水位控制器的設(shè)計(jì)

aaaa河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)畢業(yè)論文水位控制器的設(shè)計(jì)摘要在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，水位控制裝置有著十分廣泛的應(yīng)用，如水塔、樓房水箱等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子式開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、電節(jié)點(diǎn)式開(kāi)關(guān)、壓力式開(kāi)關(guān)、電子式開(kāi)關(guān)、微機(jī)式開(kāi)關(guān)等。這些裝置或多或少的存在一些缺點(diǎn)：浮子式開(kāi)關(guān)采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)起來(lái)不方便；微機(jī)式控制裝置，雖然操作方便，但造價(jià)較高……本設(shè)計(jì)從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種水位自動(dòng)控制裝置。該裝置采用電子式水位開(kāi)關(guān)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，工作可靠，性能價(jià)格比優(yōu)良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點(diǎn)，并提供了自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)保護(hù)功能，在多種場(chǎng)合下均可以采用。水位控制器是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是傳感器、硬件、軟件等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，作為水塔水位控制裝置，其主要任務(wù)是保證水塔的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用集成電路，能對(duì)水塔水位進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。由于我國(guó)水位測(cè)量操作水平落后，工作人員過(guò)多，但是現(xiàn)在水位控制器為水位控制開(kāi)辟了廣闊的前景。本設(shè)計(jì)的主要功能是使水箱中的水位保持在一定范圍內(nèi)：當(dāng)水位低于最低水位時(shí)，自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位上升，并報(bào)警；當(dāng)水位高于最高水位時(shí)，電機(jī)停止抽水，并報(bào)警。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還應(yīng)該具有顯示各時(shí)刻水位的功能。本設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分電路：信號(hào)產(chǎn)生電路，信號(hào)處理電路,電機(jī)控制電路，顯示控制電路，報(bào)警控制電路。關(guān)鍵詞水位控制；自動(dòng)報(bào)警；自動(dòng)供水AbstractInourdailylivesandindustrialproductions,waterlevelcontroldeviceshaveaverywiderangeofapplications,suchaswatertowers,buildings,cisterns,etc.Waterlevelcontroldevicescantakemanyforms,floattypeswitchesandtravelswitches,electricitynodetypeswitches,pressuretypeswitches,electronicswitches,microcomputertypeswitches,etc.Therearemoreorlessdisadvantagesinthesedevices:floattypeswitchesusesmechanicalstructure,themaintenanceofthemisveryinconvenient;Althoughmicrocomputertypecontroldeviceshasaconvenientoperation,itscostishigher...Thisdesignmakesakindofwaterlevelautomaticcontroldevicefrompracticalandeconomypointofview.Thisdeviceusesanelectroniclevelswitchwithasimplestructure,aconvenientmaintenance,areliableandanexcellentfunctiontopriceindifferentdegrees,andovercomestheothermethodsofsomeshortcomings,andoffersautomaticalarming,automaticprotectingfunctionadaptsinavarietyofsituations.Waterlevelcontrollerisanewtechnologydevelopedinrecentyears,itisaproductcombinedcloselywiththesensor,thehardware,thesoftwareandsoon.Asawatertowerlevelcontroldevice,itsmaintaskistoguaranteethesafety,stabilityandtowersofeconomicoperation,toreducetheworkingstaff'sworkingintensity.Usingintegratedcircuits,canbringaboutmanyfunctionssuchasautomaticallytestofthetowerswaterlevel,automaticcontrollingandsoon.Asthelevelofmeasurementoperationinourcountryistoobackward,thenumberofworkersistoolarge,nowthelevelcontrollerforwaterlevelcontrollingisopeningupbroadprospects.Themainfunctionofthedesignistokeepthewatertankinacertainrange:whenthewaterlevelislowerthantheminimumlevel,itautomaticlycontrolsthemotortorotateandpumptomakethewaterlevelrise,andalarms;Whenthewaterlevelishigherthanthehighestlevel,themotorstopspumping,andalarms.Meanwhile,thisdesignshouldalsohasthefunctionofdisplayingthelevelofwatereverytime.Thisdesignincludesseveralpartsofcircuit:thesignalproducingcircuit,thesignalprocessingcircuit,themotorcontrollingcircuit,thedisplayingandcontrollingcircuitandthealarmcontrollingcircuit.KeywordsWaterlevelcontrolling；automaticalarming；automaticwatersupply目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1 緒論 1\o"CurrentDocument"1.1自動(dòng)控制器的發(fā)展歷程 1\o"CurrentDocument"1.2本課題的提出與意義 6\o"CurrentDocument"2信號(hào)產(chǎn)生部分 7\o"CurrentDocument"2.1電子式水位開(kāi)關(guān) 7\o"CurrentDocument"2.2基本原理 8\o"CurrentDocument"信號(hào)處理與控制 10\o"CurrentDocument"3.1信號(hào)放大部分 10\o"CurrentDocument"3.2信號(hào)處理與控制 113.2.1單片機(jī) 113.2.2程序設(shè)計(jì)框圖 123.2.3程序代碼 12\o"CurrentDocument"水位顯示電路 14\o"CurrentDocument"4.1七段顯示譯碼器簡(jiǎn)介 14LED和LCD 顯示器 14BCD七段顯示譯碼器 14\o"CurrentDocument"4.2基本原理 144.2.1電路連接 144.2.2元器件選擇 16\o"CurrentDocument"5整體設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"5.1整體設(shè)計(jì)思路 17\o"CurrentDocument"5.2整體設(shè)計(jì)框圖 17\o"CurrentDocument"5.3整體設(shè)計(jì)原理圖 18\o"CurrentDocument"6 結(jié)論 19致 謝 20\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 21水位控制器的實(shí)現(xiàn)1緒論1.1自動(dòng)控制器的發(fā)展歷程水位控制器屬于自動(dòng)控制領(lǐng)域，是自動(dòng)控制理論的一種實(shí)際應(yīng)用。自動(dòng)控制就是指這樣的反饋控制系統(tǒng)，就是有一個(gè)控制器跟一個(gè)控制對(duì)象組成的，把這個(gè)控制對(duì)象的輸出信號(hào)把它取回來(lái)，測(cè)量回來(lái)以后跟所要求的信號(hào)進(jìn)行比較。根據(jù)這誤差告訴控制器，這就是機(jī)器內(nèi)部的工作了。讓控制器完成這個(gè)控制作用，使得這個(gè)偏差消除或者說(shuō)使得控制對(duì)象的輸出跟蹤我所需要的要求的信號(hào)。控制對(duì)象的輸出量一般來(lái)說(shuō)都是一個(gè)物理量，比如說(shuō)我控制一個(gè)機(jī)器的轉(zhuǎn)速，就是需要把速度測(cè)量出來(lái)，才能進(jìn)行控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)，從一開(kāi)始出現(xiàn)的時(shí)候，大家假如接觸到這門(mén)學(xué)科的話，可能都知道是瓦特的離心調(diào)速器。這是離心調(diào)速器的幾種方案的示意圖，什么叫離心調(diào)速器呢？就是有兩個(gè)飛球，一轉(zhuǎn)起來(lái)以后，因?yàn)殡x心力，飛球就往外脹。飛球脹開(kāi)以后，這個(gè)下面的套筒就往上升，這個(gè)套筒在移動(dòng)，就帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這是最早的瓦特的離心調(diào)速器。實(shí)際上這個(gè)離心調(diào)速器不是瓦特發(fā)明的，一般我們叫瓦特的離心調(diào)速器，它實(shí)際上不是瓦特的發(fā)明。因?yàn)榫褪窃谀莻€(gè)時(shí)期，大家看到風(fēng)力磨坊就是相當(dāng)于離心調(diào)速器的那個(gè)飛球，實(shí)際上在那個(gè)時(shí)候,已經(jīng)有這樣的調(diào)速器。瓦特是發(fā)明了蒸汽機(jī)，用了這樣的一個(gè)調(diào)速器,但是現(xiàn)在很多人都愿意把這個(gè)離心調(diào)速器，掛在瓦特的名下。所以一般的書(shū)上，大家看到的是瓦特的離心調(diào)速器，你要看正式的書(shū)，假如材料寫(xiě)的確切的話，只說(shuō)1788年前后，不確切說(shuō)哪一天的年代，因?yàn)椴皇撬l(fā)明的。就是說(shuō)一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并不是一個(gè)人，就是說(shuō)瓦特又能發(fā)明蒸汽機(jī)又能發(fā)明調(diào)節(jié)系統(tǒng)，好像什么都是他發(fā)明的，實(shí)際上他也利用了前人的很多知識(shí)的積累。這是1788年，隨后大概有一百年左右的歷史，工業(yè)里邊自動(dòng)控制系統(tǒng)就是個(gè)離心調(diào)速器，當(dāng)時(shí)主要就是個(gè)蒸汽機(jī)，蒸汽機(jī)離心調(diào)速器，沒(méi)有別的類型，后來(lái)進(jìn)到二十世紀(jì)，就是出現(xiàn)了飛機(jī)。大家可能知道的,斯佩雷(Sperry)發(fā)明了陀螺，他想辦法把陀螺做成一個(gè)自動(dòng)駕駛儀?，F(xiàn)在再一個(gè)報(bào)道，就是1925年到1940年之間斯佩雷(Sperry)的那個(gè)工作，這里談的是anti-aircraft，就是防空火力控制，火力控制是這樣的。它這個(gè)火力控制，這里一大堆人的地方，這是它主要的核心部分，叫火控指揮儀?；鹂刂笓]儀是指什么意思呢？根據(jù)飛機(jī)的方位角、高低角，飛機(jī)在飛還有一個(gè)前置角，打前置角，把這個(gè)呢，控制火炮，告訴火炮。就是這個(gè)地方是它的指揮儀，等到火力控制的地方，這里站了三個(gè)人，當(dāng)時(shí)的術(shù)語(yǔ)叫人工伺服，三個(gè)人,為什么三個(gè)人呢，一個(gè)方位角，一個(gè)高低角，還有一個(gè)引信。因?yàn)樗菚r(shí)候還要算出來(lái)，就是要指揮儀算，算出來(lái)我炮彈飛到你飛機(jī)的時(shí)候，需要多少時(shí)間。引信就是指一個(gè)定時(shí)器，它撥到可能幾秒鐘以后爆炸，所以需要這三方面的高低角、方位角，再加上定時(shí)爆炸，才能把飛機(jī)打掉。這是1940年前的，這個(gè)是美國(guó)的火力控制的情況。但是到真正我們核心搞控制的人來(lái)說(shuō)，火炮控制部分是人工伺服humanservo。這個(gè)就是當(dāng)時(shí)的斯佩雷(Sperry)公司搞的，主要它的工作就是這個(gè)指揮儀。這個(gè)指揮儀怎么工作，大家可以看到，這個(gè)火炮上站著的，圍著指揮儀是一幫人。當(dāng)時(shí)是194。年前后，所以這個(gè)人站在上面都是很危險(xiǎn)的，因?yàn)樯厦鏀橙孙w機(jī)過(guò)來(lái)，是這么一個(gè)情況。到了1940年以后，火力控制系統(tǒng)發(fā)生很大的變化，你看這上面人已經(jīng)很少了。這個(gè)變化是誰(shuí)搞的呢？這里有一個(gè)貝爾實(shí)驗(yàn)室里邊的一個(gè)年輕的工程師帕金森(Parkinson)，只有29歲。就是一個(gè)一般的技術(shù)員，當(dāng)時(shí)是一般技術(shù)員，這個(gè)帕金森(Parkinson)，他就是一個(gè)低職位的工程師，讓他承擔(dān)的任務(wù)是繞電位計(jì)，就是1940年那天晚上他做了一個(gè)夢(mèng)。他夢(mèng)到用電位計(jì)控制的記錄筆也可以控制火炮的發(fā)射，他這個(gè)夢(mèng)就促進(jìn)了自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。剛才講的純粹是一個(gè)技術(shù)，但是跟技術(shù)配套的理論上，就是我們這里看的是有麥克斯維爾，就是有這幾個(gè)人了。我把這幾個(gè)人的研究介紹一下。蒸汽機(jī)的離心調(diào)速器，剛出來(lái)的時(shí)候，大家不知道有反饋的概念，所有的問(wèn)題都集中在調(diào)節(jié)器本身，一會(huì)兒說(shuō)你是調(diào)節(jié)器重量太小了，應(yīng)該大一點(diǎn)；一會(huì)兒說(shuō)這里要有個(gè)彈簧，一會(huì)兒又說(shuō)這有彈簧也不好；一會(huì)兒說(shuō)里邊因?yàn)槟Σ亮τ绊?，就一直沒(méi)有從反饋系統(tǒng)來(lái)考慮，就是單個(gè)孤立的一個(gè)控制器。麥克斯維爾把這個(gè)系統(tǒng)看作調(diào)節(jié)器，跟調(diào)節(jié)對(duì)象合在一起，用微分方程來(lái)進(jìn)行研究，這是麥克斯維爾的功勞。但是麥克斯維爾，從我們今天來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于停留在理論上。當(dāng)然他當(dāng)時(shí)不完全是純理論，他在實(shí)驗(yàn)室做了個(gè)調(diào)速器，完了進(jìn)行研究，研究了指出這微分方程的特征根在左半面或右半面跟穩(wěn)定有關(guān)系。他正式提出的，但是他解決不了，就是判別的問(wèn)題，他只能做到三階系統(tǒng)怎么判別。1876年，俄國(guó)的維斯聶格拉斯基，他是專門(mén)搞實(shí)際研究的，他們當(dāng)時(shí)有一種直接作用調(diào)速器。就剛才說(shuō)的，一會(huì)兒說(shuō)這個(gè)有問(wèn)題，一會(huì)兒說(shuō)那個(gè)問(wèn)題，老找不到問(wèn)題，準(zhǔn)備把整個(gè)方案都要放棄了。維斯聶格拉斯基結(jié)合了他當(dāng)時(shí)的蒸汽機(jī)，結(jié)合了他這個(gè)蒸汽機(jī)的特性，就指出來(lái)參數(shù)更應(yīng)該是怎么選擇，才能保證穩(wěn)定。維斯聶格拉斯基，就是結(jié)合工業(yè)實(shí)際，大家對(duì)他的評(píng)價(jià)很高，他就解決了當(dāng)時(shí)差不多在一種調(diào)節(jié)器就要下馬的情況，他指出來(lái)就是一個(gè)參數(shù)問(wèn)題，所以他在工業(yè)上，是立了很大的功勞。在這個(gè)同時(shí)，1877年有個(gè)代數(shù)判據(jù)，勞斯代數(shù)判據(jù)，勞斯判據(jù)怎么來(lái)的呢？勞斯就是麥克斯維爾的學(xué)生。在這個(gè)同時(shí)，1895年，胡爾維茨（Hurwitz）也在不同的情況下，不知道勞斯的情況下。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的歐洲不像現(xiàn)在學(xué)術(shù)交流這么頻繁，當(dāng)時(shí)沒(méi)有什么學(xué)術(shù)交流。但是胡爾維茨（Hurwitz）的不一樣，胡爾維茨（Hurwitz）解決的是瑞士達(dá)沃斯電廠的一個(gè)蒸汽機(jī)的一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就用穩(wěn)定性理論來(lái)設(shè)計(jì)。胡爾維茨（Hurwitz）被認(rèn)為是真正用控制理論，來(lái)用到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)例子。所以我現(xiàn)在這里列出來(lái)的這四個(gè)人，兩個(gè)人是學(xué)校里的學(xué)究式的，就是麥克斯維爾跟勞斯，但是他的功勞也不能磨滅，維斯聶格拉斯基跟胡爾維茨（Hurwitz），都是實(shí)際上出來(lái)的，就解決實(shí)際問(wèn)題，這是兩個(gè)不同的。但是最后，勞斯，胡爾維茨（Hurwitz），都拿出來(lái)，現(xiàn)在都有用的代數(shù)判據(jù)。在這個(gè)里邊，還有一個(gè)人，也應(yīng)該提一下的。就是我們用的是個(gè)負(fù)反饋，真正使用負(fù)反饋是誰(shuí)呢？是貝爾實(shí)驗(yàn)室的布萊克，也是一個(gè)年輕的工程師。在1927年的8月2號(hào)發(fā)明的。 布萊克已經(jīng)在這個(gè)之前，專門(mén)研究了電子振蕩器，電子振蕩器是用反饋工作的，當(dāng)然是正反饋了，所以他有這個(gè)基礎(chǔ)。完了正好這么一想，我這個(gè)線性化為什么不用這個(gè)方法呢？就是他有工作的積累，布萊克有很多用反饋原理構(gòu)成振蕩器線路的這些工作基礎(chǔ)，完了老在想這個(gè)問(wèn)題，這樣靈感就出來(lái)了，就做出來(lái)這個(gè)負(fù)反饋放大器尼可爾斯(Nichols),他提出來(lái)的PID的整定法。整定法是尼可爾斯(Nichols)在二十世紀(jì)40年代提出來(lái)的，他做了PID，他想辦法把PID調(diào)出來(lái)，想辦法參數(shù)應(yīng)該怎么整定，需要用模擬機(jī)。當(dāng)時(shí)美國(guó)惟一一臺(tái)模擬機(jī)，當(dāng)時(shí)的模擬機(jī)叫微分分析儀，麻省理工學(xué)院的。這個(gè)模擬機(jī)的制造人是誰(shuí)呢？就是剛才說(shuō)的，當(dāng)時(shí)是維布什(VannevarBush),后來(lái)他是美國(guó)總統(tǒng)的科學(xué)顧問(wèn)，原來(lái)就是搞自動(dòng)控制的，他設(shè)計(jì)了這個(gè)微分分析儀，現(xiàn)在叫模擬機(jī)。尼可爾斯(Nichols)就在這個(gè)模擬機(jī)上做了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，最后列出來(lái)這個(gè)PID的整定表，5。年過(guò)去了現(xiàn)在大家還在用。有一樣工作5。年不變的就是這個(gè)PID整定表，現(xiàn)在還在用，就是尼可爾斯(Nichols)發(fā)明的。下一要介紹的是錢學(xué)森的《工程控制論》。錢學(xué)森是1954年寫(xiě)的書(shū)，當(dāng)時(shí)他在美國(guó)寫(xiě)的書(shū)，我們這里也拿不到英文版，但是前蘇聯(lián)很重視，前蘇聯(lián)馬上把它翻成俄文。我們看到的前蘇聯(lián)是1956年把他的俄文，翻譯出來(lái)了，我們當(dāng)時(shí)看到的是俄文版，這是在大概二十世紀(jì)50年代形成過(guò)程里邊的幾個(gè)主要的過(guò)程，把經(jīng)驗(yàn)都總結(jié)出來(lái)。下一本是魯里葉(Lurie)的非線性的一個(gè)經(jīng)典著作，這個(gè)是1951年出版的魯里葉(Lurie)的那本書(shū)。魯里葉(Lurie)在前蘇聯(lián)大概1944年他提出來(lái)，大家現(xiàn)在搞非線性可能都知道，提出來(lái)一個(gè)魯里葉問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題一直解決不了，他后來(lái)寫(xiě)成書(shū)了，就是留著這問(wèn)題。他提出來(lái)的魯里葉(Lurie)問(wèn)題，一直到196。年才有人解決,提出來(lái)一個(gè)解決方案，就是波波夫(Popov)的絕對(duì)穩(wěn)定性。后來(lái)就提出來(lái)超穩(wěn)定性，是解決的這個(gè)魯里葉(Lurie)問(wèn)題。就是說(shuō)這本書(shū)當(dāng)時(shí)二十世紀(jì)50年代，二十世紀(jì)40年代后期，50年代初的一些工作，一直影響到二十世紀(jì)60年代，而且還影響到目前一些非線性的理論工作，都是以他這個(gè)為基礎(chǔ)。50年代的時(shí)候，一般都叫經(jīng)典控制理論；60年代叫狀態(tài)空間法，實(shí)際上就是狀態(tài)空間方法，但是呢，當(dāng)時(shí)的名稱，把它叫做現(xiàn)代控制理論了；后來(lái)7。年代是現(xiàn)代頻域法，這么一個(gè)過(guò)程。接下來(lái)現(xiàn)在就是要說(shuō)明一下?tīng)顟B(tài)空間法，完了就叫現(xiàn)代控制理論。這個(gè)狀態(tài)空間法是前蘇聯(lián)的一些學(xué)者先提出來(lái)的。他們搞應(yīng)用數(shù)學(xué)、搞力學(xué)的，他們從來(lái)就是用的是狀態(tài)空間法。196。年卡爾曼把它介紹到英語(yǔ)世界，這個(gè)世界用英語(yǔ)來(lái)說(shuō)是Englishspeakingcountry,就是說(shuō)英語(yǔ)的國(guó)家里邊去，因?yàn)楸緛?lái)大家都不知道，卡爾曼是個(gè)斯拉夫名字。他196。年的時(shí)候，他把狀態(tài)空間法介紹給美國(guó)。這個(gè)就是發(fā)展了十年以后，就發(fā)現(xiàn)期望過(guò)大了，好像也只不過(guò)如此吧！有些問(wèn)題你也沒(méi)解決了。所以那個(gè)時(shí)候，又有人回到頻域法，就是最早5。年代是頻域法，6。年代狀態(tài)空間，7。年代又回到頻域法。就這個(gè)時(shí)候的頻域法就加了個(gè)名字，叫現(xiàn)代頻域法。實(shí)際上是螺旋上升，又回到頻域法。覺(jué)得頻域里邊來(lái)考慮設(shè)計(jì)問(wèn)題還是比較恰當(dāng)?shù)?，考慮一些設(shè)計(jì)要求，就出現(xiàn)了這個(gè)頻域法。正好在現(xiàn)代頻域法發(fā)展的這個(gè)勢(shì)頭上的時(shí)候，1981年有人寫(xiě)文章說(shuō)你這個(gè)沒(méi)有魯棒性，我們現(xiàn)在大家搞控制理論知道要魯棒設(shè)計(jì)。說(shuō)你這個(gè)現(xiàn)代頻域法沒(méi)有魯棒性，當(dāng)時(shí)人家不信、不服，經(jīng)過(guò)8。年代的論證，爭(zhēng)議慢慢形成。到1991年，就是現(xiàn)在的有人當(dāng)然是你可能這個(gè)術(shù)語(yǔ)不一定統(tǒng)一，有人把它叫做現(xiàn)代后控制理論，Postmoderncontroltheoryo這個(gè)要說(shuō)到，我們從多變量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多變量系統(tǒng)實(shí)際上是多入多出系統(tǒng)。多變量不太恰當(dāng)，輸入有好多個(gè)，輸出有好多個(gè)。多變量里一個(gè)問(wèn)題,叫做耦合，就是輸入輸出之間互相耦合。控制的時(shí)候，直觀的要求就是要解耦控制，解耦控制以后呢！就是這個(gè)1跟輸出1可以組成反饋系統(tǒng)，這個(gè)2呢！跟輸出2可以組成反饋系統(tǒng)，這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候就比較容易了。但是解耦設(shè)計(jì)是個(gè)什么概念？解耦設(shè)計(jì)實(shí)際上要求輸入輸出之間的關(guān)系，我1控制1，2控制2,用我們的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)這是響應(yīng)特性，并不表示我的反饋系統(tǒng)有些什么特點(diǎn)，有些什么要求。魯棒性不是我們一般數(shù)學(xué)上的問(wèn)題。就是實(shí)際上提出來(lái)的問(wèn)題,就是解決這個(gè)設(shè)計(jì)到底能不能用的問(wèn)題。所謂我有魯棒性，就是計(jì)允許有這個(gè)差別，允許有不確定性，在紙面上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)做成控制器以后，到實(shí)際上用，照樣有這個(gè)性能，這才叫你的設(shè)計(jì)具有魯棒性。所以這個(gè)魯棒性的概念就是80年代提出來(lái)的，逐漸形成了我們現(xiàn)在說(shuō)的現(xiàn)代后控制理論?，F(xiàn)代控制理論用黎卡提方程。我們現(xiàn)在用的，現(xiàn)代后控制理論里用的是線性矩陣不等式，線性矩陣不等式的解法都是用MATLAB的軟件來(lái)解的，所以整個(gè)計(jì)算工具，就是我們考慮的對(duì)象、研究?jī)?nèi)容等等都出現(xiàn)了變化。所以有人把它叫做現(xiàn)代后控制理論1.2本課題的提出與意義水是人類賴以生存的寶貴資源，節(jié)約用水已為人類所共識(shí)，因此對(duì)水位的控制具有十分重要的意義。在人們的日常生活用那個(gè)水中，會(huì)經(jīng)常要用到水箱里的水，是水箱里的水保持在一定的范圍內(nèi)，并能較準(zhǔn)確的顯示出當(dāng)前水箱中的水位，會(huì)給我們的生活帶來(lái)很大的方便。目前，自動(dòng)控制理論在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，各種各樣的自動(dòng)控制類產(chǎn)品層出不窮，自動(dòng)水位控制器作為自動(dòng)控制理論的實(shí)際應(yīng)用的例子，其設(shè)計(jì)具有一定的代表性。單片機(jī)芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，除了具備通用微機(jī)CPU的數(shù)值計(jì)算功能外還具有靈活、強(qiáng)大的控制功能，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入量、控制系統(tǒng)的輸出量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。此外，單片機(jī)還有很多優(yōu)點(diǎn)，如下：抗干擾性強(qiáng)，工作溫度范圍寬?？煽啃愿?。控制功能很強(qiáng)。指令系統(tǒng)比通用微機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。 利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)水位控制器的控制環(huán)節(jié)，可體現(xiàn)出單片機(jī)在控制領(lǐng)域的簡(jiǎn)便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。在水位開(kāi)關(guān)方面，也曾出現(xiàn)過(guò)多種形式的開(kāi)關(guān)，被設(shè)計(jì)采用電子式水位控制開(kāi)關(guān)，以克服其他形式的開(kāi)關(guān)操作復(fù)雜，維護(hù)困難，造價(jià)高等缺點(diǎn)。此開(kāi)關(guān)用于產(chǎn)生不同檔位的水位信號(hào)，以便控制電動(dòng)機(jī)、水位顯示和報(bào)警電路的工作。本課題正是基于以上需要所設(shè)計(jì)，有著十分重要的意義。2信號(hào)產(chǎn)生部分2.1電子式水位開(kāi)關(guān)電子式水位開(kāi)關(guān)工作原理：(常規(guī)尺寸為15OX2Omm、150X25mm等)通過(guò)內(nèi)置電子探頭對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，再由芯片對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)判斷到有水時(shí)，芯片輸出高電平24V或5V等，當(dāng)判斷到無(wú)水時(shí)，芯片輸出0V。高低電平的信號(hào)通過(guò)PLC或其它控制電路來(lái)讀取,并驅(qū)動(dòng)水泵等用電器工作。產(chǎn)品可以任意方向安裝，當(dāng)橫向安裝時(shí)，水位到達(dá)藍(lán)線就動(dòng)作，且精度較高。產(chǎn)品豎向安裝時(shí)，水位到達(dá)紅線就動(dòng)作，有一定的防波浪功能。產(chǎn)品用環(huán)氧樹(shù)脂封灌，密封防水，可長(zhǎng)期浸在液體中，外部無(wú)機(jī)械活動(dòng)部件，壽命長(zhǎng)。電子式水位開(kāi)關(guān)特點(diǎn)：特性：耐污、耐傾搖、耐顛簸、抗摔性強(qiáng)、耐酸堿，不怕磁場(chǎng)影響、不怕金屬體影響、不怕水壓變化影響、不怕光線影響，沒(méi)有盲區(qū)，不怕固體漂浮物的影響。適用范圍：清水、各種污水、酸堿水、海水、水處理藥劑、河涌水、紡織印染水、工業(yè)廢水，還適合做船舶水位開(kāi)關(guān)等適用行業(yè)：自來(lái)水廠、名貴水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、植物育種、水庫(kù)、供電房、污水處理行業(yè)等安裝方法：同一水位開(kāi)關(guān)，可以橫裝、豎裝、斜裝等不規(guī)則自由安裝，靈活方便。固定方法：簡(jiǎn)單易用，可用螺紋接口(M20)固定或管夾固定通過(guò)電子式水位開(kāi)關(guān)(BZ2401或BZ0501)和搭配的水位控制器(BZ201、BZ202)來(lái)控制，電子式水位開(kāi)關(guān)原理是通過(guò)電子探頭對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，再由水位檢測(cè)專用芯片對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)被測(cè)液體到達(dá)動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號(hào)，再配合水位控制器,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制。不需浮球和干簧管，外部無(wú)機(jī)械動(dòng)作,耐污耐用，不怕漂浮物影響，任意角度安裝，豎向安裝有一定的防波浪功能，適宜長(zhǎng)時(shí)間浸在水中，工作電壓是直流5-24V，很安全。舉例：把一個(gè)水位開(kāi)關(guān)放在高水位A位置，另一個(gè)水位開(kāi)關(guān)放在低水位B位置。當(dāng)水到達(dá)B位置時(shí)，繼電器閉合，此時(shí)可控制水泵或電磁閥的啟動(dòng)，開(kāi)始進(jìn)水；當(dāng)水上升到達(dá)高水位A位置時(shí)，繼電器斷開(kāi)，水泵或電磁閥斷電。然后水又到低水位B位置，不斷往復(fù)循環(huán)...…這種方式較實(shí)用，耐污，壽命長(zhǎng)，安全。2.2基本原理該部分的主要目的是產(chǎn)生有效的輸入信號(hào)，主要原理是利用水的弱導(dǎo)電性。水屬于弱導(dǎo)電質(zhì)，即使這樣也可以通過(guò)水來(lái)傳遞微弱的電信號(hào)。見(jiàn)于此原理，初步將該部分設(shè)計(jì)成由水面的上升與下降來(lái)控制電信號(hào)的接通與斷開(kāi)：當(dāng)水位上升時(shí)接通電信號(hào)；當(dāng)水位下降時(shí)斷開(kāi)電信號(hào)。在水塔里放上用來(lái)傳遞電信號(hào)的探頭，則水位上升到探頭位置時(shí)接通電信號(hào)；水位低于探頭位置時(shí)斷開(kāi)電信號(hào)。把電信號(hào)接通時(shí)設(shè)為有效信號(hào)即當(dāng)做輸入信號(hào)，而斷開(kāi)始設(shè)為無(wú)效信號(hào)，因此可以由電信號(hào)的接通與斷開(kāi)之間的變化產(chǎn)生信號(hào)當(dāng)做控制信號(hào)。在水塔的不同位置防止幾個(gè)探頭時(shí)就可以根據(jù)水位的高低接通某些探頭和斷開(kāi)某些探頭，因此只要知道每個(gè)探頭的具體位置，再根據(jù)其輸出電信號(hào)的情況就能大致確定水位的位置，將探頭輸出地電信號(hào)當(dāng)做輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后成為電路的控制信號(hào)。設(shè)計(jì)該部分主要在于探頭個(gè)數(shù)的選擇與探頭放置位置的選擇。因?yàn)樘筋^的個(gè)數(shù)關(guān)系到水位檢測(cè)的精確度：探頭個(gè)數(shù)越多，檢測(cè)點(diǎn)也就越多，檢測(cè)水位也就越準(zhǔn)確。但如果探頭太多就會(huì)給其他電路設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩：一個(gè)是信號(hào)處理的輸入端要多，一個(gè)是水位顯示也要有相應(yīng)的增加，加大了工作量。根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)疑水塔高8米，令該水塔水位到達(dá)7米或低于1米時(shí)報(bào)警，也就是水塔最起碼要有7米深，銀次可以將探頭個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)為八個(gè)，分別檢測(cè)八個(gè)點(diǎn)的水位，原理圖如下圖2-1所示。a~h為八個(gè)檢測(cè)探頭，其中a探頭到水箱底部的高度為1米，其他探頭一次放置在相差一米的位置上，即只能檢測(cè)到1~8米的水位，COM為公共電極，接+5v。為了提高精確度，將公共電極盡可能的靠近探頭，即使電極與探頭的距離盡量小，有利于電信號(hào)的傳遞。當(dāng)水位上升到探頭位置時(shí)，+5v電信號(hào)經(jīng)過(guò)介質(zhì)水接通到所在的探頭;而當(dāng)水為下井時(shí)斷開(kāi)。因此只要測(cè)出哪些探頭接通電信號(hào)時(shí)，就大概可以確定水位的高度。比如說(shuō)只有abed有電信號(hào)輸出，而efgh都沒(méi)有電信號(hào)輸出（或者說(shuō)輸出為低電平）時(shí)，就基本上可以確定水位在探頭d以上e以下，即在4~5米之間，再將該電信號(hào)輸入到信號(hào)處理部分進(jìn)行處理輸出相應(yīng)的控制信號(hào)即可。圖2-1探頭原理圖3信號(hào)處理與控制3.1信號(hào)放大部分該部分主要是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理輸出其他電路的控制信號(hào)。由于水的導(dǎo)電性十分微弱，由公共端通過(guò)探頭的電信號(hào)會(huì)很小，不一定能夠成為滿足電路工作的控制信號(hào)，因此，有必要先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大處理。根據(jù)原器件的功能可知，晶體管具有放大、飽和和截止三種工作狀態(tài)，可選用一種狀態(tài)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。下圖3-1即為用三極管對(duì)信號(hào)處理的原理圖信號(hào)輸出信號(hào)輒入 10kQhm J―*? ?——WV 圖3-1信號(hào)處理電路由探頭出來(lái)的電信號(hào)輸入到信號(hào)輸入端，由信號(hào)輸出端輸出。當(dāng)有電流從公共電擊流入探頭時(shí)，經(jīng)過(guò)電阻R到達(dá)晶體管Q的基極，此時(shí)三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電壓都正偏。當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓超過(guò)三極管的導(dǎo)通電壓時(shí)，由晶體管的工作條件可知此使其處于飽和的狀態(tài)，即相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合狀態(tài)，接通集電極與發(fā)射極，使集電極輸出為低電平。只要設(shè)計(jì)電阻R的組織合理，就能比較穩(wěn)定的是晶體管工作。晶體管Q選用NPN型硅管9014,主要參數(shù)如表3.1所示表3.1晶體管Q主要參數(shù)f(MHz)P(mW)BU(V)I(mA)導(dǎo)通電壓(V)>150450>451000.7二極管型極性號(hào)9014NPNR選用一般的電阻器，為安全起見(jiàn)，假設(shè)從探頭輸出的電流只有0.1mA，則電阻R上的電壓U=1000R，為了使三極管能夠?qū)?，則U>0.7V,即R>0.7k，可設(shè)R阻值為10k。電容C具有儲(chǔ)電、濾波作用，選用一般電解電容1。微法即可。經(jīng)過(guò)三極管處理的信號(hào)還只是一個(gè)低電平的信號(hào)，沒(méi)有控制其他電路工作的能力，還必須經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行處理。3.2信號(hào)處理與控制3.2.1單片機(jī)單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列AT89C51芯片如圖3-2所T.TTQ1T■:4京..-■JTP1FJpirr4JT.TTQ1T■:4京..-■JTP1FJpirr4J67—1111pFpPOOQ1CGB0衛(wèi)JI'衛(wèi)1213pP2122J?_u叮圖3-2單片機(jī)原理圖其中，P?？谟糜谛盘?hào)輸入；P1口用于控制電動(dòng)機(jī)動(dòng)作；P2口用于水位顯示和上、下限指示燈以及用于讀寫(xiě)控制和中斷等。3.2.2程序設(shè)計(jì)框圖程序設(shè)計(jì)框圖如下圖3-3所示

測(cè)量值高于上限值測(cè)量值低于下限值YYNN檢測(cè)輸入信號(hào)報(bào)警提示電機(jī)工作報(bào)警提示關(guān)閉電機(jī)顯示水位結(jié)束開(kāi)始測(cè)量值高于上限值測(cè)量值低于下限值YYNN檢測(cè)輸入信號(hào)報(bào)警提示電機(jī)工作報(bào)警提示關(guān)閉電機(jī)顯示水位結(jié)束開(kāi)始圖3-3程序框圖3.2.3程序代碼程序代碼如下：#include<reg51.h>sbitledP2A4sbitbellP2A5sbitmotorP1A1sbitDP2AQsbitCP2A1sbitBP2A2sbitAP2A3voidmain(){ unsignedchari;i=P0;while(1){switch(i){case'00000001':A=1,B=0,C=0,D=0;break;case'00000011':A=0,B=1,C=0,D=0;break;case'00000111':A=1,B=1,C=0,D=0;break;case'00001111':A=0,B=0,C=1,D=0;break;case'00011111':A=1,B=0,C=1,D=0;break;case'00111111':A=0,B=1,C=1,D=0;break;case'01111111':A=1,B=1,C=1,D=0;break;case'11111111':A=0,B=0,C=0,D=1;break;default:break;}if( ( A==1,B==0,C==0,D==0||(A==1,B==1,C==1,D==0))led=1,bell=1,motor=1;elseled=0,bell=0,motor=0;}}4水位顯示電路4.1七段顯示譯碼器簡(jiǎn)介4.1.1LED和LCD顯示器為了能以十進(jìn)制數(shù)碼直觀的顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前廣泛使用了氣短字符顯示器，或稱為七段數(shù)碼管。這種字符顯示器可發(fā)光的線段拼合而成。常見(jiàn)的七段七段字符顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器兩種。半導(dǎo)體數(shù)碼管的每個(gè)線段都是一個(gè)發(fā)光二極管，，因而也將它稱為L(zhǎng)ED數(shù)碼管。 半導(dǎo)體數(shù)碼管不僅具有工作電壓低，、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且響應(yīng)時(shí)間短，（一般不超過(guò)。.1微秒），亮度也比較高。他的工作缺點(diǎn)是工作電流比較大，每一段的工作電流在1。毫安左右。另一種常用的七段字符顯示器是液晶顯示器，簡(jiǎn)稱LCD。液晶顯示器的最大優(yōu)點(diǎn)是功耗極小，每平方厘米的功耗在1微瓦以下。他的工作電壓也很低，在1v以下仍能工作。但是與他本身不會(huì)發(fā)光，，僅僅靠反射外界光線顯示字形，所以亮度很差。此外他的響應(yīng)速度較低（在10~200ms范圍），這就限制了他在快速系統(tǒng)中的應(yīng)用。4.1.2BCD七段顯示譯碼器半導(dǎo)體數(shù)碼管和液晶顯示器都可以用TTL和CMOS集成電路直接驅(qū)動(dòng)。為此就需要是用顯示譯碼器將BCD碼譯成數(shù)碼管所需要的信號(hào)，以便使數(shù)碼管以十進(jìn)制數(shù)顯示出BCD碼所表示的數(shù)值。4.2基本原理4.2.1電路連接該部分主要是用七段數(shù)碼顯示器（LED）顯示水位。七段數(shù)碼顯示器一般有兩種接法：一種是共陰極接法；一種是共陽(yáng)極接法。無(wú)論哪種解法，其都是由七組發(fā)光二極管構(gòu)成，當(dāng)其為共陰極接法時(shí)，則對(duì)高電平有效，即要輸入高電平時(shí)才能使其點(diǎn)亮；當(dāng)其為共陽(yáng)極接法時(shí)，對(duì)低電平有效，只有輸入低電平時(shí)才會(huì)顯示，顯示器原理圖如下圖4-1（a）、（b）、（c）所示。圖4-1七段數(shù)碼管顯示器原理圖由原理圖可知，該顯示器有七個(gè)發(fā)光二極管，分別為a、b、c、d、e、f、g,因此，只要點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，就能使其顯示特定的數(shù)字，比如說(shuō)，對(duì)于共陰極接法的顯示器，同時(shí)對(duì)a、b、c短二極管點(diǎn)亮而其他的都滅，即顯示出數(shù)字“7”o該部分電路直接由顯示譯碼器對(duì)編碼信號(hào)譯碼后驅(qū)動(dòng)顯示器工作，電路圖如下圖4-2所示。圖4-2水位顯示電路DCBA為二進(jìn)制碼信號(hào)輸入端，a-g為譯碼后信號(hào)的輸出端。信號(hào)輸出后經(jīng)過(guò)限流電阻直接接到顯示器輸入端，驅(qū)動(dòng)顯示器工作。4.2.2元器件選擇經(jīng)過(guò)分析，譯碼器選用BCD-7段譯碼顯示器驅(qū)動(dòng)器7448；顯示器為共陰極七段數(shù)碼顯示器；R阻值為22。歐姆。7448譯碼器輸出高電平有效，用以驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器，其功能如下表4.1所示。表4.17448功能表十進(jìn)制輸入BI/RBO輸出LTRBIDCBAabcdefg。HHLLLLHHHHHHHL1H/LLLHHLHHLLLL2H/LLHLHHHLHHLH3H/LLHHHHHHHLLH4H/LHLLHLHHLLHH5H/LHLHHHLHHLHH6H/LHHLHLLHHHHH7H/LHHHHHHHLLLL8H/HLLLHHHHHHHH由功能表可以知道，當(dāng)輸入信號(hào)DCBA為二進(jìn)制碼。。。。，即相當(dāng)于十進(jìn)制的“?！睍r(shí)，輸出abcdefg為1111110,接到顯示器上的相應(yīng)輸入端即顯示數(shù)字“0”;當(dāng)DCBA為0101,即相對(duì)于十進(jìn)制的“5”時(shí),abcdefg輸出為1011011，接到顯示器時(shí)點(diǎn)亮a、c、d、f、g即顯示出“5”。5整體設(shè)計(jì)5.1整體設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的主要功能是使水箱中的水位保持在一定范圍內(nèi)（2米至7米之間）：當(dāng)水位低于最低水位（2米）時(shí)，電路自動(dòng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位上升，并產(chǎn)生報(bào)警報(bào)警信號(hào)報(bào)警；當(dāng)水位高于最高水位（7米）時(shí)，電機(jī)停止抽水，并報(bào)警。同時(shí)，該設(shè)計(jì)還應(yīng)該具有顯示各時(shí)刻水位的功能。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，每部分電路都應(yīng)該有其各自相應(yīng)的功能：首先由信號(hào)產(chǎn)生部分產(chǎn)生整個(gè)電路的輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理部分處理后輸出，產(chǎn)生其他電路的控制信號(hào)，控制其他電路工作：電機(jī)接收到由信號(hào)處理電路輸出的有效控制信號(hào)后正常工作驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)抽水，使水位上升，而水位的變化又直接關(guān)系到輸入信號(hào)的產(chǎn)生，因此有一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，即自動(dòng)使水位保持在一定范圍內(nèi)；水位顯示電路收到有效信號(hào)后驅(qū)動(dòng)顯示器工作，使其顯示該時(shí)刻的水位；水位超出限度時(shí)，輸出為報(bào)警電路的有效信號(hào)控制報(bào)警電路工作驅(qū)動(dòng)報(bào)警器報(bào)警。由”信號(hào)產(chǎn)生-----信號(hào)處理-----電機(jī)控制-----信號(hào)產(chǎn)生”這個(gè)循環(huán)就能使水塔具有自動(dòng)控制水位的能力。5.2整體設(shè)計(jì)框圖由任務(wù)分析可知，該設(shè)計(jì)電路主要有三個(gè)功能：水位控制，水位顯示與報(bào)警。而要有這些功能就必須要有使其工作的控制信號(hào)，所以首先電路必須要有其輸入信號(hào)，然后，通過(guò)單片機(jī)對(duì)此輸入信號(hào)進(jìn)行處理，使其輸出為其他電路的控制信號(hào)。因?yàn)槿蝿?wù)要求是自動(dòng)控制，所以輸入信號(hào)也必須由電路自己產(chǎn)生而不能人為加入。因此，可以將整個(gè)電路設(shè)計(jì)分為四個(gè)部分：信號(hào)產(chǎn)生部分、信號(hào)處理與控制部分、水位顯示電路部分和報(bào)警電路部分，整體電路設(shè)計(jì)框架如下圖5-1所示。圖5-1整體設(shè)計(jì)框圖5.3整體設(shè)計(jì)原理圖整體設(shè)計(jì)原理圖如圖5-2所示。水面123456783938373635343332U12 40VCC~-P0.0/AD0P2.0/A8P0.1/AD1P2.1/A9P0.2/AD2P2.2/A1P0.3/AD3P2.3/A1P0.4/AD4P2.4/A1P0.5/AD5P2.5/A1P0.6/AD6P2.6/A1P0.7/AD7P2.7/A1U35p112122237126DOD1D2D3OpC2Op1918319+5v22UfAT89C51R6WP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4水面123456783938373635343332U12 40VCC~-P0.0/AD0P2.0/A8P0.1/AD1P2.1/A9P0.2/AD2P2.2/A1P0.3/AD3P2.3/A1P0.4/AD4P2.4/A1P0.5/AD5P2.5/A1P0.6/AD6P2.6/A1P0.7/AD7P2.7/A1U35p112122237126DOD1D2D3OpC2Op1918319+5v22UfAT