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1、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学院名称学号班级专业名称指导教师2014年6月3日徐州工程学院课程设计说明书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
2、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；自动控制目 录1绪论11.1课题背景11.2国内外研究的现状11.3题目说明21.4系统的总体研究方案31.4.1系统硬件总体方案31.4.2 系统软件总体方案32 控制系统结构框图与工作原理42.1结构框图42.2工作原理43系统模型的建立54系统硬件设计74.1微控制器选择74.1.
3、1 80C51电源74.1.2 80C51时钟74.1.3 80C51 控制线74.1.4 80C51 I/O接口84.2 A/D转换器选择94.3 D/A转换的选择104.4传感器与执行机构选型设计114.4.1液位控制系统114.4.2液位传感器设计124.5 80C51单片机外围电路设计134.5.1复位电路134.5.2自动报警电路134.5.3振荡电路144.5.4数码管显示电路144.6水泵选择及其电路的设计154.6.1水泵选择154.6.2 电机驱动电路的设计155 系统软件的设计165.1软件设计流程图165.2 软件主函数175.3电路图和仿真图186结论20参考文献21附
4、录22附录122附录223徐州工程学院课程设计说明书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
5、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，
6、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
7、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
8、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ts2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
9、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、
10、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
11、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。水箱液位
12、设定值+反馈值控制器D/A电动阀储水罐A/D液位传感器_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
13、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
14、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：
