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1、液位自动控制装置（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）G甲1038 G题液位自动控制装置设计者 高少博、杜阿安、贾兆磊赛前辅导老师 姚福安、万鹏院校 山东大学 专业 控制科学与工程学院 物流工程摘要：本系统装置是以凌阳61单片机为核心，以键盘和红外光电对管为输入系统，以液晶显示器、声光报警电路及步进电机为输出系统的液位自动检测与控制装置。系统利用连通器原理，将测储液瓶的水位高度变为测与之相连通的管子内的水位高度。键盘为单片机所配置的独立式键盘。光电对管的功能为检测连通管内浮子的位置，进而可知管内水位高度即储液瓶内的水位。步进电机带动光电装置移动。采用凌阳61单片机
2、的RART中断进行主机与从机之间的通信。并且当储液瓶内液位低于或超出特定值时声光报警电路发出报警信号。关键词：液位控制，红外光电对管，步进电机，SPCE061A,通信。ABSTRACT:This Auto-controlled System witch based on Sunplus 61 MCU device and formed with keyboard ,photovoltaic systems, LCD monitors, sound and light alarm circuit and stepper motor is to achieve the goal of automa
3、tic control of the liquid-level. Liquid-level detection system forms the output device.The water level of the tube which connect with the bottle of liquid-level detection will be measured. SCM keyboards are configured for stand-alone keyboard. Connected to the control function of the photoelectric d
4、etection tube floater position, then we can see that the reservoir water level pipe poured the water. Sunplus 61 suspended for using SCM RART between the host and slave .When the reservoir and poured some liquid level below or above the specified value Alarm Circuit issued a warning sound and light
5、signals.KEYWORD: control of liquid-level ,tube of Infrared photo,setpper motor, communications， SPCE061A.目录一 、方案比较、设计及论证41.1 主控制器模块4方案一：4方案二：4方案三：41.2 液面检测模块及方案4方案一：4方案二：41.3 受液瓶蓄排水系统方案选择5方案一:5方案二：51.4 键盘方案的选择5方案一：5方案二：51.5 显示方案选择5方案一：5方案二：51.6 系统各模块的最终方案5二 、系统的硬件设计与实现72.1 主控制器电路的设计72.2 红外光电对管电路设计72
6、.3 步进电机驱动电路设计82.4 ZLG7289键盘控制电路102.5 显示模块122.6 出水与进水模块电路122.7 声光报警模块13三、系统的软件设计133.1 主机程序流程设计143.2 从机程序153.4从机水位控制程序模块设计16四、系统测试184.1 测试仪器194.2 性能测试194.2.1 水位控制测试19报警及异常情况处理检测194.3 测试结论19五、结论分析与总结20参考文献：20附录：20一 、方案比较、设计及论证1.1 主控制器模块单片机作为整个运动系统的控制核心，根据题目要求，主要作用是对水位信号的接受和液晶等显示部分的数字信号处理。对于中央控制器的选择我们有以
7、下三种方案：方案一：采用MCS51系列单片机。51系列单片机价格便宜，使用简单，开发软件以及硬件调试器型号众多，应用广泛而普遍。但是51系列单片机RAM,ROM等资源少，外围模块少，指令周期长，运算速度较其他RISC指令系统单片机慢。方案二：采用PIC18F4620单片机。PIC18F4620采用哈佛结构，以及RISC指令系统单片机，其具有1K RAM，64K FLASH，丰富的I/O口资源，内置A/D，内置EEPROM，看门狗电路，倍频电路等丰富的外围模块，一个指令周期是四个机器周期，运算速度快，完全能够满足我们的系统要求。但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不方便，使用不广泛。方案三：
8、采用凌阳16位单片机SPCE061A。SPCE061A是一款16位结构的微控制器，其具有指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理。内置2K字节SRAM，32K字节FLASH，SPCE061A有两个10位通用的并行I/O口以及其他丰富的外围模块。其内部具有倍频电路，16位运算以及丰富的RAM资源使其数据处理能力强大，另外由于其是凌阳公司大学计划的推广芯片，使用极其方便。1.2 液面检测模块及方案方案一： 采用红外光电对管即红外发光二极管和接收管组合通过检测漂浮于水面上不透光浮子的方法来检测水面。对水位的跟踪方式是由步进电机带动光电对管的上升与下降，当对管遇到浮子时作出电平变换，输入
9、单片机，进而进行处理。以记录步进电机的步数来计算水位高度。方案二： 采用使用霍尔元件检测水面的带有磁铁的浮子来确定水面位置，霍尔元件由磁性材料和电桥与运算放大器构成，当有磁场通过霍尔元件内部的磁性材料时，霍尔元件内部的电桥平衡被破坏，这样使运算放大器产生输出变化。此方式需要大量霍尔元件来事时监控水面位置。结论：由于要达到0.3cm的精度，用步进电机可以实现微小距离的移动，带动光偶实现先天性的高精度，红外线波长比可见光波长长，因此受可见光的影响较小，同时红外系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，能有效的抗可见光波段的伪装，对辅助装置要求最少，外围电路简单；霍尔元件优点是不需要动力系统硬件固定于容器
10、壁，不需要复杂的机械设计，而霍尔元件由于体积限制不能直接通过硬件来实现此精度，且对大量信号需要额外的硬件电路设计，故这里采用第一种方案。1.3 受液瓶蓄排水系统方案选择本设计中用2.5升的可乐瓶作为受液瓶，可供选择的方案有：方案一: 蓄排水均用电磁阀，此方式根据“水往低处流”通过两电磁阀的开关分别控制水流进出。方案二： 用电磁阀和水泵各一个，水泵价格便宜，可以相对减少总体开支，系统由水泵供水，电磁阀放水，此方式不需要苛刻的液位差，在实际生活中更实用且符合生产生活的实际情况与应用。结论：考虑到本设计中受液瓶位置较高如果采用方案一则外观看起来系统庞大，考虑到与实际的符合情况最终选择方案二。1.4
11、键盘方案的选择 方案一： 采用矩阵式键盘，此种方案硬件制作简单，系统成本有所降低，且采用矩阵式行列扫描、方式，虽然当按按键较多时，可以相对减少需要的单片机I/O口的数目，但在需要双机通讯且一主多从的I/O口紧张的电路中太多按键的设置难以实现，进而会成为对软件的扩展的瓶颈，且电路结构复杂、编程难度较大。 方案二： 采用可编程逻辑芯片来控制安键，此种方法对软件要求不高，容易编程，可以使用相对数量较多的按键，例如ZLG7289A。ZLG7289A是周立功单片机的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片，其具有串行接口，可以连接多达64键的键盘矩阵，可直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED），内含去抖动
12、电路，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。内有译码电路，大大简化了程序的编写。故其突出优点就是采用串口通讯，占用CPU端口少，对CPU负载携带能力要求低，使主控单片机实现更为关键的控制功能。结论：本设计中键盘输入只是整个控制系统功能的一小部分，其作用只是命令输入，不应该占用太多单片机有限的I/O口线资源。综合考虑两种方案及题目要求，采用第二方案可以实现控制电路的较复杂的人机交互模式，故采用方案二。1.5 显示方案选择方案一： 采用数码管显示液位，数码管价格低廉，但要实现数量较多的数码管的显示需要比较复杂的硬件电路，且对输出内容有很大限制。方案二： 采用OCMJ4X8C液晶可以实现事实图
13、示输出，有很好的界面，且由于已经集成汉字，可以通过简单编程实现复杂多样的显示。结论：由于题目中要求一多从的控制方式，数码管显示各个从机状态时不会直观的表达，在考虑到硬件与编程情况选择液晶。1.6 系统各模块的最终方案通过以上的分析与论证，决定了各模块的最终方案列举如下。（1）中央控制模块： 采用凌阳16位单片机控制；（2）液位测量： 采用红外光电对管和步进电机组合，实现动态测量；（3）出水与进水模块： 采用水泵进水，电磁阀出水；（4）水位设定模块：采用ZLG7289做键盘输入。（5）显示模块：采用LCD液晶显示。 通过上面具体方案分析及确定下来的方案可以设计如下图所示总的系统工作框图：位置数据
14、命令液位数据从SPCE061A步进电机LCD显示键盘主SPCE061A其他从机电磁阀光电对管LCD显示U型管内水位SPCE061A的UART通讯协议电压信号声光报警水泵水位下降水位上升图(1) 主机设定各个从机部分的水位数据，具体控制方法几内容由各从机控制。主机对各个从机返回的液位信息进行处理，以图表的形式显示于LCD上，液位数据由与主机相连的键盘输入，并且可以选择对具体从机进行事时监控。 与从机相接的LCD显示其从机所控制部分的水位信息。从机通过控制电磁阀的开关来控制出水，通过控制水泵开关来控制进水。通过步进电机来跟踪水位信息，对光电管返回的电压信号作出对应反应。二 、系统的硬件设计与实现2.1 主控制器电路的设计主控制单片机最小系统电路如图（2）所示。单片机接收从键盘输入的从机编码和液位数据，而后进行通讯，从机选择自己的数据，通过控制步进电机和水泵、电磁阀，完成各项功能。SPCE061A最小系统电路如图（2）所示。图（2）2.2 红外光电对管电路设计 光电对管是测量水面的关键元件，由于发射接受间的距离比较短，所以采用一般的发射接受管即可，但为了确保精确，必须有妨止干扰的附加措施，如给光电管加上不透光锡纸筒，发射与接受对准确。图（3）光电管的电路图设计。三个PORT端口分别是发射管的信号输出（接收到发射管的红外线信号为低电平，反之为高），
