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1、本科毕业论文学 院 物理电子工程学院 专 业 电子科学与技术 年 级 2008级 姓 名 设计题目 基于Proteus的液位自动控制系统的设计与研究 指导教师 职称 讲师 2012年 05 月 09 日1目 录摘 要1Abstract11引言11.1 液位控制系统的研究背景及意义11.2 课题设计目标及主要工作22方案论证22.1简单的机械式控制方式22.2复杂控制器控制方式22.3通过水位变化上下限的控制方式33硬件电路设计43.1单片机最小系统43.2液位检测电路63.3报警电路和电机控制电路64软件设计74.1系统软件编译开发环境74.2系统主程序流程图85 Keilc与Proteus连
2、接调试95.1 Proteus介绍95.2电路仿真96结束语10参考文献10致谢11附录12基于Proteus的液位自动控制系统的设计与研究学生姓名：冯峨宁 学号：20085044001学院：物理电子工程学院专业：电子科学与技术指导老师：钟莉娟 职称：讲师摘 要：供水是一个关系国计民生的重要产业。传统的人工供水方式，劳动强度大、工作效率低、安全性难以保障，为此很有必要对水塔水位进行自动控制。本文对不同的液位控制方式进行了分析比较，利用Proteus和Keilc软件模拟了水位控制系统硬件电路以及控制程序设计，并进行了系统调试和仿真，且调试成功。关键词：液位；自动控制；89C51；Proteus仿
3、真Design and Research of Liquid Level Auto Control System Based on ProteusAbstract：Water supply is an important industry for the peoples livelihood. Traditional way of water supplying makes higher labor intensity, lower efficiency and poor security. So, it is necessary to control liquid level automat
4、ically. In this article several different liquid level control methods are demonstrated. Meanwhile liquid level control systems hardware circuit and control procedures design are simulated by used of the software of Proteus and keilc, and systems debugging and simulation are successfully finished.Ke
5、y words：Liquid level；Automatic control；89C51；Proteus simulation 1引言1.1液位控制系统的研究背景及意义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
6、业采用的是微机控制和原有的仪表控制1，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）具有水位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2。单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快
7、、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课题设计目标及主要工作1.2.1 课题设计目标设计一个对液位进行监控的系统。当水位下降至下限水位时，启动电机；水位上升至上限水位时，关闭电机；水位在上、下限水位之间时，电机保持原状态；供水系统出现故障时，故障报警；故障解除时，水泵恢复正常工作。1.2.2课题设计主要工作该课题设计的主要工作分为以下两个方面：（1）系统硬件电路设计；（2）系统软件设计。2方案论证2.1简单的机械式控制方式其常用形式有浮标式、电极式
8、等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。2.2复杂控制器控制方式这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A/D变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量3；经由D/A变换给调压/变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水塔水位的目的。该方式的特点是可以进行实时数据处理且控制精度较高。但其控制电路较复杂、运算量很大、成本较高。2.3通过水位变化
9、上下限的控制方式这种控制方式的水位控制原理图如1所示，图中的虚线表示允许水位变化的上下限位置。在正常情况下，水位应控制在虚线范围之内。为此，在水箱的不同高度固定不动的3根金属棒A、B、C，以感知水位的变化情况，其中，A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上、下限水位之间。A棒接+5V电源，B棒、C棒各通过一个电阻与地相连。水箱由电机带动水泵供水。单片机控制电机转动，随着供水，水位不断上升。当水位上升到上限水位时，由于水的导电作用，使B、C棒均与+5V连通，因此b、c两端的电压都为+5V，即为“1”状态，此时应停止电机和水泵工作，不再向水箱供水；当水位处于上、下限之间时，B棒和A棒导通，而C
10、棒不能与A棒导通，因此b端为“1”状态、c端为“0”状态，此时电机应维持原有工作状态；当水位处于下限位置以下时，B、C棒均不能与A棒导通，b、c均为“0”状态，此时应启动电机转动，带给水泵给水箱注水。图1 液位控制原理图该方式所采用的信号是频率随水位变化而变的脉冲信号（开关量），因此电路设计中省去了A/D转换部分，这不仅降低了硬件电路的成本，而且由于采用数字脉冲信号通信，提高了系统的抗干扰能力、稳定性和精度。但该方式由于采用金属棒与被测介质（水）接触式测量，当时间长了，可能使金属棒的导电性能发生变化，从而影响液位控制系统的稳定性；另外，被控量水位总在上、下限之间振荡，如果设定的水位上、下限范围
11、小或用水量大，其振荡频率越高，则电机的启、停越频繁，对电网和机械的冲击越大。对此，我们应根据被测介质（水）选择合适的金属棒且应定期检查它的导电性；同时，我们也应根据现场的具体情况，选择合适的的上、下限水位。针对上述3种控制方式，以及课题设计的目标，本设计选择第三种控制方式。3硬件电路设计水箱供水的主要问题是箱内水位应始终保持在一定范围，避免“空塔”、“溢塔”现象发生4。目前，控制水箱水位方法较多，其中较为常用的是由单片机控制实现自动运行，使水箱内水位保持恒定，以保证连续正常地供水。实际供水过程中要确保水位在允许的范围内浮动，应采用电压控制水位。首先通过实时检测电压，测量水位变化，从而控制电机状
12、态，保证水位正常。硬件电路设计分为时钟电路、复位电路、液位检测电路、报警电路，电机控制电路几个部分，其系统结构图如图2所示。电机控制电路报警电路AT89C51时钟电路复位电路液位检测电路图2 液位自动控制系统结构图3.1单片机最小系统单片机AT89C51是本系统的核心，它主要负责控制各个部分协调工作。单片机采用40引脚双列直插式封装（DIP），其引脚排列和逻辑符号如图3所示，4个并行口共有32根引脚，可分别作地址线、数据线和I/O线；2根电源线；2根时钟振荡电路引脚和4根控制线5。图3 AT89C51引脚图3.1.1时钟电路单片机片内有一个高增益的反相放大器，其输入端为引脚XTAL1和输出端为
13、引脚为XTAL2，用于外接石英晶体振荡器和微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路6，如图3所示。电容C1和C2对频率有微调作用，电容取30pF。晶体振荡频率范围是1.2MHZ12MHz，一般情况下，选用振荡频率为12MHz的石英晶体。振荡脉冲信号经过内部时钟发生器进行二分频之后，才成为单片机的时钟信号7。其电路图如下。图4 时钟电路3.1.2复位电路当在80C51单片机的RST引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。实际应用中，复位操作有两种基本形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位8。本设计采用上电复位的方式，电路图如图5所示
14、。当接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降9。图5 复位电路3.2液位检测电路为了便于实现水位检测功能，用一个两位的拨码开关10模拟b、c端的状态(1、0)，正电极接+5 V电源，每个负电极分别通过4.7K的电阻(R1、R2)接地。将单片机的P1.0端口接开关1，P1.1端口接开关2。假设被水淹没的负电极都为高电平，此时开关置1；露在水面的负电极都为低电平，开关此时置0。单片机通过负电极12重复采集检测水位，当缺水时(此时两个开关均置0)，电机必须带动水泵抽水；若水位在正常范围内时，检测信号为高，低电平(此时开关1置1，开关2置0)；当水位过高时，检测信号为高电平(此时开关l和2都置1)，单片机检测到P1.0和P1.1为高电平后，立即停机。其接口电路图如图6所示。图6 液位检测接口电路3.3报警电路和电机控制电路为了避免系统发生故障时，水位失去控制造成严重后果，在超出、低于警戒界水位时，报警信号直接从高、低警界水位电极获得，系统发出报警信号，同时对电机的运转进行控制13。报警电路和电机控制电路的电路图如下图7和图8所示。图7 报警电路
