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1、液位控制系统的研究与设计目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21 绪论21.1 课题背景与研究意义21.2 国内外研究现状与发展31.3 本课题主要研究内容42 水箱液位控制系统的模型分析42.1 水箱液位问题分析42.2 水箱液位控制系统的原理框图52.3 水箱液位控制系统的数学模型62.3.1 确定过程的输入变量和输出变量62.3.2 建立数学模型62.3.3 求液位控制系统微分方程式72.3.4 误差性能分析73 基于单片机的水箱液位控制系统设计83.1 核心芯片805193.2 系统的硬件设计103.2.1 液位传感器的设计113.2.2 A/D转换器的选择1
2、23.2.3 液位的调节及控制部分133.2.4 LED显示及报警部分133.2.5 电机控制模块软件设计143.3 系统的软件设计143.3.1 软件设计流程图143.3.2 系统软件编译开发环境153.3.3 显示与A/D转换的数据处理153.4 系统主程序173.5 基于单片机的水位控制系统的抗干扰措施173.5.1 硬件抗干扰电路的设计173.5.2 软件抗干扰的设计173.6 结论18参考文献19附录20致谢223液位控制系统的研究与设计自动化专业学生 XXX指导教师 XXX摘要：液位智能监控系统是现在生产生活中必不可少的部件，对液位的测量和控制效果直接影响到产品的质量，而且也关系着
3、生产的安全。在过去，大量的对水位监控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，时刻监控蓄水池的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，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，液位控制很重要。 本文介绍了液位控制系统的数学模型，主要设计了一种水箱液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机，压力传感器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，同时也具有压力报警和显示控制的功能,并对液位和压力值进行显示。关键词：模型；单片机；水位；控制；报警Research and Desi
4、gn of Liquid Level Control SystemStudent Majoring in Automation XXXTutor XXXAbstract: The intelligent control system is now the production and life of the essential components of itsperformance and quality of the work for more than a great influence, and also relations with the production safety. In
5、 the past time, a lot of water level monitoring operation is by the staff to operate. This is a greatdisadvantages, such as water level control, water environment monitoring, and on the night of monitoring, the operator slightly negligence, or monitoring device easy damaged, will bring irreparable l
6、oss, more that will be a serious crisis to the production personnels personal safety.So, the intelligent control system is very important. This paper introduces the mathematical model of the intelligent control system. It has introduced a kind of water tank warning apparatus based on single chip mic
7、rocomputer. It can guard against the oil pressure of the lubricate system, atmospheric pressure of the braking system，temperature of the cool system, tyre owing to press and the thief of automobile, and to carry out automatic detection , and sends out the alarm signal when discovering unusual condit
8、ions .Have elaborated the design ideological, hardware composition and software train of thought of the alarm system.Key words: Model；Single-chip；Level；Control；Alarm 引言 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介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，例如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉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
9、对某一液位进行控制调节，使其达到所要求控制的精度。液体液位的自动控制,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仪表控制。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。如果要达到较复杂的自动控制，必须建立复杂的数学分析模型。生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。电力
10、拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。使用单片机实现水体液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位自动控制，能更好地对水体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,方便了人员对液位系统控制,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存在的故障，通过微机实现给水系统的自动
11、控制与调节，维持稳定系统，保证安全经济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种水体水位控制系统，具有较高的实用价值和优越性。具有市场前景。1 绪论液位控制在日常生活中有着非常广泛的应用。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都起着重要作用。各种各样的液位控制模型层出不穷，较好的数学模型对于液位控制系统的研究至关重要。随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本文初略的研究了液位控制系统的数学模型，设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。1.
12、1 课题背景与研究意义 在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。例如低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷。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)
13、具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件人机界面，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，这样能有效减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。1.2 国内外研究现状与发展从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，随着各种数学模型的建立，逐步发展成了大系统理论1。液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。（1）接触式测量法接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就
14、不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。（2）非接触式测量法非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法等。其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。(3)光纤测量法光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、
15、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成网络等。目前，市场上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。基于单片机的液位变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。1.3 本课题主要研究内容 本文选择以水箱的液位控制系统为研究对象，分析水箱液位控制系统的基本构成，第二部分涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性系统，建立数学模型，分析水箱液位控制系统的内在机理，并进行误差分析，能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。第三部分利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。具体要求如下：(1)设计单片机工作电源模块及其复位电路(2)选择合适的水位传感器，单片机通过相应的调
