開題報(bào)告基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 化工自動化學(xué)院 學(xué) 號： 1201 專業(yè)班級： 101 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 20年 月 7日一、課題基本情況1. 課題的來源及選題的依據(jù)隨著我國的國民經(jīng)濟(jì)與生活水平的發(fā)展，各個行業(yè)對自動化的需求也日益增加，為減少污染、節(jié)約資源，單片機(jī)的控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。無論是在工業(yè)生產(chǎn)中，還是在其他行業(yè)，水都是人們生活中不可或缺的資源，大部分都會使用到水箱，水箱里的水位控制就是最重要的問題了，以前都會有專門的人看管，既浪費(fèi)人力、財(cái)力，又不能準(zhǔn)確的判斷水位高低。所以以單片機(jī)控制水箱的水位就得到了廣泛應(yīng)用。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中，常常會需要對容器中的水位進(jìn)行自動控制。比如自動控制冰箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補(bǔ)水控制、自動電熱水器、電開水機(jī)的自動進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)要求不同、精度不同，但是基本的控制原理可以歸納為一般的反饋控制方式，他們的主要區(qū)別在于檢測水位的方式、反饋方式、以及控制器上的區(qū)別。目前我國在單片機(jī)測量和控制裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中，取得了很大的成績，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期，經(jīng)調(diào)查，更多科研研究在這方面開展的工作更看重的是理論和算法，數(shù)年來這方面的研究的論文較多，但著重生產(chǎn)實(shí)際的很少。本論文將致力于改善這一狀況，解決生產(chǎn)生活所可能遇到的普遍性問題，為設(shè)計(jì)者提供參考。2. 國內(nèi)外的研究動態(tài)及水平一些發(fā)達(dá)國家在單片機(jī)新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上，已積累了很多經(jīng)驗(yàn)，奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗(yàn)上，與其他發(fā)達(dá)國家相比還存在差距，但是我國的研究人員已經(jīng)克服很多困難，并在不斷地摸索中前進(jìn)，有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平，這是發(fā)展趨勢。液位測量的方法比較多，依據(jù)測量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型。1.接觸式測量法接觸式測量法是指測量用傳感器直接與容器內(nèi)存儲液體相接觸，從而獲得測量參數(shù)的方法。(1)人工檢尺法利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，這種方法具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但人為讀數(shù)誤差大、無法實(shí)現(xiàn)自動檢測和操作。(2)電參數(shù)測量法常見的有電阻法、光電法、測重法、電容法、浮標(biāo)法及聲光電的反射回波法等。2.非接觸式測量法非接觸式測量法包括超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法等。其特點(diǎn)是測量手段并不采用浮子之類的固態(tài)物，而是利用聲、光、射線、磁場等的能量。液位傳感器不和被測介質(zhì)接觸，不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，故適用范圍廣泛。特別是接觸式測量裝置不能適用的特殊場合，如高粘度、強(qiáng)腐蝕性、污染性強(qiáng)，易結(jié)晶的介質(zhì)。下面簡單介紹超聲波法和微波法的測量原理。(1)超聲波法：換能裝置將電功率脈沖轉(zhuǎn)換為超聲波，射向液面，經(jīng)液面反射后再由換能器將該超聲波轉(zhuǎn)換為電信號，超聲波法可用于多液面的測量。 (2)微波法：微波通過天線輻射出去，經(jīng)液面反射后被天線接收，然后由二次電路計(jì)算發(fā)射信號與接收信號的時間差得出液位。3. 本課題的目的及意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量技術(shù)和控制技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)測量控制設(shè)備、技術(shù)和方法在自動測量控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，有許多需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控制的地方，使其高精度的保持在給定的數(shù)值。液位控制一般指對某一液位進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使其達(dá)到所要要求的精度。液體的液位控制是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新的技術(shù)，它是自動控制、微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。本設(shè)計(jì)以水塔供水為模型，鑒于單片機(jī)液位控制裝置的重復(fù)性好、功耗低、測量準(zhǔn)確、使用壽命長等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的液位控制系統(tǒng)，具有實(shí)時液位測量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理等功能。4. 預(yù)期目標(biāo)單片機(jī)自問世以來，性能不斷地提高和完善，體積小、速度快、功率低的特點(diǎn)使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般，工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差，干擾性強(qiáng)，利用單片機(jī)控制就能克服這些缺點(diǎn)，因此單片機(jī)在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，使用單片機(jī)控制液體的水位是個很好的選擇?；?1單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)既滿足系統(tǒng)精度的要求，同時具有可靠性。如果仍然使用人工的方式，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，因此必須進(jìn)行自動化控制系統(tǒng)的改造。從而實(shí)現(xiàn)提供足夠的水量、平穩(wěn)的水壓的自動控制有設(shè)計(jì)低成本、高實(shí)用價值的控制器。由于自動化技術(shù)在礦企業(yè)的廣泛應(yīng)用，水位自動控制技術(shù)越來越頻繁地進(jìn)入到自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的視線。本課題的水位控制技術(shù)采用液位傳感器和壓力傳感器對液位高度和壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控；預(yù)期目標(biāo)是：當(dāng)水位和壓力超出規(guī)定范圍時，系統(tǒng)能夠自動調(diào)整水位和水壓，使其落在規(guī)定的范圍內(nèi)；當(dāng)水位和水壓低于規(guī)定范圍時，就控制水泵工作抽水，使水塔內(nèi)的水位和水壓上升，到達(dá)規(guī)定高度。而達(dá)到不用人工專門去控制即可使水位保持在一定范圍內(nèi)的目的。二、課題設(shè)計(jì)擬采用方法和手段 對于水位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有兩種，一種是使用簡單的機(jī)械式控制裝置進(jìn)行控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下。 （1）簡單的機(jī)械式控制方式。其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。但是存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外也很容易引起誤動作，且只能單獨(dú)控制。（2）復(fù)雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過多路切換、A/D變換成數(shù)字信號傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量來控制其輸出電壓變化，以達(dá)到控制水箱水位的目的。針對上述兩種控制方式，以及綜合考慮設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求。本設(shè)計(jì)選擇第二種控制方式，并加以改進(jìn)。最終形成的控制方案如圖1所示，利用單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實(shí)時檢測水箱的水位高度，并與開始預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行水位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的與設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報(bào)警，斷開繼電器，控制水泵停止上水，檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實(shí)時顯示測量值，從而實(shí)現(xiàn)對水箱水位的監(jiān)控。水壓檢測電路水位檢測電路報(bào)警設(shè)備AT89C51抽水水泵數(shù)碼管顯示電路排水水泵輸出驅(qū)動電路AD0809轉(zhuǎn)換器鍵盤輸入圖1.單片機(jī)液位控制系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89C51、數(shù)碼管顯示器、報(bào)警器、鍵盤、傳感器和其它基本外圍電路組成。要求：對液位傳感器采集的液位信息進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，并設(shè)計(jì)其前端數(shù)據(jù)采集與相應(yīng)的輸出控制硬件電路，完成相應(yīng)的單片機(jī)軟件控制設(shè)計(jì)。液位信息經(jīng)傳感器采集后送入單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行控制并送到數(shù)碼管顯示，可用鍵盤輸入需要控制液位的上、下限。1. 硬件電路設(shè)計(jì)水位控制系統(tǒng)的硬件主要由AT89C51單片機(jī)，水位檢測電路，水壓檢測傳感器(變送器)，報(bào)警電路，數(shù)碼管顯示電路，輸出驅(qū)動電路，排水電動機(jī)控制電路，鍵盤輸入電路，抽水電動機(jī)控制電路，AD0809轉(zhuǎn)換器等組成。1.1 單片機(jī)(1)單片機(jī)的功能和特點(diǎn) 單片機(jī)采用由ATMEL公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，芯片引腳如下圖2所示。其中，P0口用于A/D轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接鍵盤；P2口用于控制電磁閥；P3口用于報(bào)警以及AD轉(zhuǎn)換控制，下面具體介紹各個接口的功能。圖2.8051單片機(jī)引腳圖P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。(2)單片機(jī)的工作過程單片機(jī)自動完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條一條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的的全部任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列的指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲功能的部件存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單元）組成，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號成為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機(jī)在執(zhí)行程序時要把這些指令一條一條取出并執(zhí)行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內(nèi)容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路(1) ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)A/D轉(zhuǎn)化電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方法編制A/D轉(zhuǎn)換程序。在接線時先經(jīng)過運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后輸入A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809的引腳圖如圖3所示。ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：圖3. ADC0809引腳圖START轉(zhuǎn)換啟動信號。START上升沿時，復(fù)位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。CLK時鐘信號。ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHZ的時鐘信號。EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請求信號使用。OE輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分別是：分辨率和轉(zhuǎn)換速率。分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量。 1.3數(shù)碼管顯示和鍵盤電路圖4.鍵盤電路數(shù)碼管顯示電路和鍵盤電路一起設(shè)計(jì)，數(shù)碼管顯示電路由四位一體共陽極數(shù)碼管及其驅(qū)動三極管組成，分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示，為了系統(tǒng)的優(yōu)化和省電，本設(shè)計(jì)采用動態(tài)顯示。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段?？紤]到本設(shè)計(jì)實(shí)際需要的按鍵較少，故采用獨(dú)立式鍵盤接口電路。它是將每個獨(dú)立按鍵按一對一的方式直接接到單片機(jī)的I/O口上，通過程序掃描查詢方式實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)系統(tǒng)交互的。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時，相應(yīng)的I/O端口變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。圖中，S2S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過按動它們實(shí)現(xiàn)對高低警戒液位的設(shè)置。具體來說，S3、S4分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字的增一與減一，S2、S5則作為高低警戒液位的模式選擇和確認(rèn)鍵。2. 軟件設(shè)計(jì)主程序包括系統(tǒng)初始化函數(shù)、按鍵函數(shù)、水位監(jiān)測和電動機(jī)控制函數(shù)以及水壓檢測函數(shù)。統(tǒng)主程序的功能主要是完成對單片機(jī)的初始化，設(shè)置警戒液位的上下限，實(shí)時顯示液位值以及鍵盤掃描等工作。主要的程序流程分為如下幾個部分。該模塊在系統(tǒng)上電開機(jī)時將系統(tǒng)端口、數(shù)據(jù)存儲區(qū)、標(biāo)志位、指針、地址等賦予有含義的值。圖5. 主程序流程圖三、完成課題所需條件根據(jù)本課題所擬定的設(shè)計(jì)方法和手段，首先系統(tǒng)需要經(jīng)過硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個基本步驟后，然后經(jīng)過測試，觀察實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果是否滿足本設(shè)計(jì)的要求和目的，如果出現(xiàn)錯誤要及時查找出錯的地方，并且通過查找資料，以適當(dāng)?shù)姆椒ㄐ薷南到y(tǒng)出現(xiàn)的錯誤；在沒有錯誤的情況下，可以由實(shí)驗(yàn)仿真的情況，根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)出實(shí)物，之后不斷檢驗(yàn)系統(tǒng)會不會出現(xiàn)不穩(wěn)定、故障等其他錯誤，之后優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體具體所需條件如下。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和目的，查找所需的硬件設(shè)備，例如單片機(jī)、ADC0809轉(zhuǎn)換器、7端數(shù)碼管顯示器等。然后在proteus仿真軟件上找到所需的硬件設(shè)備，通過查找相關(guān)資料和學(xué)習(xí)，準(zhǔn)確連接各個設(shè)備，如果仿真不順利，可以稍微修改硬件設(shè)計(jì)，但是大致上硬件設(shè)計(jì)要符合要求和滿足目的。在連接好硬件設(shè)備之后，需要在keil軟件上編寫仿真程序，可以查閱相關(guān)書籍和知識，鞏固單片機(jī)匯編語言知識，使自己的編程思維更加適合編寫單片機(jī)程序。編寫程序時，需要保證編寫程序正確，邏輯合理，然后在proteus仿真軟件上加載，進(jìn)行仿真測試。通過仿真測試，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)想法是否合理，檢查設(shè)計(jì)功能是否可以實(shí)現(xiàn)。所以這一步是最關(guān)鍵的，它不僅關(guān)乎設(shè)計(jì)最后成果的好壞，而且也是最困難的一步，綜合了硬件和軟件設(shè)計(jì)，因此反復(fù)修改錯誤是必不可少的。修改完成和測試通過后，需要與老師和同學(xué)討論改進(jìn)方法，以便真正的設(shè)計(jì)出實(shí)物。將設(shè)計(jì)好的仿真控制系統(tǒng)付諸實(shí)際。購買實(shí)際的硬件設(shè)備，通過實(shí)際動手操作，檢驗(yàn)系統(tǒng)能否真正的工作。這一步是對上一步完成仿真設(shè)計(jì)的超越，需要動手能力和耐心，將硬件設(shè)備焊接在PCB板上，由PC機(jī)下載程序到實(shí)際的單片機(jī)中，在開啟單片機(jī)構(gòu)成的液位控制系統(tǒng)后，通過加校驗(yàn)信號給控制系統(tǒng)，完成最終測試。 四、課題進(jìn)度安排第1周 了解課題，著手準(zhǔn)備深入課題所需資料和相關(guān)知識第2周 擬定設(shè)計(jì)方案，撰寫開題報(bào)告和外文翻譯第3周 查找資料，深入理解硬件設(shè)備第4周 設(shè)計(jì)檢測液位和水壓電路第5周 設(shè)計(jì)ADC轉(zhuǎn)換電路第6周 設(shè)計(jì)鍵盤顯示電路第7周 設(shè)計(jì)單片機(jī)驅(qū)動電機(jī)電路第8周 根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，在proteus軟件畫出硬件圖第9周 查閱文獻(xiàn)，進(jìn)行軟件邏輯框圖設(shè)計(jì)第10周 根據(jù)軟件邏輯框圖，在keil軟件中學(xué)習(xí)編寫程序第11周 設(shè)計(jì)液位檢測程序第12周 設(shè)計(jì)水壓和AD轉(zhuǎn)換程序第13周 設(shè)計(jì)鍵盤顯示程序第14周 設(shè)計(jì)驅(qū)動電機(jī)程序第15周 將所有程序進(jìn)行編譯和測試第16周 檢查最后仿真測試結(jié)果，找到改進(jìn)措施第17周 準(zhǔn)備答辯第18周 答辯五、參考文獻(xiàn)1 蔡黎一種基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)J儀器儀表用戶，2007，14（4）：44-452 陳霞，白小軍基于單片機(jī)的液位監(jiān)控系統(tǒng)J武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（3）：3-63 陳新昌，王萬章單片機(jī)在水位控制中的應(yīng)用J信息科技，2006（24）：89-90,944 胡漢才單片機(jī)原理及接口技術(shù)M北京：清華大學(xué)出版社，20025 JennSen Leu,Papamarcou A.On Estimating the Spectral Exponent of Fractional Brow nine Motion J.IEEE Trans. Information Theory ,1995,41(1):233-2446 Szu Chu Liu,Shyang Chang.Dimension Estimation of Discrete time Fractional Brow nian Motion with App