液位控制系統(tǒng)設計

1、第1章緒論1第2章設計方案22.1方案舉例22.2方案比較32.3方案確定3第3章硬件設計43.1控制系統(tǒng)43.1.1 AT89C51 單片機43.1.2 AT89C51的信號引腳63.1.3單片機最小系統(tǒng)73.2感應系統(tǒng)83.3指示系統(tǒng)93.4液位控制系統(tǒng)103.5電機與報警系統(tǒng)11第4章軟件設計134.1延時子程序134.2感應系統(tǒng)程序134.3指示系統(tǒng)程序144.4電機和警報系統(tǒng)程序144.5液位預選系統(tǒng)程序154.6系統(tǒng)主流程圖17第5章系統(tǒng)測試185.1仿真測試過程195.2仿真結果21總結22致23參考文獻22附錄1系統(tǒng)仿真電路25附錄2源程序26第1章緒論21世紀，電子技術獲得了

2、飛速的發(fā)展，在其推動下，現代電子產品兒乎滲透了社會 的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現代電 子產品性能進一步提高，產品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。H前，單片機正初著高性能和多品種方向發(fā)展，它作為自動控制中的一個核心器件在 小型自動控制系統(tǒng)及信號采集方面已被廣泛應用，技術也相對成熟，向著CMOS化、低功 耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等兒個方面發(fā)展趨勢。單片機應 用的重要意義還在于它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。從前必須山 模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種 軟件代替硬件的控制

3、技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命。在傳統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)中，存在著自動化程度低、調節(jié)精度差的缺點，已經不符合當 今高效、低耗、低勞動強度的要求，同時會產生大量的污染。對于小型測控系統(tǒng)，一般可 采用以單片機為核心、配以接口電路和外圉設備，在編制應用程式的模式來實現。下面將介紹一個簡單的液位控制系統(tǒng)，可用于容器內液體存儲，例工、農用蓄水池, 居民社區(qū)水箱等方面。此系統(tǒng)采用以單片機為控制中心的技術，不僅能使控制系統(tǒng)具有精 度高、功能強、經濟性好的特點，還節(jié)約能源、利于環(huán)保。資料.第2章設計方案2.1方案舉例方案一：液體流入容量控制方式。對輸入容器的液體的管道進行監(jiān)控，根據流入體積 推算出

4、容器內液體液位高度。圖2-1液體流入容最控制系統(tǒng)結構框圖容量監(jiān)控系統(tǒng)：對進入容器的液體體積進行監(jiān)控。管道控制系統(tǒng)：控制管道對液體的傳輸情況。在液體向容器內部輸入時，通過對容量的監(jiān)控知道容器內的液體體積，在液體進入容 器內部的體積到達LI標時，控制輸送液體的管道，使液流停止，最終達到LI標液位。方案二：簡單的連通器控制方式。在LI標容器內連接連通器，使多余的液體導入副容 器，以致目標容器的液位達到目的液位。圖2-2連通器控制系統(tǒng)結構框圖在U標液位位置給U標容器連接連通器，在觀察到多余溢出的液體流入連通器內后, 停止液體輸送。方案三：采用單片機技術來實現液位控制的功能。系統(tǒng)以AT89C51單片機為

5、核心控 制器件，它除具有靈活強大的控制功能，以便實時檢測液位的傳遞信號、控制液位到達的 高低實現自動控制。圖2-3基于單片機實現的液位控制系統(tǒng)結構框圖感應系統(tǒng)：將感應到的液位信號傳遞給單片機控制器。控制指令：將控制信息傳遞給單片機，使液位到達預定位置。顯示系統(tǒng)：經過單片機辨別后，顯示當前系統(tǒng)工作和液位位置指示燈。電機與報警控制系統(tǒng)：單片機經過信息處理后，決定是否啟動電機和報警2.2方案比較方案一結構簡單，操作方便。但是自動化程度低，精度不高，控制響應時間慢，且只 能單獨控制。方案二結構簡單，成本低廉。但精度不高，無法顯示，浪費資源，自動化程度低。方案三不僅結構簡單，成本低廉，而且準確度高，自動

6、化高，節(jié)省人力資源，更重要 的是利用單片機控制后，由于其擁有多個引腳，在為添加功能時更改電路方便快捷，而且 內部程序可以進行反復輸入和擦除，在以后更改控制方法時只要更改程序內容就可以達到 相對應目的，省時省力，及其節(jié)約成本。2.3方案確定綜合考慮以上方案的優(yōu)缺點以及題口的基本要求和發(fā)揮要求，在本設計中，我采用了 第三種方案，即釆用單片機來實現液位控制的功能為我此次設計的方案。主控制器 AT89C51單片機與MCS51系列單片機產品兼容，內部自帶有4KB的Flash存儲器及256KB RAM單元，不需另外擴展EEPROM及靜態(tài)RAM,可以在線下載程序，易于日后的升級。第3章硬件設計該系統(tǒng)硬件設計

7、總體思想是以單片機為控制系統(tǒng)，接受感應信息并進行處理后，將控 制指令傳出，對各個系統(tǒng)進行對應操作。硬件設計總體框圖如圖所示。圖3-1硬件設計總體框圖控制系統(tǒng)：根據輸入信息進行處理，并將控制數據傳出。感應系統(tǒng)：將感應到的液位信號傳遞給單片機控制器。指示系統(tǒng)：經過單片機辨別后，顯示當前系統(tǒng)工作和液位位置指示燈。液位預選系統(tǒng)：將控制信息傳遞給單片機，使液位到達預定位置。電機與報警控制電路：單片機經過信息處理后，決定是否啟動電機和報警3.1控制系統(tǒng)該系統(tǒng)控制主要為單片機控制。單片機是單片微型計算機的簡稱，是指集成在一個芯 片上的微型計算機，它的各種功能部件，包括CPU、存儲器、基本輸入/輸出接口電路、

8、 定時/計數器和終端系統(tǒng)等，都制作在一塊集成芯片上，構成一個完整的微型訃算機。3.1.1 AT89C51 單片機單片機實質上是一個芯片。它具有結構簡單、控制功能強、可靠性高、體積小、價格 低等優(yōu)點，單片機技術作為計算機技術的一個重要分支，廣泛的應用于工業(yè)控制、智能化 儀器儀表、家用電器、電子玩具等各個領域。ATMEL公司生產的AT89C51單片機采用高性能的靜態(tài)80C51設計，并釆用先進工藝 制造，還帶有非易失性Flash程序存儲器。它是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理 芯片，市場應用最多。其主要特點如下：8KB Flash ROM,可以擦除1000次以上，數據 保存10年。技術特點有：

9、256字節(jié)內部RAM；電源控制模式；時鐘可停止和恢復；空閑 /掉電模式；6個中斷源；4個中斷優(yōu)先級；4個8位I/O 口；全雙工增強型TUAR： 3個 16位定時/計數器：TO、巧（標準80C51）和增加的T2 （捕獲和比較）；全靜態(tài)工作方式:024MHZ； AT89C51單片機的基本結構請參見圖3-2,各部分悄況介紹如下：中央處理器（CPU）:中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。AT89C51 的CPU能處理8位二進制數或代碼。內部數據存儲器（內部RAM） : AT89C51芯片中共有256個RAM單元，但其中后128 單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，

10、用于存放可讀寫 的數據。因此通常所說的內部數據存儲器就是指前128單元，簡稱內部RAM。內部程序存儲器（內部ROM） : AT89C51共有8KB掩膜ROM,用于存放程序、原始 數據或表格，因此稱之為程序存儲器，簡稱內部ROMo定時器/計數器：AT89C51共有2個16位的定時器/計數器，以實現定時或計數功能, 并以其定時或計數結果對計算機進行控制。TOT1PO Pl P2 P3INTO INTI圖3-2AT89C51單片機結構框圖并行I/O 口： AT89C51共有四個8位的I/O 口（PO、P1 P2、P3）,以實現數據的 并行輸入輸出。串行口： AT89C51單片機有一個全雙工的串行口，

11、以實現單片機和其它設備之間的 串行數據傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步 移位器使用。中斷控制系統(tǒng)：AT89C51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要。AT89C51 共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數中斷2個，串行中斷1個。全部中斷分為高 級和低級共二個優(yōu)先級別。時鐘電路：AT89C51芯片的內部有時鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHZ和12MHZo從上述內容可以看出，AT89C51雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應該具有的 基本部件它都包括，因此實際上它已是一個簡單的微型計算

12、機系統(tǒng)了。3.1.2 AT89C51的信號引腳AT89C51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，其引腳排列請參見圖33。引腳功能見表3仁ri.uveePlPO.OPl.2P0.1Pl.3P0.2Pl.4S051P0.3Pl.5P0.4Pl.6P0.5Pl.7P0.6RST/VPD_P0.7RXD P3.0EAZYEPIXD P3.1ALE/ERQCINK) P3.2PSENINTI P3.3P2.7TO P3.4P2.6ILP3.5P2.5RP3.6P2.4RD P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1VSSP2.098201()11EUU U 16 n Ts圖3-3MCS-5

13、1引腳393837363322-3130 29 2827262524232221引腳名稱引腳功能P0.0-P0.7P0 口 8位雙向端口線P1.0-P1.7P1 口 8位雙向端口線P20P27P2 口 8位雙向端口線P3.0-P3.7P3 口 8位雙向端口線ALE地址所存控制信號PSEN外部程序存儲器讀選通信號EA訪問程序存儲控制信號RST復位信號和 X7AL2外部晶體引線端Vcc+5V電源Vss地線表3-1 AT89C51引腳功能ALE：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控 制把P0 口輸出的低8位地址鎖存器鎖 存起來，以實現低位地址和數據的隔 離。此外由于ALE是以晶振六分之一 的固定頻率輸出的正脈

14、沖，因此可作 為外部時鐘或外部定時脈沖使用。PSEN：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時內麗有效（低電平），以 實現外部ROM單元的讀操作。EA：訪問程序存儲控制信號。當示信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部 程序存儲器；而當石信號為高電平時，則對ROM的讀操作是從內部程序存儲器開始, 并可延至外部程序存儲器。RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平即為有效，用以完 成單片機的復位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用于外接石 英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VSS：地線。VCC： +

15、5V 電源。山于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數U是有限制的。例如AF89C51系列把芯片 引腳數L!限定為40條，但單片機為實現其功能所需要的信號數LI卻遠遠超過此數，因此 就需要給一些信號引腳賦以雙重功能。如果把前述的信號定義為引腳第一功能的話，則根 據需要再定義的信號就是它的第二功能。最常用的是P3 口線的笫二功能詳見表3-2。表3-2 P3 口各引腳與第二功能表第一功能第二功能第二功能信號名稱P3.0RXD串行數據接收P3.1TXD審行數據發(fā)送P3.2INTO外部中斷0申請P3.3INTI外部中斷1申請P3.4TO定時器/汁數器0的外部 輸入P3.5T1定時器/計數器1的外部輸入P3.

16、6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通3.1.3單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，由單片機、時鐘電路、復位電路等組成 如圖34所示。主要負責各個模塊的初始化工作，讀取并處理時間、按鍵響應、顯示等。單片機的工作就是執(zhí)行用戶程序、指揮各部分硬件完成既定任務。單片機能夠工作的 最小電路還包括時鐘和復位電路。時鐘電路位單片機工作提供基本始終，復位電路用于將單片機內部各電路的狀態(tài)恢復 到初始值。單片機是一個負載的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的 時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作。時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信 號。時鐘電路是111

17、XT7XL1和XTAL2之間跨接的晶體振蕩器和微調電容構成。時鐘電路中 晶體振蕩器的頻率高則系統(tǒng)的時鐘頻率就高，所以該系統(tǒng)采用12MHz晶振，丄作周期為1USo資料.無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。單片機復 位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都恢復到一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始 工作。本系統(tǒng)中采用的是12MHz晶振，時鐘頻率為12MHz,每個機器周期為1us,需要 加上持續(xù)2us以上時間的高電平。復位電路有兩種形式:手動按鍵復位和上電復位，在本系統(tǒng)中采用的是手動按鍵復位。 如圖34所示，R1、C3和KEY1組成系統(tǒng)手動按鍵復位電路。L O19KTAL1

18、ponDOXTAL2ROTPD.UMD1P02QD2 PDJftD3PD.W4 PDSQDSPD6QD6PD.7XD7P2H翎P2.伽PSENALEP2.mi2閉P2靜心P2.71SP1DP3BHXDP1.1P3.1CDP12P13P31NT1P1.4P3.5P1SP3yriP16 P1.7P365RP3.7/HDU19圖3-4單片機垠小系統(tǒng)3.2感應系統(tǒng)為了使單片機在液位情況不同時進行判定，從而決定工作情況，我們要給單片機 傳遞液位的信息。感應系統(tǒng)LI的就是將感應到的液位的信息傳遞給單片機，所以需要 在容器中放置能夠感應出液位情況的感應器件，此系統(tǒng)中我們選用浮球液位汁。浮球液位計山浮球、插桿

19、等組成。根據排開液體體積相等原理浮于液面，當容器 的液位變化時浮球也隨著上下移動，山于磁性作用，浮球液位計的彈簧受磁性吸合, 把液面位置變化成電信號，通過磁耦合作用，使傳感器內電阻成線性變化，山智能轉 換器將電阻變化轉換成420mA標準電流信號，傳供給控制系統(tǒng)可實現液位的自動 檢測、控制和記錄。該儀器適用于石油、化工、電力、輕工及醫(yī)藥等行業(yè)污水處理及 各類常壓和承壓容器內介質液位的測量，尤其對于地下貯槽、貯罐的液位測量最為理 想。通過浮球液位計所傳出的電流信號，傳遞給單片機。如圖35所示，P1.0, P1.1.P1.2. P13為液位檢測信號傳遞的接口。P1.0端口接a位，P1.1端口 b位，

20、P1.2 端口接c位，P1.3端口接d位。浮球液位傳感器傳感需2031-U1XT/IL1XTJQL2R5T-Oc3Z-2PC3D 口 PC.1AD1 PC2aDZPC.4AD4P0SA05PD&AD6 PC.7AD7F2AW5F2IW9P22AI0 P23A：1P2.WM2P2W!4 P2.7W6旳”汕 P3.1/TXD P32/NTD 03WrF34JTT1P3琬丘ra.i/fo圖3-5信號傳遞系統(tǒng)3.3指不系統(tǒng)為了得知控制系統(tǒng)運轉時的悄況，我們需要給整個系統(tǒng)添加裝置來明示，表明系統(tǒng)的 進程、液體的位置，此系統(tǒng)中，采用連接指示燈來提供我們液位控制的必要的信息。如圖 3-6所示，P0.0、P0

21、.1、P0.2、P0.3、P0.4端口為單片機與液位位置和單片機工作指示燈 的控制和通信的數據端口。在單片機工作期間，除了表明工作進行的工作指示D5 會一直保持亮的狀態(tài)，其它指示燈會為表明液位的情況相應變亮，如表33所示。表3-3指示燈情況明示表液位情況亮狀態(tài)指示燈液體到達a位D1液體到達b位D1,D2液體到達c位D1,D2,D3液體到達d位D1,D2,D3,D4資料.RP1RESP.K-7U119J-XTAL1PODDDP0.1XXD1P02XD2XTAL2P03WD3P0.XD4PDSQDSPD6QD6RSTPD.7AD7P2H師P2.1 陽P22細口PSENP23411ALEP2.mi2

22、FAGTSP2 點42P2.7/A1SpmP3D用 XDP1.1P3.1/TXDP12P301NTDP13P3JL1WT1P1.4.P3.moP1SP3S*T1P15P3WRP1.7P3.7/HD15A19C$13937書34333221222324互262?25101112131XTAL1VTjCH -7punmouP0.1XKD1an人 1 LXPD.WlP0D69RSTPO.?ADrP2_Q豳P2.1W9P22ft1(JPSENP2 3Xft11ALEP2 .如21EAP2SXA13 P2XftU P2.WS1P1EP3aRX02P1.1P3.1/TXD3 3?蕪35 i33323位SJ

23、AkSPSrp21b飩/孚r222324-c苗gvvopSt10 11 亙 U JS 15 1?圖3-7液位控制系統(tǒng)3.5電機與報警系統(tǒng)單片機在接受和判斷傳輸進來的信息后根據程序來控制電機的運轉和警報的鳴響。如 圖3-7, P30、P3.1為電機和報警器的控制端口，P3.0端口連接電機控制電路，在端口 發(fā)出高電平時，會啟動光耦合器，使電路中得電磁繼電器閉合，導通電機電路，使電機轉 動將液體送入容器。其工作狀態(tài)如表34。-4-12R3U119KTAL1POnttDOPU.IDIP0D2)CTAL2P03WD3PD .4,0 4-PDS3DSPD63D6RSTpn 7XftD7P211WR2 1X

24、P22X0;y-);for(x=z;x0;x-);其中Z為自定義函數，在調用時插入語句“delay”即可啟動延時，而其中的延時時間為ZXHOuSo4.2感應系統(tǒng)程序山硬件系統(tǒng)可知，單片機的P1端口接入的是液位的感應端，山于感應端的關系，在 感應高位的端口時低端的感應器一定感應到了液位，所以端口會山于液位上漲依次接收到 電信號，相對應得函數程序，流程及其相應程序為：/液位無感應無信號。/a位有感應信號。/a位、b位有感應信號。/a位、b位、c位有感應信號/四個液位檔均有感應信號。圖4-2液位感應流程圖液位和單片機匚作指示燈的控制和通信的數據接入單片機的P0端口。當端口處于高 電平時指示燈就會變亮

25、，而控制端口的高低電平就是單片機和其內部的程序，當感應到液 位信號后，作出對應指令。P0.4端口的工作指示燈在單片機工作時一直都要保持亮的狀態(tài)，所以我們需要P0.4 一直為高電平。工作指示 燈D5亮液位指示燈D1亮液位指示 燈D2亮液位指示燈D3亮液位指示 燈D4亮if（P1=OxfO）PO=OxfO;if（P1=0xf1） P0=0xf1;if（P1=0xf3）P0=0xf3;jf（P1=0xf7）P0=0xf7;if （P1=0xff）PO=Oxff;/液位指感應無信號/只有工作指示燈殼/a位有感應信號/ a位指示燈亮/a位、b位有感應信號/a位、b位指示燈殼/a位、b位、c位有感應信號/

26、a位、b位、c位指示燈亮四個液位檔均有感應信號/四個液位指示燈全亮P4端口的函數指令、流程及其相應程序如下:圖4-3抬示燈系統(tǒng)流程圖4.4電機和警報系統(tǒng)程序單片機的P3.0、P3.1為電機和報警器的控制端口，利用程序語言將這兩個端口定義岀 來，更為方便簡單的控制，例：sbit P3O=P3AO;sbit P31=P3A1;/電機端口,將P3.0接口定義為P30。/報警器端口,將P3.1接口定義為P31。相應端口為高電平時會導致電機啟動，報警器鳴叫，系統(tǒng)流程圖如下:P2.0、P2.1、P2.2為液位預選控制的數據傳送端口，不同的感應端口接收到信號后, 通過單片機控制電機和報警器。流程圖如下：圖4

27、-5液位控制系統(tǒng)流程圖/a位、b位、c位有感應信號/a位、b位、c位指示燈亮/c位預選開關按下/電機停/報警a位控制：if (P1 =Oxf 1)P0=0xf1;if(P20=0)P30=0;P31=1;b位控制：if(P1=0xf3)P0=0xf3;if(P21=0)P30=0;P31=1;c位控制：if(P1=0xf7)P0=0xf7;if(P22=0)P30=0;P31=1;/a位有感應信號/ a位指示燈亮/a位預選開關按下/電機停/報警/ a位、b位有感應信號/ a位、b位指示燈殼b位預選開關按下/電機停/報警資料.液位達到d位時，點機會自動停止，報警器鳴叫，程序如下:if (P1=0

28、xff)/ a位、b位、c位、d位均有感應信號PO=Oxff;/a位、b位、c位、d位水指示燈全亮P30=0;/電機停P31=1;/報警4.6系統(tǒng)主流程圖系統(tǒng)的軟件主流程圖如圖牛6所示。圖4-6主程序流程圖系統(tǒng)程序詳見附錄2o第5章系統(tǒng)測試本設計的核心是米用AF89C51單片機，外部連接電子電路，構成了一個多位控制的 液位控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的仿真采用PROTEUS軟件，山于軟件內沒有浮球等液位感應器，所以連接簡 單電路代替。如圖51所示,設有4個接地開關SW1-SW4,對液位進行仿真控制如果沒 有開關斷開，就相當于液體低于a位，電機會自動運行。但要注意，在液位處于高液位 時液位肯定浸沒過低液位，

29、所以在表示高液位開關斷開時，低于此液位的開關也要處于斷 開狀態(tài)，對應仿真情況如表5仁I R6|I R7|1 R8|ink10k10kR910kSW1GW2GW3SW4AKTAUPUBWDUXTAL2P01/AD1 PDD2RCTPnJAD4 PC36SD6 PD6WD6 pn?XftD?FSEITP2OWSP22X1DP23411ALEP2.4JW120P2XWWP1DP2&A 億P2.7XM6P3M?X0P1.1P3.1/TXDPINpirnuP13P33NT1P1.4P3.VTUPldpjxmP1P3S3-一1aF=f i-l圖5-1信號傳遞仿真系統(tǒng)表51液位情況仿真表液位悄況開關狀態(tài)未檢

30、測到液 體開關全部閉合液體到達a位SW1斷開，其他開關全閉 合液體到達b位SW1, SW2斷開，其他開關閉合液體到達cSW4閉合，其他開關全斷位開液體到達d位開關全部斷開5.1仿真測試過程進行系統(tǒng)仿真。運行系統(tǒng)，開始傳感器無感應（如圖51） , P0.4端口保持高電平，D5會保持亮的狀態(tài)說明系統(tǒng)正在運行（如圖52所示），此時程序會使P3.0端口為高電平，P3.1端口為低電平，而當P3.1端口為髙低電平，會使報警電路導通，才能使報警器會鳴叫。19U1XTAL1 XTAIZP8EMALEEAPOXTADD PO.VAO 1PD3D：3PO./AD 4 POLADS POA*ADG PO.T/AD?PNZTAZ PZ.IfAS PZNMD 愆工Ml P2.0U2 P2A13P7 7/A1CTAL1PDDftDOP 0.1 ADIP 02X0 2KTA12P 030 3P