓶內(nèi)的水位。步進電機帶動光電裝置移動。采用凌陽61單片機的RART中斷進行主機與從機之間的通信。并且當儲液瓶內(nèi)液位低于或超出特定值時聲光報警

2、電路發(fā)出報警信號。關鍵詞：液位控制，紅外光電對管，步進電機，SPCE061A,通信。ABSTRACT:This Auto-controlled System witch based on Sunplus 61 MCU device and formed with keyboard ,photovoltaic systems, LCD monitors, sound and light alarm circuit and stepper motor is to achieve the goal of automatic control of the liquid-level. Liquid-le

3、vel detection system forms the output device.The water level of the tube which connect with the bottle of liquid-level detection will be measured. SCM keyboards are configured for stand-alone keyboard. Connected to the control function of the photoelectric detection tube floater position, then we ca

4、n see that the reservoir water level pipe poured the water. Sunplus 61 suspended for using SCM RART between the host and slave .When the reservoir and poured some liquid level below or above the specified value Alarm Circuit issued a warning sound and light signals.KEYWORD: control of liquid-level ,

5、tube of Infrared photo,setpper motor, communications， SPCE061A.目錄一 、方案比較、設計及論證41.1 主控制器模塊4方案一：4方案二：4方案三：41.2 液面檢測模塊及方案4方案一：4方案二：41.3 受液瓶蓄排水系統(tǒng)方案選擇5方案一:5方案二：51.4 鍵盤方案的選擇5方案一：5方案二：51.5 顯示方案選擇5方案一：5方案二：51.6 系統(tǒng)各模塊的最終方案5二 、系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)72.1 主控制器電路的設計72.2 紅外光電對管電路設計72.3 步進電機驅動電路設計82.4 ZLG7289鍵盤控制電路102.5 顯示模塊1

6、22.6 出水與進水模塊電路122.7 聲光報警模塊13三、系統(tǒng)的軟件設計133.1 主機程序流程設計143.2 從機程序153.4從機水位控制程序模塊設計16四、系統(tǒng)測試184.1 測試儀器194.2 性能測試19水位控制測試19報警及異常情況處理檢測194.3 測試結論19五、結論分析與總結20參考文獻：20附錄：20一 、方案比較、設計及論證1.1 主控制器模塊單片機作為整個運動系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)題目要求，主要作用是對水位信號的接受和液晶等顯示部分的數(shù)字信號處理。對于中央控制器的選擇我們有以下三種方案：方案一：采用MCS51系列單片機。51系列單片機價格便宜，使用簡單，開發(fā)軟件以及硬件

7、調(diào)試器型號眾多，應用廣泛而普遍。但是51系列單片機RAM,ROM等資源少，外圍模塊少，指令周期長，運算速度較其他RISC指令系統(tǒng)單片機慢。方案二：采用PIC18F4620單片機。PIC18F4620采用哈佛結構，以及RISC指令系統(tǒng)單片機，其具有1K RAM，64K FLASH，豐富的I/O口資源，內(nèi)置A/D，內(nèi)置EEPROM，看門狗電路，倍頻電路等豐富的外圍模塊，一個指令周期是四個機器周期，運算速度快，完全能夠滿足我們的系統(tǒng)要求。但由于其不是主流單片機，價格比較高，購買不方便，使用不廣泛。方案三：采用凌陽16位單片機SPCE061A。SPCE061A是一款16位結構的微控制器，其具有指令周期

8、短、運算速度快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理。內(nèi)置2K字節(jié)SRAM，32K字節(jié)FLASH，SPCE061A有兩個10位通用的并行I/O口以及其他豐富的外圍模塊。其內(nèi)部具有倍頻電路，16位運算以及豐富的RAM資源使其數(shù)據(jù)處理能力強大，另外由于其是凌陽公司大學計劃的推廣芯片，使用極其方便。1.2 液面檢測模塊及方案方案一： 采用紅外光電對管即紅外發(fā)光二極管和接收管組合通過檢測漂浮于水面上不透光浮子的方法來檢測水面。對水位的跟蹤方式是由步進電機帶動光電對管的上升與下降，當對管遇到浮子時作出電平變換，輸入單片機，進而進行處理。以記錄步進電機的步數(shù)來計算水位高度。方案二： 采用使用霍爾元件檢測水面的帶

9、有磁鐵的浮子來確定水面位置，霍爾元件由磁性材料和電橋與運算放大器構成，當有磁場通過霍爾元件內(nèi)部的磁性材料時，霍爾元件內(nèi)部的電橋平衡被破壞，這樣使運算放大器產(chǎn)生輸出變化。此方式需要大量霍爾元件來事時監(jiān)控水面位置。結論：由于要達到0.3cm的精度，用步進電機可以實現(xiàn)微小距離的移動，帶動光偶實現(xiàn)先天性的高精度，紅外線波長比可見光波長長，因此受可見光的影響較小，同時紅外系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點：尺寸小、質(zhì)量輕，能有效的抗可見光波段的偽裝，對輔助裝置要求最少，外圍電路簡單；霍爾元件優(yōu)點是不需要動力系統(tǒng)硬件固定于容器壁，不需要復雜的機械設計，而霍爾元件由于體積限制不能直接通過硬件來實現(xiàn)此精度，且對大量信號需要額

10、外的硬件電路設計，故這里采用第一種方案。1.3 受液瓶蓄排水系統(tǒng)方案選擇本設計中用2.5升的可樂瓶作為受液瓶，可供選擇的方案有：方案一: 蓄排水均用電磁閥，此方式根據(jù)“水往低處流”通過兩電磁閥的開關分別控制水流進出。方案二： 用電磁閥和水泵各一個，水泵價格便宜，可以相對減少總體開支，系統(tǒng)由水泵供水，電磁閥放水，此方式不需要苛刻的液位差，在實際生活中更實用且符合生產(chǎn)生活的實際情況與應用。結論：考慮到本設計中受液瓶位置較高如果采用方案一則外觀看起來系統(tǒng)龐大，考慮到與實際的符合情況最終選擇方案二。1.4 鍵盤方案的選擇 方案一： 采用矩陣式鍵盤，此種方案硬件制作簡單，系統(tǒng)成本有所降低，且采用矩陣式行

11、列掃描、方式，雖然當按按鍵較多時，可以相對減少需要的單片機I/O口的數(shù)目，但在需要雙機通訊且一主多從的I/O口緊張的電路中太多按鍵的設置難以實現(xiàn)，進而會成為對軟件的擴展的瓶頸，且電路結構復雜、編程難度較大。 方案二： 采用可編程邏輯芯片來控制安鍵，此種方法對軟件要求不高，容易編程，可以使用相對數(shù)量較多的按鍵，例如ZLG7289A。ZLG7289A是周立功單片機的數(shù)碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片，其具有串行接口，可以連接多達64鍵的鍵盤矩陣，可直接驅動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED），內(nèi)含去抖動電路，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能。內(nèi)有譯碼電路，大大簡化了程序的編寫。故其突出優(yōu)

12、點就是采用串口通訊，占用CPU端口少，對CPU負載攜帶能力要求低，使主控單片機實現(xiàn)更為關鍵的控制功能。結論：本設計中鍵盤輸入只是整個控制系統(tǒng)功能的一小部分，其作用只是命令輸入，不應該占用太多單片機有限的I/O口線資源。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用第二方案可以實現(xiàn)控制電路的較復雜的人機交互模式，故采用方案二。1.5 顯示方案選擇方案一： 采用數(shù)碼管顯示液位，數(shù)碼管價格低廉，但要實現(xiàn)數(shù)量較多的數(shù)碼管的顯示需要比較復雜的硬件電路，且對輸出內(nèi)容有很大限制。方案二： 采用OCMJ4X8C液晶可以實現(xiàn)事實圖示輸出，有很好的界面，且由于已經(jīng)集成漢字，可以通過簡單編程實現(xiàn)復雜多樣的顯示。結論：由于題目中要

13、求一多從的控制方式，數(shù)碼管顯示各個從機狀態(tài)時不會直觀的表達，在考慮到硬件與編程情況選擇液晶。1.6 系統(tǒng)各模塊的最終方案通過以上的分析與論證，決定了各模塊的最終方案列舉如下。（1）中央控制模塊： 采用凌陽16位單片機控制；（2）液位測量： 采用紅外光電對管和步進電機組合，實現(xiàn)動態(tài)測量；（3）出水與進水模塊： 采用水泵進水，電磁閥出水；（4）水位設定模塊：采用ZLG7289做鍵盤輸入。（5）顯示模塊：采用LCD液晶顯示。 通過上面具體方案分析及確定下來的方案可以設計如下圖所示總的系統(tǒng)工作框圖：位置數(shù)據(jù)命令液位數(shù)據(jù)從SPCE061A步進電機LCD顯示鍵盤主SPCE061A其他從機電磁閥光電對管LC

14、D顯示U型管內(nèi)水位SPCE061A的UART通訊協(xié)議電壓信號聲光報警水泵水位下降水位上升圖(1) 主機設定各個從機部分的水位數(shù)據(jù)，具體控制方法幾內(nèi)容由各從機控制。主機對各個從機返回的液位信息進行處理，以圖表的形式顯示于LCD上，液位數(shù)據(jù)由與主機相連的鍵盤輸入，并且可以選擇對具體從機進行事時監(jiān)控。 與從機相接的LCD顯示其從機所控制部分的水位信息。從機通過控制電磁閥的開關來控制出水，通過控制水泵開關來控制進水。通過步進電機來跟蹤水位信息，對光電管返回的電壓信號作出對應反應。二 、系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)2.1 主控制器電路的設計主控制單片機最小系統(tǒng)電路如圖（2）所示。單片機接收從鍵盤輸入的從機編碼和

15、液位數(shù)據(jù)，而后進行通訊，從機選擇自己的數(shù)據(jù)，通過控制步進電機和水泵、電磁閥，完成各項功能。SPCE061A最小系統(tǒng)電路如圖（2）所示。圖（2）2.2 紅外光電對管電路設計 光電對管是測量水面的關鍵元件，由于發(fā)射接受間的距離比較短，所以采用一般的發(fā)射接受管即可，但為了確保精確，必須有妨止干擾的附加措施，如給光電管加上不透光錫紙筒，發(fā)射與接受對準確。圖（3）光電管的電路圖設計。三個PORT端口分別是發(fā)射管的信號輸出（接收到發(fā)射管的紅外線信號為低電平，反之為高），設計為三對紅外光電對管是因為這樣就可以預先知道水位的方位，對步進電機進行快速正確驅動。 應當注意的點是，SPCE061A單片機必須和觀點管

16、共地。圖（3）2.3 步進電機驅動電路設計 步進電機與光電管共同組成水位的動態(tài)監(jiān)控，其在此系統(tǒng)中對測量精度有著重要的影響。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序：通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為A-B-CD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷，工作原理如圖(4)。為了增大步進電機的扭力矩，我們是按AB-BC-CD-DA順序進行控制。(2)控制步進電機的轉向：如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉，如果按反序通電換相，則電機就反轉。(3)控制步進電機的速度：如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉一步，再發(fā)一個脈沖，它會

17、再轉一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機速度進行調(diào)速。 (4)在本系統(tǒng)中用步進電機的準確定位來計算電機帶動滑輪轉過的距離進而求得液位高度。就體方法是：測量出連接在電機軸上小輪的周長，步進一步是1.8度，那么一個周期是兩步，測轉過的距離為L，其計算公式為：Ln×s (n為周期數(shù)，s為步進電機每個周期轉過的距離)。AB5V驅動繼電器CD圖（4）本系統(tǒng)中通過軟件對步進電機進行控制。根據(jù)步進電機工作時序（圖4）要求，SPCE061A單片機的四個I/O口發(fā)送控制信號，共同控制電機轉速與角度。通過圖(5)所示電路進行功率放大，從而驅動步進電機。

18、圖（5）2.4 ZLG7289鍵盤控制電路鍵盤電路采用ZLG7289鍵盤掃描專用芯片。 7289芯片引腳如圖(6)所示。標準的鍵盤顯示應用電路如圖(7)所示。ZLG7289最多可掃描64個按鍵，實際應用中，我們只用到了24個左右的按鍵就已經(jīng)滿足系統(tǒng)的輸入和控制需求。圖（6）圖（7）2.5 顯示模塊顯示模塊采用OCMJ2X10C_3液晶顯示器。該液晶模塊既有串行接口又有并行接口，外形小巧等特點。為了是占用的I/O口數(shù)少，系統(tǒng)開始使用串口，但在試驗中發(fā)現(xiàn)由于顯示的圖片占用太多處理時間，可能影響到時時檢測的精度，最終選擇并口通信。此模塊接口資料如圖(8)所示圖(8)2.6 出水與進水模塊電路 由于水

19、泵是12V電壓，電磁閥是24V電壓，所以兩者都不能直接用單片機控制，而只能用繼電器控制?？刂齐娐房驁D如圖(9)所示。12V直流電源24V直流電源5V驅動繼電器水泵 電磁閥 圖（9）2.7 聲光報警模塊圖(10)電路如圖(10)。當液位高于25cm時，單片機發(fā)出信號使V2出現(xiàn)高電平，觸發(fā)蜂鳴器報警裝置，蜂鳴器發(fā)出響聲。三、系統(tǒng)的軟件設計題目中要求所測液位誤差控制在3毫米內(nèi)，因此本液位檢測系統(tǒng)的設計對硬件結構的精確度要求相當高，雖然步進電機可以對紅外光電管位置提供準確定位，但該設計中硬件部分中的滑輪以及浮子的大小產(chǎn)生誤差的消除很難由硬件消除。只能在軟件部分將誤差減到最小。而軟件設計的關鍵是算法，算

20、法的優(yōu)劣直接決定著系統(tǒng)的精確度。本系統(tǒng)的軟件設計在nSP單片機開發(fā)仿真環(huán)境IDE中，采用C語言進行編程，實現(xiàn)各項功能。與匯編語言相比，C語言具有很多優(yōu)點，如代碼清晰易讀，易形成模塊化，編程及調(diào)試的時間減少，大大縮短開發(fā)周期，明顯增加軟件可讀性，便于改進和擴充。設計中主機控制從機，涉及到單片機之間的通訊，本系統(tǒng)軟件的通訊協(xié)議也是應用c語言編寫的。3.1 主機程序流程設計系統(tǒng)功能選擇系統(tǒng)操作說明系統(tǒng)信息查詢從機號選擇操 作 與 一 號 機 相 同 ， 故 省 略一號機水位(重)查詢水位調(diào)整從機狀態(tài)查詢從機歷史記錄查詢警報信息處理初始化 圖（11） 主機程序框圖系統(tǒng)啟動后，主機控制所選擇的從機并接收

21、由從機返回的信息。3.2 從機程序有無向主機傳送水面高度和從機號大于小于初始化測量水面高度是否按鍵設定水面高度開關水泵、電磁閥傳送從機信息手動接觸報警系統(tǒng)重啟設定值與測量值比較放水抽水 圖（12） 從機程序框圖初始化之后，從機控制光電對管搜尋浮子的位置來確定液面的初始高度，當通過鍵盤設定液面的高度后，從機將對設定值和初始值比較，若設定值比初始值大，則開啟水泵給受液瓶蓄水與此同時從機還控制滑輪將光電對管送至設定值處。當液面上升至設定值時，光電對管將檢測到浮子，從機控制水泵停止蓄水。當設定值比初始值小時，從機控制電磁閥排水。 若液面高度低于2cm或高于25cm時，從機將啟動報警電路發(fā)出報警信號同時

22、停止其他部分的工作，若按下復位鍵則停止警報，液面恢復到初始值。若復位鍵不被按下則警報在30秒后自動消除，液面恢復到初始值。3.4 從機水位控制程序模塊設計在水位控制時需要首先找到水面的位置，并對對管進行定位。由于采用三對紅外光電對管的設計，能夠對水位進行預測從而提高精度的同時加大了定位的復雜化。此設計由于光電管的位置隨機所以先是光電管由上到下掃描，電機轉過的距離小于25厘米,硬件上光電對管升降系統(tǒng)設計為能夠實現(xiàn)上邊界“活性定位程”當光電裝置上升或下降到最低點時停止移動時電機繼續(xù)轉動不影響硬件電路和機械裝置。圖(13)所示是此程序過程的流程圖。否1管（頂端）2管是3管（底端）初始化光電管電壓是否

23、變化，電機是否轉過25cm電機由上到下掃描浮子哪個光電管電機減速2管電壓變化時電機停止電機停止電機停止并向上電機停止并向上2管電壓變化時繼續(xù)向上移動浮子高度的距離，并停止計算并向主機發(fā)送高度向上轉動25cm，電機轉數(shù)置零圖(13)在開始找到水面位置后，從機就可以只進行數(shù)據(jù)的發(fā)送工作，當接受到主機的控制設定信號后就進行具體的水位升降控制，光電管部分不對及其步進電機不對設定的水位作出反應，而只檢查水位是否變化。具體流程圖如圖(14)所示。有無大 小 與主機進行數(shù)據(jù)交換接受到水位高度數(shù)據(jù)，并與初始值進行比較打開水泵水面變化后出發(fā)中斷，進入中斷服務程序，電機向下轉1管（頂端）2管3管（底端）哪個光電管

24、電機向下直到2管電壓變化比較現(xiàn)在水位于設定水位如果相等，離開中斷程序電機向上直到2管電壓變化無圖(14)水位變化后液晶顯示的流程圖：注：初始化的內(nèi)容是把程序原有的與基準水位對應的圖調(diào)入，顯示在屏幕上。主機對從機的水位歷史記錄查詢：（主機子功能流程圖，如圖(15)）N查詢歷史記錄按鍵按下數(shù)據(jù)收集完成顯示數(shù)據(jù)尚未收集完畢顯示數(shù)據(jù)的變化的曲線圖Y圖(15)為了增加系統(tǒng)水位的歷史查看功能，設計了水位歷史變化功能，其程序流程圖如圖(16).Y初始化水位變化超過一厘米Y升高畫面中水位上移一個像素NN畫面中水位下降一個像素圖(16)四、系統(tǒng)測試為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對系統(tǒng)所實現(xiàn)的性能指標進行

25、了實際測試。按照題目的要求將系統(tǒng)安裝好。4.1 測試儀器 萬用表，毫米刻度尺，游標卡尺，4.2 性能測試4.2.1 水位控制測試 系統(tǒng)初始化后，通過鍵盤分別設定液面高度為4cm、8.3cm、12.6cm、16cm、20.1cm、25.5cm，檢測受液瓶內(nèi)的實際液面高度，測試兩次。（注：正負知道表高低，比設定值高為正。）設定液面（cm）4.07.39.615.720.124.0平均誤差實際液面1（cm）3.737.559.7715.8919.6723.76誤差（cm）0.270.250.170.190.430.240.25實際液面2（cm）3.697.669.3215.4619.7024.32誤

26、差（cm）0.310.330.280.190.310.320.29表（1）平均誤差總誤差和/測量次數(shù)0.2742(cm) ，小于題目要求的0.3cm的要求。兩次相同設定中，實際水位的高低屬于隨機分布，切實際水位高與低的可能性相等，可以得出浮子對光電管的檢測所帶來的誤差很小，沒有硬性的硬件原理的錯誤。 4.2.2 報警及異常情況處理檢測設定液面高度為2cm 、25cm檢測報警系統(tǒng)以及復位鍵能否正常工作。液位設置(cm)1.31.51.71.92.02.12.22.3是否報警是是是否是是否否表（2）外部人為設定液位24.024.925.025.5是否報警否是否是能否排水到20cm否是是是表（3）為

27、了測試系統(tǒng)處理異常情況的能力，我們通過人為的加水和放水進行測試：當給蓄水瓶中加水或排水時，聯(lián)通器內(nèi)水面變化，步進電機會快速作出反應，進行水位跟蹤。 從表（2）和表（3）的測試數(shù)據(jù)可以看出，如果排除水位檢測方面的誤差，報警模塊及異常水位的處理是可以正常而準確工作的。4.3 測試結論 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能： 1通過鍵盤選擇從機，并設定水位，發(fā)送控制字與內(nèi)容給從機； 2檢測從機狀態(tài)，并作出對應處理，如重啟從機；3主從機都以圖形的方式顯示水位數(shù)據(jù)；4從機每隔4/1秒給主機發(fā)送水位信息；5從機時時檢測水位變化并作出對應操作；6對異常情況聲光報警；五、結論分析與總結本系統(tǒng)以凌陽16位單片機SPCE061A為控制核心，利用電子技