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储水罐液位控制系统设计

计算机控制系统课程设计说明书

储水罐液位控制系统设计

学生姓名

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指导教师

2014年

6月

3日

摘要

本文主要设计了一种液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机和模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显示。

本系统是基于单片机的液位控制，在设计中主要有水位检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现液位控制。

主要用水位传感器检测水位，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。

把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵或排水泵，来实现对液面的控制，从而实现单片机自动控制液面的目的。

本设计用单片机控制，易于实现液位的控制，而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。

关键词8051单片机；模数转换；水位控制；自动控制

1绪论

1.1课题背景

液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。

在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉的使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。

液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。

液体的液位的自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物，工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制，微机控制有以下明显优势：

1、直观而集中的显示各运行参数，能显示液位状态。

2、在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值，并修改系统的控制参数，可以方便的改变液位的上限、下限。

3、具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性

综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。

单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。

一般工业控制系统的工作环境差、干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制液体液位是很好的选择。

1.2国内外研究的现状

目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中，取得了很大的成绩，总结了很多经验，但是各行业仍处于发展期，经调查，更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法，数年来这方面的研究的论文较多，着重生产实际的很少。

在上海，新型的单片机测控装置与系统研究的生产基础较雄厚，在生产过程中需要新型的测控装置与系统，因此在不断的努力研究与开发。

上海的工程技术研究人员更着重的是生产实际研究，对理论、算法和成果的论文较少;深圳在研制新型的测控装置与系统领域也比较有成就，尽管与其他国家比较尚有差距，但是，深圳的高校、研究院所的最大的特点就是实际，与生产实际应用项目无关的问题基本不去考虑，主要考虑选取什么材料，测控什么物理量，优点是什么，与机器设备的通讯接口等等。

一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已积累了很多经验，奠定了基础，进入了国际市场。

我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国的研究人员已经克服很多困难，并在不断的摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。

1.3题目说明

被控系统为一储水罐。

系统如图1-1所示，储水罐内为清水，下部设有出水管，流量记为Q2。

储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内，流量记为Q1，清水池内的水位可视为固定值2米（即在储水罐补水过程中液位不变化）。

已知储水罐的截面积A=1平方米，高度H=2米，要求控制目标液位高度为1米。

图1-1蓄水罐液位控制系统

要求：

1、控制系统调节时间ts≤2分钟，超调量≤10%。

2、设计人机接口实时显示。

1.4系统的总体研究方案

本设计是采用8051单片机为核心芯片，及其相关硬件来实现的水体液位控制系统，在用液位传感器测液位的同时，CPU循环检测传感器输出状态，并用3位七段LED显示示液位高度，检测液位数据，实施报警安全提示，当水体液位低于用户设定的值时，系统自动打开泵上水，当水位到达设定值时，系统自动关闭水泵或打开排水泵。

1.4.1系统硬件总体方案

系统的原理是采用发光二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制，通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值。

并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中，在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。

用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点。

根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵，需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。

1.4.2系统软件总体方案

水位检测是通过四对由发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。

当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；反之，其输出端口就向单片机输出低电平。

由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。

本系统所使用的传感器性能稳定，测量准确，大大简化现场安装，具有较高的性价比，有较大的工程应用价值。

其优越性主要在于：

首先，通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，操作简单，经济效益好。

其次，水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。

随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用。

2控制系统结构框图与工作原理

2.1结构框图

将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的控制系统。

图2-1结构框图

2.2工作原理

打开电源、启动抽水泵后，水箱液位开始上升，液位传感器实时采集液位数据，并将所采集到的数据经A/D转换后，送至比较器与设定值（1m）比较，控制器根据比较结果输出相应控制值，经D/A转换成模拟量后，驱动控制电动调节阀开度，从而调节水箱液位。

水位检测是通过四对由高亮度发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。

当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。

由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。

3系统模型的建立

此系统是一个典型的一阶系统。

储水罐相当于一个流体容器，由物质守恒可以得到：

式（2.1）

式中

——表示储水罐中保留的水量；

——表示流入储水罐的水量；

——表示流出储水罐的水量。

假设

是储水罐的横截面积，

为储水罐中水位的高度则式（2.1）可写成：

式（2.2）

出水流量取决于储水罐的流量系数，储水罐的液位高度，储水罐的出水口面积，和重力常数。

即：

式（2.3）

式中

——表示储水罐出口的流量系数；

——表示储水罐的出水口面积；

——表示重力常数（9.8m/s2）。

结合式（2.2）、式（2.3）我们能得到:

式（2.4）

假设

是个常数则出水流量将达到一个稳态值

，水位高度也将能达到一个恒定值。

式（2.5）

我们假设

有个小的扰动值，我们能得到：

式（2.6）

同时液位高度也将会有小的扰动：

式（2.7）

将式（2.6）、式（2.7）带入式（2.4）我们可以得到：

式（2.8）

应用泰勒级数将式（2.8）线性化，泰勒级数：

式（2.9）

取泰勒级数第一级得到：

式（2.10）

将式（2.8）用式（2.10）线性化后得到：

式（2.12）

对式（2.12）进行拉普拉斯变换，我们可以得到：

式（2.13）

带入数据可得：

式（2.14）

电机的电气方程：

式（2.15）

电机的机械方程：

式（2.16）

式中

——表示电机电势系数；

——表示电枢电阻；

——表示电枢电压；

——表示电枢电流；

——表示电枢电感；

——表示折算到轴上的转动惯量；

——表示电动机电磁转矩；

——表示负载转矩；

将式式（2.15）、式（2.16）式进行拉式变换可以得到转速和输入电压的

传递函数：

电机经验公式：

得出该电机的传递函数为：

4系统硬件设计

4.1微控制器选择

此设计采用Ateml80C51作为控制芯片。

它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。

所出的系列产品有8051、8031、8751。

其代表就是8051。

其他系列的单片机都以它为核心，所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。

CPU是它的核心设备，从功能上看，CPU包括两个部分：

运算器和控制器，它执行对输入信号的分析和处理。

每片80C51包括：

一个8位的微型处理器CPU；128B的片内数据存储器RAM；4KB片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率是12MHZ。

以上各个部分通过内部总线相连接。

整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。

这种芯片内置4KROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8051外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够，而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。

现在介绍下在此设计中用到的引脚：

单片机的40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制和I/O引脚。

4.1.180C51电源

VCC-芯片电源，接+5V；

VSS-接地端；

4.1.280C51时钟

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

4.1.380C51控制线

●ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

●PSEN:

外ROM读选通信号。

●RST/VPD:

复位/备用电源。

RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

●EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：

内外ROM选择端。

Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.1.480C51I/O接口

●P0口（39脚～32脚）：

P0.0～P0.7统称为P0口。

当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。

它分时提供8位双向数据总线。

●P1口（1脚～8脚）：

P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。

对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：

P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P0口接收输入的低8位地址。

●P2口（21脚～28脚）：

P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。

当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。

对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。

●P3口（10脚～17脚）：

P3.0～P3.7统称为P3口。

它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。

引脚图见图4-1。

图4-18051引脚图

4.2A/D转换器选择

本设计采用ADC0808作为A/D转换器，ADC0808是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。

它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。

ADC0808转换器引脚介绍（引脚图见图4-2）：

●IN0~IN7：

8路模拟量输入端。

●OUT1~OUT8：

8位数字量输出端。

●AL：

:

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

●START：

A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0808复位，下降沿启动A/D转换）。

●EOC：

A／D转换结束信号，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

●OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

●CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

●VREF（+）和VREF（-）：

参考电压输入端。

●Vcc：

主电源输入端5V。

●GND：

接地。

●ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路，通道选择表如表3-3所示。

●注意事项：

输出端out8为最低位out1为最高位，与单片机连接是要注意。

表4-1通道选择

ADDC

ADDB

ADDA

选择的通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

0

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

下图为ADC0809芯片的引脚图：

图4-2ADC0809芯片的引图

ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。

在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。

8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。

由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。

4.3D/A转换的选择

D/A转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。

它涉及了D/A转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是D/A转换芯片的选择与应用问题。

D/A转换器的基本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模拟量。

实现这种转换的基本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而这个电流的大小正比于相应的二进制位的权。

D/A转换器主要由三部分构成，即加权电阻解码网、受输入数字量控制的电子开关组和由运算放大器构成的电流转换器。

电子开关组受输入二进制数据D7～DO控制，当某一位为“1”时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使某一支路电阻上有电流流过。

当某一位为“0”时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。

加权电阻解码网络各支路的电阻值与二进制数据D7～DO的“权”相对应，“权”大的电阻值小，“权”小的电阻值大。

因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值（0或1）

因此，总电流为

：

该总电流经电流转换器后有:

其中

式（4-1）

由式（4-1）看出，尽管使用的网络结构不同，但对于D/A转换器的输入输出来说是等效的。

就8位D/A转换器而言，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的2倍，这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器。

D/A转换芯片的主要性能指标如下:

1、分辨率。

表征D/A转换器对微小输入量的敏感程度，通常用数字量的数位表示，如8位、12位、14位等。

分辨率为10位的D/A转换器，表示它可以对满量程的1／1024的增量做出反应。

2、相对精度。

在满刻度已校准的前提下，在整个刻度范围内，对于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。

通常用偏差几个ISB来表示和该偏差相对满刻度的百分比表示。

3、转换时间。

数字变化量是满刻度时，达到终值±LSB／2所需要的时间，通常为几十纳秒至几微秒。

4、非线性误差。

通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.l％～0.03％。

其工作过程是：

比较开始时，首先对二进制计数器（输出锁存器）的最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。

若模拟输入Uin大于Ui，比较器输出为1，则使输出锁存器的最高位保持为1。

然后对较低的位依次按照该办法进行比较和调整，无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。

此时D/A转换器的数字输入（输出锁存器内容）即为对应模拟输入信号的数字量。

将此数字量输出就完成了A/D转换过程。

这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝码，若不合适，就改放小一号的，依次类推。

一旦天平指示砝码太重说明刚才放进去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要重复这种过程n次。

4.4传感器与执行机构选型设计

4.4.1液位控制系统

广泛的液位控制系统包括对水体的液位，压力等的控制，本系统只侧重于介绍液位的控制。

液位控制是利用由高亮度发光二极管和光敏三级管所组成的液位传感器，把液位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示，实现液位的报警和键盘的显示与控制；

下图即是液位控制系统：

图4-3基于单片机的液位控制系统

由上图可观察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED进行显示，通过报警装置进行报警，报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进行调节控制，阀门的驱动设备是电动机。

4.4.2液位传感器设计

在液体液位控制系统中，传感器的选择是非常重要的，传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成，它的性能直接影响到整个检测系统，对检测精确度起着重要的作用。

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。

早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。

在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。

这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

本设计主要采用的是由高亮度发光二极管和光敏三级管所组成的光电传感器来对液位进行控制，在把检测的电信号通过ADC0809输入到单片机进行分析，在由LED进行显示和键盘控制，实行对液位的报警。

本次设计采用的是四对高亮度发光二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图：

图4-4液位传感器

4.580C51单片机外围电路设计

4.5.1复位电路

80C51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。

在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。

复位方式有两种：

上电复位和按钮复位。

本设计选用按钮复位，因为遇到特殊情况系统出错，可以及时复位保证系统损失减到最低。

复位电路如图4-2所示。

图4-580C51按钮复位电路

复位是通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初值状态操作，AT89S51单片机在时钟电路工作以后，在RST端持续给出两个机器周期的高电平就可以完成复位操作。

复位分为上电复位和按键手动复位两种方式分别如图2-5，图2-6。

AT89S51单片机复位状态见附录一。

4.5.2自动报警电路

下列二种情况发生系统报警。

1、当水位达到上限极限水位时报警，水位到达上限极限水位时系统发出报警；

2、当水位达到下限极限水位时报警，水位到达下限极限水位时系统发出报警。

图4-6水位报警电路

4.5.3振荡电路

单片机时钟信号有两种方式得到：

内部振荡方式和外部振荡方式。

引脚XTAL1和XTAL2引脚上外接晶振构成了内部振荡方式单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，本控制器采用12MHZ的晶振其电路图如图4-8：

图4-7晶振电路

4.5.4数码管显示电路

显示部分我采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。

用LED是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。

在微型机系统中，LED常用的显示方法有两种。

一种是静态显示，一种是动态显示。

所谓的静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持，直到下次送新的显示模式为止。

这种显示占用机少，显示可靠；缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。

这种显示器显示方式的每一个七位显示器需要一个八位输出控制，我的设计就是采用的就是动态显示。

所谓动态显示就是单片机定时的对显示器进行扫描。

这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都“同时”显示。

这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多，只要单片机不执行显示程序，就立刻停止显示。

动态显示的亮度与导电电流有关，也与点亮时间和间隔时间比例有关。

数码管显示电路用来显示液位