基于单片机的水箱水位控制系统.doc
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1、题 目:基于单片机的水箱水位自动控制系统英文题目:The water tank level automatic control system based on microcontroller 二零一二年 月 日摘 要 大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件,它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响,而且也关系着生产的安全。在过去,大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的,这样的人工方式带来了很大的弊端,比如水位的控制,时刻监控水箱的环境,夜间的监控等等,操作员稍有疏忽,或者简易的监则器件损坏,将带来无法弥补的损失,更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以,对水箱控制,如果能够使
2、用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统,可以最大限度的避免事故的几率,同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。本单片机系统设计的目的是应用单片机控制技术,以单片机为核心控制水箱的水位,并实现了报警和水位显示、自动控制等功能。该系统操作方便、性能良好,比较符合生产生活用水系统控制的需要。关键词:单片机 ;水箱水位;自动控制; 水位显示;报警 ABSTRACTLarge water tanks are a lot of companies essential to the production process of parts, its performance and the qual
3、ity of work not only on production of the fine has enormous influence, but also the safety of production. In the past, many of the tanks are operated by the staff to operate, so that artificial means a lot of drawbacks, such as the water level control, water tanks at all times to monitor the environ
4、ment, and so on the night of monitoring, the operator slightly negligence, or damage to the Summary of the monitoring device will bring irreparable damage will be even more serious crisis in production, such as the personal safety of staff. Therefore, control of water tanks, if the use of sophistica
5、ted and can totally be run in strict accordance with the provisions of the automated production system that can maximize the chances of avoiding accidents, but also save resources and can effectively improve the efficiency of production. The purpose of single-chip system design is the application of
6、 single-chip control technology, to 8051 as the core to control the water level in water tanks, and of the alarm and manual, automatic switching function. The system is easy to operate, good performance, more in line with the power to control the production of the necessary water system.KEY WORDS: S
7、ingle chip microcomputer ;Voluntarily control the Lever level ; Relay;Auto-protecting;Alarm 目 录摘 要IABSTRACT。第一章 绪 论1第二章 系统设计32.1系统设计任务和主要内容32.2系统方案32.2.1总体思路32.1.2设计方案42.2系统方案选取42.2.1传感器选择方案42.2.2 A/D转换方案42.2.3单片机复位方案52.2.4单片机起振方案52.2.5水位显示驱动方案52.2.6电机驱动方案62.2.7电机选择方案6第三章 硬件设计73.1单元模块设计73.1.1 A/D转换设
8、计73.1.2起振电路设计83.1.3数码显示设计93.1.4电机驱动设计103.1.5电机控制103.1.6报警电路113.2系统整机分析12第四章 软件设计134.1 详细流程图134.1.1主程序134.1.2 中断子程序144.1.3 水位高度子程序154.1.4查表子程序154.1.5状态子程序164.1.6 状态控制子程序18总结36致 谢37参考文献38附录一39附录二41 第一章 绪 论1.1 课题背景水箱水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
9、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和良好的人机界面,操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数,这样能有效
10、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,许多科研所在这方面开展的工作更看重的是
11、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,与实际生产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,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
12、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 使用单片机实现水箱水位控制的优点使用单片机实现水箱水位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用MPM416W/426W投入式液位传感器测量水位,可以有效保证水位的自动控制,能更好地对水箱水位进行自动化控制,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对水箱水位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好;单片机不仅有体积小,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,同时有助于发现可能
13、存在的故障,通过微机实现给水系统的自动控制与调节,维持稳定系统,保证安全经济运行。此次设计就是采用AT89C51单片机为核心芯片的一种水箱水位控制系统,具有较高的实用价值和优越性。本系统与PLC控制系统相比大大降低了使用成本,提高了控制运行速度。根据仿真模拟运行的结果表明,该系统能很好的运行,将液位控制在给定的范围内,对过高和过低进行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。 第二章 系统设计2.1系统设计任务和主要内容本系统主要研究基于单片机的水箱水位控制系统。实现水位显示和报警,自动控制等功能。操作方便、性能良好。主要内容如下:1 当水箱水位低于20%时,启动主,备电机给
14、水;当水箱水位高于20%而低于80%时,启动主电机给水,备用电机停止给水;当水箱水位高于80%时,主、备电机同时停止给水。2 当水位低于10%的时候,由传感器经变送器发送信号,系统水位低报警;当水位高于10%而低于80%的时候,系统水位不报警;当水位高于80%的时候,由传感器经变送器发送信号,系统水位高报警。 80% 20% 水箱 10% 阀门 进水 进水 主电机 备电机 图2.1 系统结构设计图 2.2系统方案2.2.1总体思路水位高度的检测:利用水位传感器完成。传感器输出信号处理:传感器输出信号,有直流电压和直流电流之分。设计中需将这一信号进行处理,以便单片机能够接收和处理。单片机控制:单
15、片机将由前级输入的检测信号进行分析和处理,从而产生相应的控制信号。数码显示、电机驱动和报警电路根据单片机产生的控制信号,作出相应的动作。电机控制电路根据电机驱动电路的状态作出相应的动作。2.1.2设计方案水位自动控制电路是通过水位传感器将水位高度转换为010V的直流电压,再经过A/D转换后,将转换所得的8路并行数字量送入单片机进行处理来达到对水位进行自动控制的目的。通过对电压和水位的转换关系,最终利用单片机进行精确的控制,实现对水位高度的显示、主/备电机和报警装置的控制。 水位自动控制器由6个部分组成,即水位传感器、A/D转换、单片机、数码显示、电机控制、报警控制部分,其总框图如图2.2.2所
16、示。2.2系统方案选取2.2.1传感器选择方案 传统的水位检测通过设检测点来完成对水位的检测。通常,由于受检测点物理体积的影响,水位检测点的数目有限,从而影响了后续电路控制的精度。本设计采用新型水位传感器,可以达到对水位高度的精确检测,以利于提高后续电路控制的精度。2.2.2 A/D转换方案通过对传感器的选择,可知由传感器输出的水位高度信号是010V的直流电压。在设计中,可以通过采样、保持电路对这一信号进行处理,将模拟信号转换为多个采样点信号。但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响,不可能对水位信号做出精确的处理,近而也无法对电机、水位高度显示和报警做出精确的控制。因此,本设计中采用集成
17、芯片ADC0809对010V的直流电压进行处理。可以达到:电路简洁、明了。高转换精度。高控制精确。2.2.3单片机复位方案RST/VPD:复位/备用电源线,可以使单片机处于复位(即初始化)工作状态。通常,单片机的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种,图2.2.3给出了它们的电路。考虑到,水塔与居民生活密切相关,当因特殊原因导致单片机掉电,需单片机立即自动复位(如:夜间短时间停电,导致本系统停止工作),故本设计采用上电复位方式。 2.2.4单片机起振方案XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器,石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。也可以采用外部时钟源驱动器件。
18、考虑到设计、使用的方便,本设计中采用片内时钟驱动。即XTAL1和XTAL2只需外接晶振(配上相应的电容),便可以给单片机提供相应的时钟频率。2.2.5水位显示驱动方案 本设计中需将水塔水位高度在数码管中进行显示,有两种方案选择:利用MAX7219进行驱动:MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管,可以数片级联,而与微处理器的连接只需3根线。MAX7219内部设有扫描电路,除了更新显示数据时从单片机接收数据外,平时独立工作,极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。利用74LS48驱动数码管:与单片机连接较为复杂,需占用单片
19、机8个端口。且在与数码管连接时需附加上拉电阻,用以完成数码管的驱动。考虑到本设计中,需显示的位数较少(两位),若利用MAX7219驱动数码管,将造成资源浪费,且MAX7219芯片价格较高,采用后大大提高成本支出。同时,随着MAX7219的使用(对MAX7219的编程)将提高源程序的复杂度,对编译、调试和单片机运行效率都将造成影响。故设计中采用74LS48驱动数码管显示。 2.2.6电机驱动方案利用单片机驱动交流接触器,进而驱动电动机的运转。其中,在单片机的输出端到交流接触器间需接驱动模块。该驱动模块,可以由分离元件组成放大电路来实现对交流接触器的驱动,也可以单使用一块芯片实现。本设计中,采用一
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