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文檔簡介

1、計算機(jī)控制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書儲水罐液位控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)院名稱學(xué)號班級專業(yè)名稱指導(dǎo)教師2014年6月3日摘要本文主要設(shè)計了一種液位控制器,它以8051作為控制器,通過8051單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計方法,實現(xiàn)具有液位檢測報警和控制雙重功能,并對液位值進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的液位控制,在設(shè)計中主要有水位檢測、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)液位控制。主要用水位傳感器檢測水位,用六個控制按鍵來實現(xiàn)按健控制,用三位7段LED顯示器來完成顯示部分,用變頻器來控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速,并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把這些信號送入單片機(jī)中。把這些信號與單片機(jī)中內(nèi)部設(shè)定的值相比,以

2、判斷單片機(jī)是否需要進(jìn)行相應(yīng)的操作,即是否需要開啟補(bǔ)水泵或排水泵,來實現(xiàn)對液面的控制,從而實現(xiàn)單片機(jī)自動控制液面的目的。本設(shè)計用單片機(jī)控制,易于實現(xiàn)液位的控制,而且有造價低、程序易于調(diào)試、一部分出現(xiàn)故障不會影響其他部分的工作、維修方便、等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞 8051單片機(jī);模數(shù)轉(zhuǎn)換;水位控制;自動控制目 錄1緒論11.1課題背景11.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀11.3題目說明21.4系統(tǒng)的總體研究方案3系統(tǒng)硬件總體方案31.4.2 系統(tǒng)軟件總體方案32 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理42.1結(jié)構(gòu)框圖42.2工作原理43系統(tǒng)模型的建立54系統(tǒng)硬件設(shè)計74.1微控制器選擇74.1.1 80C51電源74.1.2 80

3、C51時鐘74.1.3 80C51 控制線74.1.4 80C51 I/O接口84.2 A/D轉(zhuǎn)換器選擇94.3 D/A轉(zhuǎn)換的選擇104.4傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型設(shè)計11液位控制系統(tǒng)11液位傳感器設(shè)計124.5 80C51單片機(jī)外圍電路設(shè)計13復(fù)位電路13自動報警電路13振蕩電路14數(shù)碼管顯示電路144.6水泵選擇及其電路的設(shè)計15水泵選擇154.6.2 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計155 系統(tǒng)軟件的設(shè)計165.1軟件設(shè)計流程圖165.2 軟件主函數(shù)175.3電路圖和仿真圖186結(jié)論20參考文獻(xiàn)21附錄22附錄122附錄2231緒論1.1課題背景液位控制系統(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

4、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(yùn)行參數(shù),能顯示液位狀態(tài)。2、在運(yùn)行中可以隨時方便的修改各種各樣的運(yùn)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

5、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(yùn)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(diǎn)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(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)控制液體液位是很好的選擇。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前我國在單片機(jī)測控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)

6、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,盡管與其他國家比較尚有差距,但是,深圳的高校、研究院所的最大的特點(diǎn)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(diǎn)是什么,與機(jī)器設(shè)備的

7、通訊接口等等。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,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,并在不斷的摸索中前進(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。1.3題目說明被控系統(tǒng)為一儲水罐。系統(tǒng)如圖1-1所示,儲水罐內(nèi)為清水,下部設(shè)有出水管,流量記為Q2。儲水罐通過水泵將清水池內(nèi)的清水補(bǔ)入罐內(nèi),流量記為Q1,清水池內(nèi)的水位可視為固定值2米(即在儲水罐補(bǔ)水過程中液位不變化)。已知儲水罐的截面積A=1平方米,高度H=2米,要求控制目標(biāo)液位高度為1米。

8、圖1-1 蓄水罐液位控制系統(tǒng)要求:1、控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間ts2分鐘,超調(diào)量10%。2、設(shè)計人機(jī)接口實時顯示。1.4系統(tǒng)的總體研究方案本設(shè)計是采用8051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。系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用發(fā)光二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器對液面進(jìn)行控制,通過四對傳感器分別安裝在現(xiàn)場的四個不同的位置,由上至下測量水體的液位值。并把這四

9、個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809傳到單片機(jī)中,在通過3位七段LED顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報警安全提示。用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(diǎn)。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)。 系統(tǒng)軟件總體方案水位檢測是通過四對由發(fā)光二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置,由上至下四個輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口,實時對水位進(jìn)行檢測。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時,其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平;反之,其輸出端口就向單片機(jī)輸出低電平。由上至

10、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,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。本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定,測量準(zhǔn)確,大大簡化現(xiàn)場安裝,具有較高的性價比,有較大的工程應(yīng)用價值。其優(yōu)越性主要在于:首先,通過對水體液位進(jìn)行的簡易方便的操縱,可以準(zhǔn)確得控制水泵進(jìn)行添加水或放水以適應(yīng)工作的需

11、要,操作簡單,經(jīng)濟(jì)效益好。其次,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(yùn)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。隨著計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降,工業(yè)以及其他方面的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理2.1結(jié)構(gòu)框圖將模擬過程控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機(jī)來實現(xiàn),就組成了一個典型的基于計算機(jī)的控制系統(tǒng)。水箱液位設(shè)定值+反饋值控制器D/A電動閥儲水罐A/D液位傳感器_圖2-1結(jié)構(gòu)框圖2.2工作原理打開電源、啟動抽水泵后,水箱液位開始上升,液位傳感器實時采集液位數(shù)

12、據(jù),并將所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,送至比較器與設(shè)定值(1m)比較,控制器根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)控制值,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后,驅(qū)動控制電動調(diào)節(jié)閥開度,從而調(diào)節(jié)水箱液位。水位檢測是通過四對由高亮度發(fā)光二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置,由上至下四個輸出端口分別接單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口,實時對水位進(jìn)行檢測。當(dāng)水位到達(dá)某一光敏三極管的位置時,其輸出端口就向單片機(jī)輸出高電平;當(dāng)水位低于此光敏三極管的位置時,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,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

13、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。3系統(tǒng)模型的建立此系統(tǒng)是一個典型的一階系統(tǒng)。儲水罐相當(dāng)于一個流體容器,由物質(zhì)守恒可以得到: 式(2.1)式中 表示儲水罐中保留的水量;表示流入儲水罐的水量; 表示流出儲水罐的水量。假設(shè)是儲水罐的橫截面積,為儲水罐中水位的高度則式(2.1)可寫成: 式(2.2)出水流量取決于儲水罐的流量系數(shù),儲

14、水罐的液位高度,儲水罐的出水口面積,和重力常數(shù)。即: 式(2.3)式中表示儲水罐出口的流量系數(shù); 表示儲水罐的出水口面積; 表示重力常數(shù)(9.8m/s2)。結(jié)合式(2.2)、式(2.3)我們能得到: 式(2.4)假設(shè)是個常數(shù)則出水流量將達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)值,水位高度也將能達(dá)到一個恒定值。 式(2.5)我們假設(shè)有個小的擾動值,我們能得到: 式(2.6)同時液位高度也將會有小的擾動: 式(2.7)將式(2.6)、式(2.7)帶入式(2.4)我們可以得到: 式(2.8)應(yīng)用泰勒級數(shù)將式(2.8)線性化,泰勒級數(shù): 式(2.9)取泰勒級數(shù)第一級得到: 式(2.10)將式(2.8)用式(2.10)線性化后得到

15、: 式(2.12)對式(2.12)進(jìn)行拉普拉斯變換,我們可以得到: 式(2.13)帶入數(shù)據(jù)可得: 式(2.14)電機(jī)的電氣方程: 式(2.15)電機(jī)的機(jī)械方程: 式(2.16)式中 表示電機(jī)電勢系數(shù); 表示電樞電阻; 表示電樞電壓; 表示電樞電流; 表示電樞電感; 表示折算到軸上的轉(zhuǎn)動慣量; 表示電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩; 表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩;將式式(2.15)、式(2.16)式進(jìn)行拉式變換可以得到轉(zhuǎn)速和輸入電壓的傳遞函數(shù):電機(jī)經(jīng)驗公式:得出該電機(jī)的傳遞函數(shù)為:4系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1微控制器選擇此設(shè)計采用Ateml 80C51作為控制芯片。它是在MCS-48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機(jī)。所出的系列產(chǎn)品有

16、8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的單片機(jī)都以它為核心,所以本設(shè)計采用的核心芯片是8051單片機(jī)。CPU是它的核心設(shè)備,從功能上看,CPU包括兩個部分:運(yùn)算器和控制器,它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。每片80C51包括:一個8位的微型處理器CPU;128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM;4KB片內(nèi)程序存儲器ROM;四個8位并行的I/O接口P0-P3,每個接口既可以輸入,也可以輸出;兩個定時器/記數(shù)器;五個中斷源的中斷控制系統(tǒng);一個全雙工UART的串行I/O口;片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路,但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個部分通過內(nèi)部總線相連接。整個

17、系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片,控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置4KROM,因為系統(tǒng)要求控制線較多,如果采用8051外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu),則造成控制線不夠,而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線,大大簡化了硬件結(jié)構(gòu),并可以直接控制LED數(shù)據(jù)顯示,方便現(xiàn)場調(diào)試和維護(hù),使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。現(xiàn)在介紹下在此設(shè)計中用到的引腳:單片機(jī)的40個引腳大致可分為4類:電源、時鐘、控制和I/O引腳。4.1.1 80C51電源VCC - 芯片電源,接+5V;VSS - 接地端;4.1.2 80C51時鐘XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入

18、端和輸出端。4.1.3 80C51 控制線l ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖 ALE功能:用來鎖存P0口送出的低8位地址 PROG功能:片內(nèi)有EPROM的芯片,在EPROM編程期間,此引腳輸入編程脈沖。l PSEN:外ROM讀選通信號。l RST/VPD:復(fù)位/備用電源。 RST(Reset)功能:復(fù)位信號輸入端。 VPD功能:在Vcc掉電情況下,接備用電源。l EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 EA功能:內(nèi)外ROM選擇端。 Vpp功能:片內(nèi)有EPROM的芯片,在EPROM編程期間,施加編程電源Vpp。4.1.4 80C51 I/O接口l P0口(

19、39腳32腳):P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。當(dāng)不接外部存儲器與不擴(kuò)展I/O接口時,它可作為準(zhǔn)雙向8位輸入/輸出接口。當(dāng)接有外部程序存儲器或擴(kuò)展I/O口時,P0口為地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用口。它分時提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。l P1口(1腳8腳):P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。對于MCS52子系列單片機(jī),P1.0和P1.1還有第2功能:P1.0口用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2;P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗時,P0口接收輸入的低8位地址。l P2口(21腳28腳):P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準(zhǔn)雙向I/

20、O接口。當(dāng)接有外部程序存儲器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時,P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗時,P2口接收輸入的8位地址。l P3口(10腳17腳):P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口,可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O接口,也可以將每1位用于第2功能,而且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。引腳圖見圖4-1。 圖4-1 8051引腳圖 4.2 A/D轉(zhuǎn)換器選擇本設(shè)計采用ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器,ADC0808是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)

21、換器,可以和單片機(jī)直接接口。ADC0808轉(zhuǎn)換器引腳介紹(引腳圖見圖4-2):l IN0IN7:8路模擬量輸入端。 l OUT1OUT8:8位數(shù)字量輸出端。l AL::地址鎖存允許信號,輸入,高電平有效。l START: AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端,輸入一個正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(脈沖上升沿使0808復(fù)位,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換)。 l EOC:AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時,此端輸出一個高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。 l OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號,輸入,高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時,此端輸入一個高電平,才能打開輸出三態(tài)門,輸出數(shù)字量。 l CLK:時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于

22、640KHZ。 l VREF(+)和VREF(-):參考電壓輸入端。l Vcc:主電源輸入端5V。l GND:接地。l ADDA、ADDB、ADDC:3位地址輸入線,用于選通8路模擬輸入中的一路,通道選擇表如表3-3所示。l 注意事項:輸出端out8為最低位out1為最高位,與單片機(jī)連接是要注意。表4-1 通道選擇ADDCADDBADDA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7下圖為ADC0809芯片的引腳圖:圖4-2 ADC0809 芯片的引圖ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計算機(jī)兼容的控制邏輯的C

23、MOS組件,其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器,一個帶有模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器,以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制,可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼,而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存,所以它易于與微型計算機(jī)接口。4.3 D/A轉(zhuǎn)換的選擇D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)后向通道典型應(yīng)用技術(shù)之一。它涉及了D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問題,而其中最核心的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應(yīng)用問題。D/A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個用二進(jìn)制表示的數(shù)字

24、量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對應(yīng)于二進(jìn)制的每一位,產(chǎn)生一個相應(yīng)的電流,而這個電流的大小正比于相應(yīng)的二進(jìn)制位的權(quán)。D/A轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成,即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控制的電子開關(guān)組和由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。電子開關(guān)組受輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7DO控制,當(dāng)某一位為“1”時,則電子開關(guān)閉合,基準(zhǔn)電壓Vin接電阻解碼網(wǎng)絡(luò),使某一支路電阻上有電流流過。當(dāng)某一位為“0”時,則電子開關(guān)斷開,該支路電阻上無電流流過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各支路的電阻值與二進(jìn)制數(shù)據(jù)D7DO的“權(quán)”相對應(yīng),“權(quán)”大的電阻值小,“權(quán)”小的電阻值大。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值(0或1)因此,總電流

25、為: 該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有: 其中 式(4-1)由式(4-1)看出,盡管使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同,但對于D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來說是等效的。就8位D/A轉(zhuǎn)換器而言,每一數(shù)字輸入位所代表的輸出模擬量是其相鄰的2倍,這樣就組成二進(jìn)制數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標(biāo)如下:1、分辨率。表征D/A轉(zhuǎn)換器對微小輸入量的敏感程度,通常用數(shù)字量的數(shù)位表示,如8位、12位、14位等。分辨率為10位的D/A轉(zhuǎn)換器,表示它可以對滿量程的11024的增量做出反應(yīng)。2、相對精度。在滿刻度已校準(zhǔn)的前提下,在整個刻度范圍內(nèi),對于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個ISB來表示和該偏差相對滿

26、刻度的百分比表示。3、轉(zhuǎn)換時間。數(shù)字變化量是滿刻度時,達(dá)到終值±LSB2所需要的時間,通常為幾十納秒至幾微秒。4、非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度,一般為0.l0.03。其工作過程是:比較開始時,首先對二進(jìn)制計數(shù)器(輸出鎖存器)的最高位置“1”,然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換、比較判斷。若模擬輸入Uin大于Ui,比較器輸出為1,則使輸出鎖存器的最高位保持為1。然后對較低的位依次按照該辦法進(jìn)行比較和調(diào)整,無論哪種情況,均應(yīng)繼續(xù)比較下一位,直到最末位為止。此時D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入(輸出鎖存器內(nèi)容)即為對應(yīng)模擬輸入信號的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了A/D轉(zhuǎn)換過程。這種方法好比用天平稱一個物

27、體的重量,第一次放最大的砝碼,若不合適,就改放小一號的,依次類推。一旦天平指示砝碼太重說明剛才放進(jìn)去的那個應(yīng)當(dāng)取走,顯然對于n位的轉(zhuǎn)換器,總共需要重復(fù)這種過程n次。4.4傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型設(shè)計液位控制系統(tǒng)廣泛的液位控制系統(tǒng)包括對水體的液位,壓力等的控制,本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹液位的控制。液位控制是利用由高亮度發(fā)光二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器,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ADC0809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(yùn)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;下圖即是液位控制系統(tǒng):單片機(jī)傳感器報警裝置LED顯示控制執(zhí)行

28、裝置圖4-3 基于單片機(jī)的液位控制系統(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)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過8051單片機(jī)的運(yùn)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)。液位傳感器設(shè)計在液體液位控制系統(tǒng)中,傳感器的選擇是非常重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測量,并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng),對檢測精確度起著重要的作用。光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,它可以檢測出其接收到的光強(qiáng)的變化。早期的

29、用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備,發(fā)射器帶一個校準(zhǔn)鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。本設(shè)計主要采用的是由高亮度發(fā)光二極管和光敏三級管所組成的光電傳感器來對液位進(jìn)行控制,在把檢測的電信號通過ADC0809輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析,在由LED進(jìn)行顯示和鍵盤控制,實行對液位的報警。本次設(shè)計采用的是四對高亮度發(fā)光二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器,這種液位傳感器如下圖:圖4-4 液位傳感器 4.5 80C51單片機(jī)外圍電路設(shè)計4.5.1復(fù)位電路80C51單片

30、機(jī)有一個復(fù)位引腳RST,高電平有效。在時鐘電路工作以后,當(dāng)外部電路使得RST端出現(xiàn)兩個機(jī)器周期(24個時鐘周期)以上的高電平,系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位。復(fù)位方式有兩種:上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。本設(shè)計選用按鈕復(fù)位,因為遇到特殊情況系統(tǒng)出錯,可以及時復(fù)位保證系統(tǒng)損失減到最低。復(fù)位電路如圖4-2所示。圖4-5 80C51按鈕復(fù)位電路 復(fù)位是通過某種方式,使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌踔禒顟B(tài)操作,AT89S51單片機(jī)在時鐘電路工作以后,在RST端持續(xù)給出兩個機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作。復(fù)位分為上電復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式分別如圖2-5,圖2-6。AT89S51單片機(jī)復(fù)位狀態(tài)見附錄一。自動報警電路 下列二種情況

31、發(fā)生系統(tǒng)報警。 1、當(dāng)水位達(dá)到上限極限水位時報警,水位到達(dá)上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警;2、當(dāng)水位達(dá)到下限極限水位時報警,水位到達(dá)下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警。 圖4-6 水位報警電路4.5.3振蕩電路單片機(jī)時鐘信號有兩種方式得到:內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。引腳XTAL1 和XTAL2引腳上外接晶振構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器,當(dāng)外接晶振后就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖,本控制器采用12MHZ的晶振其電路圖如圖4-8:圖4-7 晶振電路4.5.4數(shù)碼管顯示電路顯示部分我采用三位7段LED顯示器,LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用中最常用的輸出部件,它是由若干發(fā)光二極管組成,當(dāng)發(fā)

32、光二極管導(dǎo)通時,相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)光,不同組合的二極管導(dǎo)通,就能顯示出各種字符。用LED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、壽命長的特點(diǎn)。在微型機(jī)系統(tǒng)中,LED常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示,一種是動態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機(jī)一次輸出后就能顯示后就能保持,直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機(jī)少,顯示可靠;缺點(diǎn)是使用元件多,且線路比較復(fù)雜,因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個七位顯示器需要一個八位輸出控制,我的設(shè)計就是采用的就是動態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是單片機(jī)定時的對顯示器進(jìn)行掃描。這種方法中,顯示器件分時工作,每次只能有一個器件顯示,但由于人

33、的視覺暫留現(xiàn)象,所以,仍感覺到所有的器件都“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點(diǎn)是使用硬件少,因而價格低,但占用機(jī)時多,只要單片機(jī)不執(zhí)行顯示程序,就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導(dǎo)電電流有關(guān),也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間比例有關(guān)。數(shù)碼管顯示電路用來顯示液位高度,本文的設(shè)計方法是用兩片74HC573鎖存芯片接單片機(jī)的P0口控制數(shù)碼管的位選和斷選,這樣做可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口。4.6水泵選擇及其電路的設(shè)計4.6.1水泵選擇根據(jù)設(shè)計要求控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間ts2分鐘,水泵的選型要考慮調(diào)節(jié)時間的限制。由于儲水槽到達(dá)液位高度時水槽中水的容量為1000L;查閱相關(guān)資料選擇WKA1300型水泵,參數(shù)如下:表4-2 WKA

34、1300型水泵電壓電流流量最大抽水高度處于最大抽水高度時泵的抽水速率(L/min)12V<400mA1.3L/min3m>50024V<240mA1.3L/min3m>5004.6.2 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計本課程設(shè)計所選水泵為WKA1300型微型水泵,此水泵為直流控制,相當(dāng)于一個直流電機(jī);用單片機(jī)控制直流電路通常是通過I/O口輸出PWM波來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速,正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)。目前流行的直流電機(jī)驅(qū)動電路是H型全橋式電路,這種驅(qū)動電路可以 很方便實現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行,分 別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工 作在斬波狀態(tài),S1、S2為一組,S3

35、、S4 為另一組,兩組的狀態(tài)互補(bǔ),一組導(dǎo)通則 另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時,S3、 S4關(guān)斷,電機(jī)兩端加正向電壓,可以實 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動;當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時,S1、S2關(guān)斷,電機(jī)兩端為反向電壓,電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計軟件編程是系統(tǒng)完成控制的一個重要部分。系統(tǒng)軟件程序主要完成初始化工作,輸入輸出控制,子程序主要完成數(shù)據(jù)采集處理的功能包括采集的液位數(shù)據(jù)與給定的液位值的比較,是否需要報警,以及處理完成顯示部分與調(diào)節(jié)閥信號輸出。在該系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計中,第一部分主要是對流程圖的介紹,通過對水體液位進(jìn)行的簡易方便的操縱,可以準(zhǔn)確得控制水泵進(jìn)行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要

36、,并可防止故障的發(fā)生;第二部分是系統(tǒng)工作程序的編程內(nèi)容。 5.1軟件設(shè)計流程圖本軟件流程圖設(shè)計簡易合理,方便易于操控,能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進(jìn)行控制,水位運(yùn)行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善;同時大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行。下圖即為軟件設(shè)計流程圖:圖5-1軟件設(shè)計流程圖5.2 軟件主函數(shù)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。根據(jù)流程圖設(shè)計出軟件的主程序如下(見附錄二):void main() ik=0;e1=0;kp=2;ki=4;initdings

37、hi(); /中斷初始化st=0;while(1) ad();/AD初始化if(getdata>=230) /判斷是否水位超過1.8米如果超過 /打開報警燈否則關(guān)閉報警燈 lamp=0; kg=1; else lamp=0; if(getdata<127)/判斷數(shù)位是否低于1米如果低于打開繼電器 kg=0;/并設(shè)定雙向晶閘管導(dǎo)通次數(shù)EX1=1;/外部中斷1允許位打開y=100-(100*uk)/127; elsekg=1; 5.3電路圖和仿真圖P2.2圖5-2 電路圖當(dāng)水位在1.8m時仿真圖:P2.2圖5-3 水位在1.8m時仿真圖黃燈模擬報警器。當(dāng)水位位于1.8m時,燈亮即報警,

38、同時閥門開啟放水。當(dāng)水位在1m時仿真圖:P2.2圖5-4 水位在1 m時仿真圖黃燈模擬報警器。當(dāng)水位位于1m時,燈亮即報警,同時水泵開啟補(bǔ)水。6結(jié)論本系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測控制,介紹了8051單片機(jī)和其它一些單片機(jī)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,本設(shè)計還采用了多種傳感器來對液位的信號采集,利用LED來進(jìn)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,具有良好的人機(jī)交互功能,并設(shè)有液位報警和閥門失靈等故障報警,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(yùn)行不需要人工干預(yù),操作人員勞動強(qiáng)度小。采用單片機(jī)設(shè)計出的工

39、業(yè)水位控制器,能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進(jìn)行控制,水位運(yùn)行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善;同時大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力,保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行??刂蒲b置具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、控制性能好等優(yōu)點(diǎn),且系統(tǒng)硬、軟件維護(hù)簡單方便,尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場,具有良好的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)所采用的傳感器性能穩(wěn)定,測量準(zhǔn)確,大大簡化現(xiàn)場安裝,具有較高的性價比,有較大的工程應(yīng)用價值,而且利用計算機(jī)單片機(jī)技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于:首先,通過對水體液位進(jìn)行的簡易方便的操縱,可以準(zhǔn)確得控制水泵進(jìn)行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要,可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效

40、益。其次,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(yùn)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。隨著計算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降,工業(yè)以及其他方面的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測與控制技術(shù)M.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M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1981.3 王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測與控制技術(shù)M.成都: 四川科學(xué)技術(shù)出版社,1986.4 王驥程.化工過程控制工程M.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,1981.5 謝自美.電子線路設(shè)計

41、、實驗與測試M.華中科技大學(xué)出版社,2003.6 楊國志,王立峰,楊東光,王輝林等.實用電子制作實例M.福建科學(xué)技術(shù)出版社,2000.7 金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及用M.電子工業(yè)出版社,2000.8 王永平,陳建華.基于S7200PLC的高性能電熱鍋爐控制系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器,2002.9 潘新民,王艷芳微.型計算機(jī)控制技術(shù)M.高等教育出版社,2002.10 談?wù)穹?自動控制專業(yè)英語M.哈爾濱工程大學(xué)出版社,1999.11 楊智,明麗萍. 21世紀(jì)燃?xì)忮仩t在中國的發(fā)展前景J.自動化學(xué)報,2001.12 袁希光等.傳感器技術(shù)手冊M.北京國防工業(yè)出版社,1986.13 張洪潤,張亞凡.

42、傳感技術(shù)與應(yīng)用教程M.清華大學(xué)出版社,2005.附錄附錄1寄存器初始狀態(tài)值寄存器初始狀態(tài)值PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0、P1、P2、P30FFHSCON00HIPxxx00000BPCONOxx00000BIEN0Oxx00000BSBUF不定附錄2#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit w1=P20; /數(shù)碼管位選1sbit w2=P21; /數(shù)碼管位選2sbit st=P30; /ADC0808啟動信號sbit eoc=P31; /ADC0808轉(zhuǎn)換標(biāo)志位sbit dian=P17;/數(shù)碼管點(diǎn)的控制I/O口sbit kg=P22; /繼電器控制位sbit chufa=P23; /雙向晶閘管觸發(fā)控制位sbit lamp=P24; /報警燈控制位uchar kp,ki,uk,pk,ik; /PID系數(shù)定義uint getdata; uint temp; uint qd

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