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1、I 编号： 课程设计说明书题 目： 水位控制器设计 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 自动化 学生姓名： xxxxxxxxxxxxx 学 号： xxxxxxxxxxx 指导教师：xxxxxxxxxxxxx职 称： 研究员 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013年7月 5日 摘 要 半个世纪来，随着控制理论的深入研究，出现了许多新的控制算法。液位高度控制是工业控制过程的一种典型控制模型，进行液位控制课题研究，有助于学生进一步学习单片机、微机控制、自动控制理论等相关课程。在动态状态下，采用合适的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。PID控制是目
2、前采用最多的控制方法。根据液位系统的特点，设计合适的PID控制器对其进行液位控制，不仅成本低，而且控制效果好，具有较高的使用价值。 本文主要是利用双向水泵对水箱进行进水与排水控制，也就是进行对水箱液位控制系统的设计，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID算法、传感器等一系列知识。选用合适的器件设备、控制方案和算法，为能最大限度地满足系统对控制精度、实时控制等控制品质的要求。关键词 PID控制 单片机 液位 Abstract In recent years, with in-depth study of control theory, many new control algorithm.
3、 Liquid level height is an important parameter in industrial control process, under dynamic condition, adopt the appropriate methods to control the liquid level detection, and can get very good effect. PID control is one of the most control methods. According to the characteristics of the liquid lev
4、el system, design a suitable PID controller for level control, not only low cost, and good control effect and has higher use value. This article mainly is to use the two-way water pump to control the feed water and drainage water tank, in a word, is the design of water tank level control system, inv
5、olves the level of dynamic control, the modeling of the control system, PID algorithm, sensors and so on a series of knowledge. Choose the right components, equipment, control scheme and algorithm to maximize meet the control accuracy and real-time control system control quality requirements.Keyword
6、s PID control ; Industrial ; Liquid level ;singe chip 目 录引言1 背景知识及系统设计要求1.1 背景知识1.2 STC12C5A60S2系列单片机介绍1.3 系统设计要求1.4 系统设计方案2 主要器件的选择及论证2.1 微处理器的选择2.2 驱动模块选择2.3 输出模块选择2.4 输入模块选择3 硬件电路的设计3.1 STC12C5A08S2主控模块设计3.1.1 stc12c5a08s2最小系统芯片部分83.1.2 stc12c5a08s2最小系统I/O口部分93.1.3系统驱动模块部分3.2 总原理图与PCB效果图4 软件设计4.1
7、 AD转换的程序4.2 LCD程序4.1 按键程序14.1 关于中断14.5 关于PWM24. 关于主程序25 调试过程5.1 液位传感器定标5.2 硬件调试过程5.3 软件调试过程6 对系统的总结与展望6.1 总结6.2 展望谢 辞参考文献附 录20 引言 本课题中我们设计了基于单片机控制驱动器驱动水泵来进行水位控制的控制系统，实现了连续控制和跟踪水位，并以液晶实时显示水位。该方案具有原理简单、想法新颖、容易实现、精度高等特点，控制系统对于提高工业自动化水平和提高生活供水质量具有重要的意义。在生产领域中，实现水位自动检测和控制是工业过程控制的一项关键技术，对于提高工业过程控制的自动化水平有着
8、重要的意义。在生活领域中，供水方式过去一般是通过人工来实现控制，容易造成对水资源的浪费，所以现在人们越来越关注水资源的问题。目前，水位控制系统是受到广泛应用的供水系统，水位控制可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制、传感器控制等，但传统的控制方式存在控制精度低、能耗大、不能实现连续控制和跟踪水位的特点，所以本论文设计出更方便更准确的水位控制系统。1 背景知识及系统设计要求1.1 背景知识 本课题涉及了单片机、自动控制原理、传感器、计算机控制技术等相关课程，需要熟练编写单片机程序、设计控制算法、正确标定传感器与ad转换的数据曲线、正确进行分段线性拟合、根据实际水位和目标水位的差值
9、用pwm脉宽调制技术进行pid调节。其中单片机程序设计为重点，主要用到其中的定时器，内置ad，中断和寄存器相关知识。1.2 stc12c5a60s2系列单片机介绍 stc12c5a60s2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期单单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但是速度快了812倍，内部集成max810专用复位电路，2路pwm，8路10位ad（250k/s），针对电机控制，强干扰的场合。本课题中由学校提供一片stc12c5a08s2单片机，用其进行课题设置完全能满足需求。1.3 系统设计要求 在学过的单片机的一些知识的基础上，通过自主学
10、习，学会另外一些单片机的应用，学会那种单片机的一种或者几种语言的编程，学会运用学到的新的单片机控制外围的芯片、电路模块，设计一个液位控制器，实现4项功能，基本功能：单片机正常工作；功能1：用H桥芯片驱动水泵进行正反转；实现水箱进水与排水控制；功能2：实现用压力传感器进行液位的测量；功能3：键盘可进行水位设置，实际水位可以实时显示。1.4 系统设计方案流程图：主程序流程： 开始进入主程序，开启计数器，开中断，将固定字符送lcd输出显示。根据算术结果进行水泵转动控制在while循环中等待定时器0溢出，每次溢出时进行实际液位于目标水位的位差计算并由此求取所需要的水泵转向的控制信号输出以及水泵输出功率
11、，将其换算为满功率对应占空比信息。进入while循环中，不断刷新ad测出实时数据、按键数据并分别送lcd显示。 开始外部中断1中断服务程序流程：得到新的按键值999 ？按键值为 0 9数字？将原按键值乘与10置高位再加上新按下键值每当4*4按键中扫描到按键按下就进入外部中断程序，读取按键值 将键值最高位去除 退出中断服务程序定时器1中断服务程序设计pwm波形流程：退出中断服务程序 使能输出pwm低电平Time=100？ 使能输出pwm保持高电平 使能输出pwm低电平Time=目标占空比？每10us进入定时器1中断中将time自加12 主要器件的选择及论证2.1 微处理器和ADC的选择 老师提供
12、的stc12c5a08s2是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但是速度快了812倍，内部集成max810专用复位电路，2路pwm，8路10位ad（250k/s），用来进行课题设置完全能满足需求。其中开通一路ad通道采集液位信号就可以，并且精度能达到1/1024足够满足课程精度要求了，若需要再提高精度，可以考虑多开通一路ad通道采集一路标准电平信号用作参考电压来计算减小液位电压的误差。在本次试验中ad转换取高八位1/256的精度就已经足够了，本人采用十位转换精度，经验证最后精度能保持在1毫米误差内，已经满足需求，所以参考标准电压的ad通道只作用预留接口
13、附加设计在硬件中，而未使用之，若读者需要可将参考电压（推荐为2.5v）加入p.14口，并在程序中加入P1ASF = 0x10; （开启p1.4ad通道）。2.2驱动模块的选择由于单片机的负载功率不足以驱动水泵并且控制器与控制对象应该进行电气隔离进行保护，所以应该加入驱动模块，本次课题中我们考虑了293、298器件，最后为了确保供应电流能满足水泵考虑了功率因素采用了298电路，经验证满足设计需求，293为经验证但是理论上可以尝试。298控制端口需要接入in1 in2 ena使能 3个控制端，其中常用控制方式有两种，一是将ena使能置高，in1 in2接入两组互补的pwm波形控制out1 out1同步输出两组互补pwm波形。二是将in1 in2分别接一高一低来决定输出转向，ena接入一个pwm脉冲
