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1、第一章 绪 论1.1 课题背景随着计算机技术、测量技术和控制技术的高速发展，越来越多的先进测量控制设备、技术和方法在自动测量控制领域中得到了广泛的应用。单片机以其自身的特点，已广泛应用于智能仪表、工业控制、家用电器、电子玩具等各个领域。本课题适应了这种发展趋势，将单片机应用于液位自动控制系统中，并能实现自动报警、自动控制。液位的测量广泛应用于太阳能热水器，工业锅炉控制，农用机水箱等。液位控制对工农业生产、医疗监护等都有着重要的意义。液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，在工业生产的各个领域都有广泛应用。在工业生产中，有许多需要对容器内的介质进行液位控制的地方，使其高精度的保持在给定的数值。
2、液位控制一般指对某一液位进行调节控制，使其达成所要规定的精度。液体的液位控制是近年来新开发的一项新的技术，它是自动控制、微型计算机软件、硬件等几项技术紧密结合的产物，工业作业采用的是微机控制和原有的仪表控制，微机控制的优势有很多，如：（1）集中而直接的显示各运营参数和液位状态。（2）具有水体控制过程的自动化解决以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上可以依据控制效果及时修正运营参数，可以有效减少人的疲劳与失误，从而提高生产过程的安全性与实时性。（3）在运营中可以随时方便的修改各种各样的运营参数的控制值，并可以修改系统控制参数，方便的改变液位上、下限。本设计以水塔供水为模型，鉴于单片机
3、液位控制装置的反复性好、功耗低、测量准确、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位控制系统，具有实时液位测量监控数据解决等功能。1.2 单片机简介单片微型机简称单片机，是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路的技术把具有数据解决能力的中央解决器CPU（Central Processing Unit）、只读存储器ROM（Read Only Memory）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、中断系统和多种I/O口、定期器/计时器等功能（也许还涉及显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机是
4、嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表达单片机，最早是被用在工业控制领域。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机是程序运营中,也许需要修改,通过不同的程序实现不同的功能。单片机自动完毕任务赋予它的过程,也就是单片机程序执行过程,即执行的指令的过程,就是所谓的指示需要各种各样的操作与单片机执行命令的形式写下来,这是在设计人员赋予它的指令系统的决定,一条指令相应一个基本操作,单芯片能执行所有的指示,是单片机教学系统,不同种类的单片机、指导体系也有所不同。一系列的指令集,将成为程序,程序通常是顺序执行的,所以程序中的指令也是一个序列的
5、存储、单片机在执行程序可以把这些指令去执行,一个人必须有一个组件可以追踪在指令的地址。程序计数器部分是一个PC(涉及CPU),在开始执行程序,PC连接到程序的第一条指令的地址,然后给每一个执行命令,电脑上的内容,会自动增长在指令长度决定增长,也许是1、2或3指下一条指令,保证的起始地址指令顺序执行。 初期的单片机都是8位或4位的。最成功的一次是8031年,由于以英代尔为主的简朴、可靠和良好的性能得到了许多赞扬。接着在8031年开发了系列MCS51单片机系统。基于该系统的单片机系统,直到现在还被广泛应用 。MCS-51系列单片机适合于实时控制，可构成工业控制器、智能仪表、智能接口、智能武器装置以
6、及通用测控单元等等，目前世界上一些大半导体公司推出的具有51内核的系列化单片机产品，其指令系统、地址空间和寻址方式、甚至连引脚功能也完全兼容。由于MCS-51系列单片机体积小，功能全，价廉，面向控制，开发应用方便，因而具有极强的竞争力，此后它仍然是工业界、科技界广泛应用的8位微控制器。以单片机为基础的控制电路，有着价格低，体积小，系统结构简朴，易于控制，解决能力强等优点，使得其应用领域相称广泛，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。1.3 本课题研究内容及意义本课题采用单片机实现对液位的自动监测，自动控制，经传感器测得液位，经AD转换后再送单片机解决，单片机将数据交由液晶显示
7、器显示，并将所得数据与键盘输入液位上下限进行比较，以决定是否进行报警，自动上水放水等。本课题完全可应用于实际当中，由于其显示精确，可实现报警，自动控制，可以省去不少人力，物力。 第二章 系统设计方案2.1 基于单片机的液位控制系统设计规定本系统由单片机AT89C52、液晶显示器、报警器、键盘、传感器和其它基本外围电路组成 。规定：对液位传感器采集的液位信息进行放大、A/D转换等解决，并设计其前端数据采集与相应的输出控制硬件电路，完毕相应的单片机软件控制设计。液位信息经传感器采集后送入单片机，单片机进行控制并送液晶显示，可用键盘进行控制液位上、下限。2.2 总体设计方案2.2.1 总体设计方案的
8、选择考虑系统的设计规定，在对器件选择的过程，重要侧重于对传感器的选择。传感器的选择考虑到实际应用中的诸多问题，如可靠性、稳定性等。以下方案是对其进行的比较。方案一：非接触式液位传感器非接触式液位传感器只能穿透非导体的容器壁,金属容器或镀金属膜容器壁均无法使用。且粘稠度高不易流动的液体,假如沾粘容器壁过多,也许导致非接触式液位传感器无法使用。且对装环境也有很高规定，须垂直紧靠容器壁安装,以避免相对运动，且安装在长期连续震动的场合。因此，尽管其高灵敏度、高稳定性，也不满足设计的需求。 方案二：投入式液位传感器 投入式液位传感器是一种用于测量液位的压力传感器。投入式压力传感器的基于液位传感器测液体静
9、压和高度比例的那么液体的基本原理,介绍了国外先进的隔离型扩散硅压力敏感元件或陶瓷电容敏感传感器,会被转换成电子信号,静压力和温度补偿后,进入一个标准线性校正电信号。投入式静压咯力和液位传感器准确看来测量,只有借鉴大气压力,然而连接电缆通气会受到环境的影响,引起气管墙缩合、冷凝。露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度者输出漂移。此传感器 容易受环境的影响而导致测量不准确，且安装不方便。方案三： 电容式液位传感器电容式液位传感器运用电容两极板间的电容值的变化来测量液面高低。电容式液位传感器具有小，容易实现远传和调节的优点，合用于具有腐蚀性和高压介质。但也有许多缺陷，如：介质和液面上部的介电常数必须
10、保持恒嘛呢定才干准确测量；测量范围受金属棒长度限制；对容器材质有较高的规定；被测介质具有导电性。以此也不适合在本次设计中使用。方案四：超声波传感器超声波传感器他是工业领域吗的第一款在产品上有的按键设定的功能和自诊断功能的小型传感器。它体积小，具有其它大型传感器所具有的功能，安装使用方便且不受被测物体的颜色影响，有许多的特设功能，其供电电压为1030V，测量范围为30mm300mm，输出电压0V10V，输出电流为4mA20mA，最小负载阻抗2.5 欧，精度可达成0.5mm，外形分为直线型和直角型。此传感器测量范围太小，不能符合此设计规定，所以不选择。方案五：LM1042液位检测器集成芯片LM10
11、42是用于检测液位的专用的集成电路，内部集成了所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路，具有很强的功能。 LM1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体液面高度，能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或反复测量，所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路都集成在LM1042芯片内部。此外该芯片可采用线性输入或其它传感器信号作为输入信号。LM1042液位检测器可以选择热阻或线性信号作为输入,具有集成有热阻探针的控制电路，LM1042液位检测器在复位时切换，延时功能可避免瞬态信号的影响，此外LM1042液位检测器具有探针短路、开路检测功能。所以此设计选择本方案，LM
12、1042液位检测器的具体原理图见第三章。2.2.2 总体方案简介测量部分：液位传感器采用LM1042液位检测器，并在端口接ADC0809的一个模拟量通道。ADC0809和并行口扩展芯片8155直接相连，ADC0809的A、B、C均接地来选择第一路模拟通道。键盘部分：鉴于键盘并不常用，所以上下限的输入采用中断方式。一个接中断口1，另一个接至定期计数器0，把定期计数器0扩展为外部中断口。显示部分：该部分由液晶显示器1602实现液位的显示，液晶显示器上显示液位的值。报警部分：当液位高于由键盘输入的液位上限或低于由键盘输入的液位下限时，蜂鸣器发声报警。控制部分：当液位高于由键盘输入的液位上限时，单片机
13、启动电动机开闸放液体；当液位低于液位下限时，单片机启动电动机自动上液体。为减少执行机构对单片机的影响，提高稳定性，在执行机构前加有光电隔离器，并由电磁继电器控制电动机的开关。单片机AT89C52报警电路电机执行机构键盘输入扩展电路8155液晶显示1602A/D转换ADC0809液 位 检测 图2-1 系统总体框图 2.3 硬件设计概要2.3.1 系统硬件电路设计原则一般在系统硬件电路设计应遵循以下原则： （1）尽也许选择标准化、模块化的典型电路，且符合单片机应用系统的常规用法。 （2）系统中相关的器件要尽也许做到性能匹配。 （3）可靠性及抗干扰设计是硬件设计不可缺少的一部分。可靠性、抗干扰能力
14、与硬件系统自身素质有关，必须认真对待。（4）硬件结构应结合应用程序设计一起考虑。软件能实现的功能尽也许由软件完毕，以简化硬件结构。但“软化”的结果也许会使响应时间比硬件的响应时间长。在实时性规定比较高的场合应采用硬件完毕。（5）单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。2.3.2 选择芯片及器件类型原则（1）货源充足，所选单片机芯片在国内元器件市场上货源要稳定充足、具有成熟的开发设备。（2）标准化，尽量符合国家标准或部标准（GJB、GB、SJ）的通用、技术成熟元器件。（3）研制周期短，在研制任务重、时间紧的情况下，应考虑采用自己比较熟悉的系列、型号。（4）性价比要高，在保证性能指标情况下，所用
15、芯片价格要尽也许低，使系统有较高的性价比。（5）优先选择经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前程的标准元器件。不允许选购被市场淘汰的产品。2.3.3 液位检测系统硬件的选择（1）主控元器件单片机的选择AT89C52是一个低电压、高性能CMOS八块包含8 k字节的只读,可反复CaXie闪光程序内存和256字节的数据随机存取记忆体(RAM),这种装置使用的高密度ATMEL公司生产的、非易失的存储技术,通过mcs51汇编语言指令系统emc标准一般的8位,内置的CPU和Flash存储单元AT89C52单片机,在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52是一种高效微控制器,由于大量的嵌入式控制系统提供了一种灵活性高和低价格的计划。 （2）液晶显示器的选择液晶显示的原理(LCD)是用液晶物理特性,通过电压的显示区域控制,有电的人说这即可以显示图形。液晶显示器与厚度薄,适于大规模集成电路直接驱动技术、易于实现全彩色显示的特点,已被广泛应用于便携式电脑、数码相机、PDA移动通讯工具,等。1602字符型液晶显示模块是专门用来显示字母、数字和符号的形成与液晶显示模块,点可以显示二本线,每一行的十六个人物。4分和
