基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、天 津 大 學(xué) 網(wǎng) 絡(luò) 教 育 學(xué) 院專科畢業(yè)論文題目：基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日學(xué)習(xí)中心：嘉興專業(yè)名稱：電氣自動化技術(shù)學(xué)生姓名：姚國洲學(xué)生學(xué)號：132092433074指導(dǎo)教師：黃凱天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院?？飘厴I(yè)論文基于單片機的水位控制系統(tǒng)設(shè)計 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行控制調(diào)節(jié)，使

2、其達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)采用的是微機控制和原有的儀表控制,微機控制有以下明顯優(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)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(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)見采用計算機控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單

3、片機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來,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,利用單片機控制就能克服這些缺點,因此單片機在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,使用單片機控制液體液位是很好的選擇。目前我國在單片機測控裝置研究、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

4、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

5、安全提示,當水體液位低于用戶設(shè)定的值時,系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設(shè)定值時,系統(tǒng)自動關(guān)閉水泵或打開排水泵。2.2塔水位控制原理單片機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)。水塔由電機帶動水泵供水。單片機控制電機轉(zhuǎn)動，隨著供水，水位不斷上升當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

6、都為+5 V即為。l”狀態(tài)，此時應(yīng)停止電機和水泵工作，不再向水塔注水；當水位處于上、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)。此時電機帶動水泵給水塔注水，使水位上升，還是電機不工作，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

7、LED顯示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)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開、關(guān)水泵,需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機。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)直接接到單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接LED進行顯示,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行測量，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過AT89C51單片機的運算控制

8、，在通過LED進行顯示,通過報警裝置進行報警,報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對水體的液位進行調(diào)節(jié)控制,閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。3.2 核心芯片AT89C51單片機AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash 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。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。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除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)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將

9、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個按鈕進行水位檢測的，當水位到檢測位置其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，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，

10、即當水位低于此位置時，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-GRNLED數(shù)碼管AT89C1單片機BUTTON按鈕CAP電容CAP-ELEC陶瓷電容CRYSTAL12兆晶振LED-RED發(fā)光二極管MOTOR-DC電機RES電阻RESPACK-8排阻4.2基于單片機水位控制原理圖5圖5水位控制原理圖4.3基于單片機的水位控制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

11、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<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit MOR=P27;sbit MOT=P26;sbit LED=P20;code uchar tab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;void delay (uint n)while(n-);void LED_SHOW()if(P1=0xfe) P0=tab8;LE

12、D=0;MOR=0;MOT=1; if(P1=0xfd) P0=tab7; LED=0;MOR=0;MOT=1; if(P1=0xfb) P0=tab6; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xf7) P0=tab5; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xfd) P0=tab4; LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xef) LED=1;MOR=1;MOT=1; if(P1=0xdf) P0=tab2; LED=0;MOR=1;MOT=0; if(P1=0xbf) P0=tab1; LED=0;MOR=1;MOT=0; if(P1=0x7f)

13、P0=tab0;LED=0;MOR=1;MOT=0; void main()while(1) LED_SHOW();4.5 實驗仿真結(jié)果根據(jù)所設(shè)計系統(tǒng)的軟件流程圖，編寫相應(yīng)的程序在Pro-teus軟件環(huán)境下實際仿真，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功實現(xiàn)了水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，具有良好的檢測控制功能，可移植性和擴展性強。通過制作PCB板子，該系統(tǒng)已成功運用于某實驗水冷卻系統(tǒng)。4.6 結(jié)語該系統(tǒng)設(shè)計是基于在單片機嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計的，充分利用單片機強大控制功能和方便通信接口，該檢測控制系統(tǒng)在實驗室某實驗水冷卻系統(tǒng)得到成功實踐，實現(xiàn)水位檢測、電機故障檢測、處理和報警等功能，提高了實驗的自

14、動控制能力。進一步優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，可為實時實現(xiàn)遠端控制，因此，該系統(tǒng)在農(nóng)村水塔，城市水源檢測控制等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。5 設(shè)計體會設(shè)計過程中我遇到了很多的困難，因為知識是不連貫的，所以需要準備很多方面的知識去融合，去聯(lián)系。由于在學(xué)習(xí)的時候更注重的是書面上的東西，而本次課程設(shè)計更多的是鍛煉了我的動手動腦能力，讓我有機會把課上學(xué)習(xí)的知識轉(zhuǎn)化為可以在實際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的技術(shù)。本次課程設(shè)計的系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測控制，介紹了AT89C51單片機和其它一些單片機在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，利用LED來進行信號的輸出顯示,我設(shè)計的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)精度高

15、，具有良好的人機交互功能,并設(shè)有液位報警，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。通過自動調(diào)節(jié)控制液位并實現(xiàn)水體的液位報警。液位控制在設(shè)定值上正常運行不需要人工干預(yù)，操作人員勞動強度小。通過本次課程設(shè)計，我了解到自己的知識應(yīng)該充分利用在實踐上，在實踐中把書本上的知識固化成自己的能力。在設(shè)計系統(tǒng)的時候也有很多的想法，但是有一些想法被否定了，最終完成設(shè)計的時候優(yōu)先考慮了在課程上學(xué)習(xí)到的知識，并且和單片機、電子電路的知識結(jié)合起來。這次設(shè)計之后，我感覺到自己在自動化專業(yè)上的學(xué)習(xí)應(yīng)該還有很長的路走，自動化是一個很有前途的行業(yè)，它涉及了生產(chǎn)生活的多個方面，對人們的影響可想而知，所以，學(xué)好自動化專業(yè)的知識不僅僅是對自己能力提升和自我價值的實現(xiàn)，更是一件很有意義，可以讓自己有所感觸，有所收獲的事業(yè)。在最后，我很感謝所有傳授我知識的老師，和關(guān)心幫助我的同學(xué)，也很榮幸自己可以和自動化結(jié)下不解之緣參考文獻1 王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測與控制技術(shù) 成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1986.2 王驥程.化工過程控制工程 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1981.3 謝自美.電子線路設(shè)計、實驗與測試 .華中科技大學(xué)出版社，2003.4 楊國志,王立峰,楊東光,.實用電子制作實例 .福建科學(xué)技術(shù)出版社，2000.5 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及用 電子工業(yè)出版社，2000.6 王永平，陳建華.基于S7200PLC的高性能