基于單片機(jī)的水位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、1 概述 液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)， 它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都 有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中， 有很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控 制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值， 如在建材行業(yè)中， 玻璃窯爐液位的穩(wěn)定對 窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。 液位控制一般指對某一液位 進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。液體的液位的自動控制,是近年來 新開發(fā)的一項新技術(shù) ,它是微型計算機(jī)軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié) 合的產(chǎn)物 ,工程作業(yè)采用的是微機(jī)控制和原有的儀表控制 ,微機(jī)控制有以下明顯優(yōu) 勢: 1）直觀而集中的顯示各運行參數(shù) ,能顯示液位狀態(tài)。 2）在運行中可

2、以隨時方便的修改各種各樣的運行參數(shù)的控制值,并修改系統(tǒng) 的控制參數(shù) ,可以方便的改變液位的上限、下限。 3）具有水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人 員在監(jiān)控計算機(jī)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(chǎn)過程的實時性、安全性 綜合以上的種種優(yōu)點可以預(yù)見采用計算機(jī)控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。 單片 機(jī)是在一塊芯片上集成了一片微型計算機(jī)所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等 部件。單片機(jī)自問世以來 ,性能不斷提高和完善 ,體積小、速度快、功耗低的特點 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 ,干擾強(qiáng) ,利用單片機(jī) 控制就能克服

3、這些缺點 ,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 液體液位是很好的選擇。 目前我國在單片機(jī)測控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中 ,取得了很大的成績 ,總結(jié)了 很多經(jīng)驗 ,但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期 ,經(jīng)調(diào)查 ,更多科研究所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 ,著重生產(chǎn)實際的很少。 在上海 ,新型的單片機(jī)測控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚 ,在生產(chǎn)過程中需要 新型的測控裝置與系統(tǒng) ,因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人 員更著重的是生產(chǎn)實際研究 ,對理論、算法和成果的論文較少 ;深圳在研制新型的 測控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就 ,盡管與其他國家

4、比較尚有差距 ,但是 ,深圳的 高校、研究院所的最大的特點就是實際 ,與生產(chǎn)實際應(yīng)用項目無關(guān)的問題基本不 去考慮 ,主要考慮選取什么材料 ,測控什么物理量 ,優(yōu)點是什么 ,與機(jī)器設(shè)備的通訊 接口等等。 2 設(shè)計的基本任務(wù)和要求 2.1 基本功能 本設(shè)計是采用 AT89C51單片機(jī)為核心芯片 ,及其相關(guān)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(dāng)水體液位低于用 戶設(shè)定的值時 ,系統(tǒng)自動打開泵上水 ,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時 ,系統(tǒng)自動關(guān)閉水泵或 打開排水泵。 2.2 塔

5、水位控制原理 單片機(jī)水塔水位控制原理如圖 l 所示，圖中的虛線表示允許水位變化的上、 下限位置。在正常情況下水位應(yīng)控制在虛線范圍之內(nèi)。為此，在水塔內(nèi)的不同 高度處，安裝固定不變的 3根金屬棒 A、B、 C。用以反映水位變化的情況。其中， A棒在下限水位 B棒在上、下限水位之間， C棒在上限水位 （底端靠近水池底部 不 能過低，要保證有足夠大的流水量 ） 。水塔由電機(jī)帶動水泵供水。單片機(jī)控制電 機(jī)轉(zhuǎn)動，隨著供水，水位不斷上升當(dāng)水位上升到上限水位時，由于水的導(dǎo)電作 用。使B、C棒均與+5 V連通。因此b、C兩端的電壓都為 +5 V即為。 l ”狀態(tài)，此 時應(yīng)停止電機(jī)和水泵工作，不再向水塔注水；當(dāng)水

6、位處于上、下限之間時。B棒 和A棒導(dǎo)通而 C棒不能與 A棒導(dǎo)通， b端為“ r 狀態(tài)。 C端為“ O”狀態(tài)。此時電機(jī) 帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機(jī)不工作，水位不斷下降，都應(yīng)繼續(xù) 維持原有工作狀態(tài)；當(dāng)水位處于下限位置以下時， B、C棒均不能與 A棒導(dǎo)通， b、 c均為“ 0”狀態(tài)。此時應(yīng)啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動水泵給水塔注水 2.3 系統(tǒng)硬件總體方案 系統(tǒng)的原理是采用 8 個按鈕進(jìn)行水位檢測， 在現(xiàn)場的 3個不同的位置， 由下 至上測量水體的液位值 ,。并把這四個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器傳到單片機(jī)中 ,在 通過 3 位七段 LED 顯示器顯示出液位的三種狀態(tài)及報警安全提示。 用 LED 顯示

7、 是因為它具有顯示清晰、 亮度高、使用電壓低、 光電轉(zhuǎn)換效能高、 壽命長等特點， 根據(jù)當(dāng)前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進(jìn)行開、關(guān)水泵 ,需要是否開啟和 關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機(jī)。 3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計 3.1 系統(tǒng)硬件方案 系統(tǒng)方案設(shè)計液位控制是利用把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號 ,再通過模數(shù)轉(zhuǎn) 換器 AT89C51 把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的 I/O 接口，單片機(jī)經(jīng)過運算控制， 輸出數(shù)字信號，輸出接口接 LED 進(jìn)行顯示 ,實現(xiàn)液位的報警和鍵盤的顯示與控制； 圖 2 即是液位控制系統(tǒng)： 圖 2 液位控制系統(tǒng) 由上圖可觀察到傳感器通過對液面進(jìn)行測量， 輸出模擬信號， 再通過模數(shù)轉(zhuǎn) 號， 換器把輸入

8、的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過 AT89C51 單片機(jī)的運算控制，在 通過 LED 進(jìn)行顯示 ,通過報警裝置進(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)控制 ,閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機(jī) 3.2 核心芯片 AT89C51 單片機(jī) AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器( FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory )的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器， 俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的 單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除

9、1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集 和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片 中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精 簡版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉 的方案。外形及引腳排列如圖 3 所以。 圖 3 AT89C5 引腳圖 3.3 系統(tǒng)軟件總體方案 水位檢測是通過 8個按鈕進(jìn)行水位檢測的，當(dāng)水位到檢測位置其輸出端口就 向單片機(jī)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(dāng)水位高于 此位置時

10、， 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(dāng)水位高于此位置時， 控制系統(tǒng)會 自動關(guān)閉加水電磁閥， 停止加水； 第三個位置是自動加水線， 即當(dāng)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(dāng)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 電磁閥可能出故障如圖 4。 圖 4 水位控制流程圖 4.Proteus 設(shè)計與仿真 4.1 元器件清單 7SEG-COM-CAT-GRN LED 數(shù)碼管 AT89C1 單片機(jī) BUTTON 按鈕 CAP 電容 CAP-ELEC

11、 陶瓷電容 CRYSTAL 12 兆晶振 LED-RED 發(fā)光二極管 MOTOR-DC 電機(jī) RES 電阻 RESPACK-8 排阻 4.2 基于單片機(jī)水位控制原理圖 5 圖 5 水位控制原理圖 4.3 基于單片機(jī)的水位控制 PCB 圖 6 圖 6 水位控制 PCB 圖 4.4 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。 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit MOR=P27; sbit MOT=P

12、26; sbit LED=P20; code uchar tab=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66, 0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; void delay (uint n) while(n-); void LED_SHOW() if(P1=0 xfe) P0=tab8; LED=0; MOR=0; MOT=1; if(P1=0 xfd) P0=tab7; LED=0; MOR=0; MOT=1; if(P1=0 xfb) P0=tab6; LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xf7) P0=tab5; LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xfd) P0=tab4; LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xef) LED=1; MOR=1; MOT=1; if(P1=0 xdf) P0=tab2; LED=0; MOR=1; MOT=0; if(P1=0 xbf) P0=tab1; LED=0; MOR=1; MOT=0; if(P1=0 x7f) P0=tab0