2022年水槽水位单片机控制系统设计 .pdf

目录1 概论.1 2 总体方案论证 .1 2.1 水位检测设计方案 .3 2.2 控制部分 .4 2.3 报警电路 .5 2.4 系统核心部分 .6 2.5 系统整体电路图 .6 3 系统软件设计 .8 3.1 系统软件流程图 .8 3.2 系统软件设计原理 .9 4 小结.10 参考文献 .11 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计1 水槽水位单片机控制系统设计1 概论在传统的水位控制系统中， 存在着自动化程度低、 调节精度差的缺点， 已经不符合当今高效、 低耗、低劳动强度的要求， 同时会产生大量的污染。 对于小型测控系统或者某些专用的智能化仪器仪表，一般可采用以单片机为核心、 配以接口电路和外围设备，再编制应用程序的模式来实现。单片机作为自动控制中的一个核心器件在小型自动控制系统及信号采集方面已经被广泛应用， 技术也相对较成熟， 它不仅有体积小、 安装方便、 功能较齐全等优点， 而且有很高的性价比， 应用前景广。 下面以一个水槽水位控制系统为例， 采用以单片机为控制中心的技术， 不仅能够使控制系统具有精度高、 功能强、经济型号的特点，还节约能源，利于环保。2 总体方案论证控制系统组成部分单回路液位控制系统组成框图如图1 所示：图 1 A/D 计算机D/A 功率放大伺服电动机调节器被控对象传感器变送器测量干扰控制量名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计2 （1） 被控对象。被控对象为锅炉。（2） 液位测量。 液位测量由液位传感器和变送器组成。其中，液位传感器为电容式液位计当液位上升或下降时，处于液体中的两相电极产生的电容量被电子线路测得，并转换成电压信号输出至单片机。（3） 执行器。电动比例调节阀。 接收控制器的控制信号， 输出为阀门的开度。（4） 控制器。单片机，输入位偏差，输出为控制量。（5） A/D 转换器、 D/A 转换器。 A/D 转换器将测量的模拟量转换为数字量送给计算机处理，而 D/A转换器将数字量转换为模拟量控制给电动机调节阀。（6） 功率放大器匹配计算机的输出与电动机比例阀的输入功率。（7） 给定值。即输入量，对应于被控量的稳态值。（8） 偏差。被控量与给定值之间的差值。（9） 干扰量。所有引起被控量波动的量。2.1 水位检测设计方案水位检测及控制采用如下图2 所示电路，虚线表示水位变化。 在正常范围以内， 水位应维持在虚线A和 C之间，其中 A棒处于下限水位，C棒处于上线水位，B棒位于 AC之间。 A棒接+5V电源， B棒、C棒各通过一个电阻与地相连，同时与单片机的 P1.0 和 P1.1 口相连。原理：供水时，水位上升，当达到上线时，由于水的导电作用B、C棒与+5V电源导通，同时通过P1.0 和 P1.1 端口向单片机输入高电平1，这时通过程序设计使单片机控制电机和水泵停止工作，不给锅炉供水；当水位下降到B以下时，电极 B与电极 C在水面上悬空， b 点、c 点向单片机输入低电平，这时单片机应控制水泵开启， 向水槽内供水； 当水位位于 B点与 C点之间时， 由于水的导电作用，电极 B连到电极 A及+5V是 b 点呈现高电平，而电极C仍处于悬空状态，则c 点位低电平，这时不论水位处于上升还是下降状态，水泵都应继续维持原有的工作状态； 除了以上三种工作状态外， 还有另外一种工作状态， 即水位达到电极C却未达到电极 B，即 c 点输入高电平而b 点输入低电平，这种情况在正常情况下是不可能发生的， 属于一种故障状态， 这设计中应考虑在内。 以上四种情况的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计3 水位信号以及操作状态可见于表1 中。图 2 c(P1.1) b(P1.0) 水位操作0 0 B点以下水泵启动0 1 B、C之间维持原状1 0 系统故障故障报警1 1 C点以上水泵停止表 1 2.2 控制部分由P1.2 端口输出高电平，经反相器使光耦隔离器导通， 继电器线圈 KM 得电，常开触点 KA闭合启动水泵运转； 当 P1.2 端输出低电平， 经反相器使光耦隔离器截止，继电器线圈 J 失电，常开触点断开， 使水泵停转。 其中控制过程结合上面水位检测电路中表1 的四种情况， 编写程序使单片机输出达到设计要求。电路图如图 3 所示。A B C +5V b c 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计4 图 3 2.3 报警电路报警电路如图 4 所示，主要由蜂鸣器、三极管9015驱动电路。系统开始时复位电路将 P1.4 置 1，保证不产生误动作，当水位达到上下限水位的时候，系统自动将 P1.4 口清零，将信号送至驱动电路似的蜂鸣器开始发声工作，当用户作出正确的调整操作之后继续监视变化是否超限。图 4 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计5 2.4 系统核心部分采用低档型 AT89C2051 单片机用 P1.0 和 P1.1 端作为水位信号的采集输入口，P1.2、P1.3 和 P1.4 端口作为控制与报警端口。其晶振模块如图5 所示。图 5 2.5 系统整体电路图集成以上水位检测部分、 控制部分、 报警部分还有系统核心部分。系统即可完成对水位的监测， 当水位超过水位上限的时候， 由单片机输出控制信号使水泵停止向锅炉内供水， 当水位线低于水位下限的时候，由单片机输出控制信号使水泵开始向锅炉供水， 当水位在安全范围以内的时候， 单片机则保持对水泵的控制，即保持供水或者不运作。达到对水位的控制。系统的整体电路图如图6 所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计6 图 6 可得整个系统方框图如图7 所示水位信号单片机水泵系统报警系统警示灯系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计7 图 7 3 系统软件设计3.1 系统软件流程图开始设置堆栈指针P1.1 、P1.0=00 ？启动水泵 P1.2=1 P1.1 、P1.0=10 ？故障报警 P1.3=1 P1.1、P1.0=11 ？停止水泵 P1.2=1 N Y N Y N 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计8 3.2 系统软件设计原理基本原理即， 通过水位传感器的检测， 作为输入信号， 输入信号共两个， 即b 和 c，在上面方案论证中的表1 里，列出了 b 和 c 的四种组合以及在各种组合的情况下水位情况和水泵运作状况，这就给出了水泵工作与否的条件，根据这四种情况即可通过编程对水泵进行控制。首先设置堆栈指针，检测P1.1 和 P1.0的输入，根据表 1， 进行逐次判断， 当 P1.1、 P1.0=00 时，水位处于低水位状态，需要向锅炉内输水，则P1.2 输出高电平，通过光耦隔离器启动水泵运转，如果为否，进行下一步判断，P1.1、P1.0=10 时，说明发生故障，则P1.3 输出高电平，使警示灯发光，同时P1.4 也输出高电平，使喇叭开始鸣笛，如果为否，则进行下一判断； P1.1、P1.0=11 时，说明水位已达到水位上限，应控制水泵停止运转。如果为否，则返回第一次判断，依次循环。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计9 4 小结首先，通过这次应用系统的设计， 我学到了不少的知识。 把以前没有学好的程序专业知识进行了补充和加强，加深了我对于单片机和数字电路的认识，巩固了自己的专业知识， 相信在以后的学习和工作中碰到这些基础的元器件我会更加得心应手。这次设计的系统为锅炉水位检测系统，采用 AT89S51单片机为控制中心， 包含了水位检测系统、 控制系统、 报警系统等。 在这次课程设计中， 让我切身了解到传感器在现实生活中的应用，而且加深了我对各种元器件的了解，同时对Protel和 Protues 等仿真软件有了深刻的了解，这个系统在小型锅炉水位检测的应用中具有成本低、 控制方便的特点。 在这次课程设计中， 我还查阅了大量的资料，不仅对这一种水位检测系统有了了解，同时也对其他系统也有了一定的认识。通过查阅大量的资料， 我获得了以前在课堂上学不到的东西，我想这对于以后的毕业设计， 或者工作也好， 都是很有帮助的。 我很认真地对待这个过程中的每一个细节， 希望自己能做得更好。 希望今后还有这样的机会， 能够让我学到更多的知识。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 武汉理工大学计算机控制技术课程设计10 参考文献1 于海生 . 计算机控制技术 . 北京：机械工业出版社， 2010.1 2 林敏 丁金华 田涛. 北京：国防工业出版社，2005.8 3 徐建军 闫丽梅 . 北京：机械工业出版社，2008.2 4 潘新民 . 微型计算机控制技术 . 北京：电子工业出版社，2007.8 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -