水位自动控制技术.doc

1、目录1前言12总体设计方案22.1方案比较22.2方案论证42.3方案选择43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍、电路设计、元器件选择53.1.1 AT89C51单片机53.1.2 A/D转换电路63.1.3 信号采集电路63.2 特殊器件介绍73.2.1 AT89C51单片机73.2.2 ADC0809103.2.3LDN600液位变送器124 软件设计144.1 软件设计思路144.2 软件结构框图145结论166总结与体会177 谢辞18参考文献19 附录201前言由于自动化技术在工矿企业的广泛运用, 水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。目前成熟的水位自动控制

2、手段主要有单片机监控和比较电路监控两种, 其比较如下：单片机监控系统结构相对复杂, 需要硬件和软件同时支持, 外围电路相对繁琐, 但其人机交互性强, 功能强大, 控制精度高, 能够方便地与上位机通讯, 实现数据共享。在现实生产中主要应用在对控制精度要求较高的场合比较电路监控技术结构简单, 不需要软件支持, 价格低廉, 但是其较差的人机交互性和不具备数据共享的弱点决定了其只能应用在对控制精度要求不高的一般场合。本文就是立足于单片机，合理应用压力型液位传感器并且经过A/D后，数字信号可以经过处理用于显示液位的高度，使系统的功能得到进一步的完善，使系统能够自动控制容器中的水位始终处于我们所给定的值之

3、间。并且能很好的应用单片机来控制抽水电机的起停，同时利用计算机精确判断和控制：当水位低于下线时，控制水泵加水，当水位达到上限时，指示灯闪亮提示容器已经注满水，继而停止水泵的供水。像这样就可以将水位控制在外面所需要的高低水位之间了。此设计可以广泛用于日常生活及工业领域中，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。这样就可以比较精确的控制水位了，而不必像以前那样靠人工去观察水位的变化，减少了应人为的不慎而导致水位太高或者太低，减少了错误发生的可能性，极大的改善了水位的控制准度，同时也节约了大量的人力、财力，极大的提高了人们的生活水平。2总体设计方案2.1几种方案的比较方案一：机电控制式水位控制，

4、原理框图如图2.1所示：图2.1机电控制式水位控制工作原理：漂浮在水面上的浮球与控制器中的“检测机构”通过连杆机构相连，当水位发生变化时，浮球上下运动带动“检测机构”产生位移，这个位移可以直接用来驱动阀门动作，关闭或者开启进水口，调节水位。如果需要控制的水筏较大，浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，可以在“检测机构”与“阀门控制”之间增加一套机电控制驱动装置，具体控制过程为：“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；位移开关控制电机的转动；电机驱动水阀门。方案二：全机械结构的水位控制方式，家用抽水马桶是典型的全机械结构水位控制，以下是原理示意图2.2：图2.2全机械结构的水位控制工作原理：当

5、用户进行冲水操作之后，蓄水箱的水被排空，浮球下降，这个信号通过连杆机构传递给进水阀门，使进水阀门开启，对蓄水箱补水；随着水量的增加，浮球逐步上移，直至达到设定的某个水位时，正好能够关闭进水阀，停止进水。由此可见，在这种水位控制系统中，浮球=水位检测器（传感器），连杆机构=控制器，水位的“给定量”通过进水阀门与连杆机构的相对位置来设定。方案三：AT89C51单片机的水位控制系统工作原理：采用基于AT89C51单片机的水位控制系统，利用传感器采集到的信号，经过A/D转换及处理后成为标准的数字信号传送给单片机，利用单片机编写程序来控制电机的起与停，以达到控制水位的目的，并且利用单片机程序及七段数码管

6、显示出具体液位高度。流程框图如下所示：图2.3 AT89C51单片机的水位控制系统该系统中，传感器采用压力型液位传感器，选择LDN600系列的液位传感器， 可以很好的选择不同的量程及不同的输出信号，如420mA的电流输出或者选择05V、15V电压输出（此系统中选择05V的电压输出），给后段的控制提供了方便。经过A/D转换后的数字信号可直接用于单片机的控制端，经单片机计算后输出控制信号控制七段码显示和水泵的起停。2.2方案论证方案一：从方案中可以看出：此方案运用了连杆等复杂的机械结构，特别在浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，需要增加一套机电控制驱动装置，这就使得本就不怎么简单的装置有添加了比较

7、复杂的东西，所以这种控制方式结构比较复杂，对于我们的目的来说有一些差别，但可以对大型蓄水装置进行控制，应用于工农业生产中。方案二：该方案简单易行，只要少许的机械装置就可以完成保持水位在一定的高度之间，节约了大量的其他器材，比较经济，只是这种方法不能具体的给我们概念：水位到底是多少。只能靠经验来猜测，精确性就难以保证了。方案三：此方案利用AT89C51单片机的性价比高，对水泵供水精准度高，同时可以输出经过A/D转换后，经过数字处理用于液位的高度，并且通过七段码显示出来，让我们知道具体的液面高度上多少，这就比方案二更加准确，而且同样方案简单易行。2.3方案选择方案一、方案二、方案三，三种方案都可以

8、实现水位的自动控制，控制水位始终在某一个我们所给定的值的范围之内。方案一所需的材料相当于其他方案来说，有些复杂，特别当有时一些紧急情况出现时，如果没有一套机电控制驱动装置，那么液面的高度将要失控，这不是我们想要看到的；方案二就某些方便来说就要优于方案一，它简单而且易于操作，不容易出现故障，材料又简洁，缺点就是不能显示液面的高度，不满足我们设计的需要；方案三利用AT89C51单片机对水泵供水控制，通过A/D转换，七段码显示，不仅具有了方案二的优点简单易行，而且能显示液面的高度，在需要知道液面高度的时候，因此我们选择方案三。3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍、电路设计、元器件选择3.1.1 A

9、T89C51单片机AT89C51单片机是这次设计的控制电路的核心器件，将由ADC0809所转换的标准数字信号从单片机的P1口输入到AT89C51单片机中，这样单片机就可以根据所输入的数据进行判断了。在这一过程中，AT89C51单片机的P2端口始终输出给七段数码管码显示，这样我们就可以根据数码管的显示知道水位了，像这样反复，液位就可以保持在高、低的水位之间了。单片机的接线图如图3.1所示，P1口的输入信号来自于A/D转换器ADC0809的数字量输出，P2口接七段数码管码显示电路，P2.0,P2.1,P2.2,P2.3接七段码的选通信号，用以显示水位高度。P1其他口接ADC0809的控制信号，从而

10、实现单片机对ADC0809的控制。单片机P3.0,P3.1口接报警指示电路和控制电机的继电器电路，从而实现高水位报警以及控制电机的起停。图3.1单片机的接线图3.1.2 A/D转换电路ADC0809是一种逐次逼近比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。ADC0809是采用逐次比较的方法完成AD转换的，有单一的+5V电源供电。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A引脚的编码来决定所选的通道。0809完成1次转换需100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS51的数据总线上。通过适当的外接电路，0809可对05V是模拟信号进行转换。ALE为地址锁存允许输入线

11、，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。下面是它与单片机连接的电路图3.2：图3.2 ADC0809与单片机连接图3.1.3 信号采集电路信号采集电路采用LDN600系列的液位变送器，型号为LDN600GA2-5-5，即LDN600表压系列一体式变送器，选择05V输出，量程5m，线上5m。工作原理：如图3.1所示，LDN600投入式液位变送器采用静液夺测量原理，当测量头放入液体中时，设大气压力为P0，当液面到测量元件高为h，液体密度

12、为r，当地重力加速度为g，则变送器探头上扬爱压力为P1=P0+gh.敏感元件的负侧通过导气电缆与大气相通，所受的压力为P2=P0,于是测量元件所没到的压力差值为：P=P1-P0=gh，在水中，和g均为常数,于是P正比于h,即可由仪表输出的电压大小得到液体的深度。图3.3变送器使用原理图液位变送器的线性度很高，输出为线性的电压信号，信号范围是05V，选择的量程为5m水深，于是输出电压U0正比于水深h。3.2 特殊器件介绍3.2.1 AT89C51单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh P

13、rogrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.4所示主要特性：与MCS

14、-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作： 0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 图3.4 AT89C51引脚排列管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原

15、码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址

16、的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 INT0（外部中断0）P3.3 INT1（外部中断1）P

17、3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输

18、出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1

19、：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2.2 ADC0809ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809的内部逻辑结构：ADC0809由一个8路模拟开

20、关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 引脚结构如图3.5所示 ：IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 图3.5 ADC0809引脚图地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平

21、时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表3.1所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表3.1 ADC0809通道选择表数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控

22、制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809应用说明 ：（1） ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 （2） 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5） 是否转换完毕，我们根据EOC信号来判

23、断。 （6） 当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。3.2.3 LDN600液位变送器压力变送器也称差变送器，主要由测压元件传感器、模块电路、显示表头、表壳和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。 压力变送器的测量原理是：流程压力和参考压力分别作用于集成硅压力敏感元件的两端，其差压使硅片变形（位移很小，仅m级），以使硅片上用半导体技术制成的全动态惠斯登电桥在外部电流源驱动下输出正比于压力的mV级电压信号。由于硅材料的强性极佳，所以输出信号的线性度及变差指标均

24、很高。工作时，压力变送器将被测物理量转换成mV级的电压信号，并送往放大倍数很高而又可以互相抵消温度漂移的差动式放大器。放大后的信号经电压电流转换变换成相应的电流信号，再经过非线性校正，最后产生与输入压力成线性对应关系的标准电流电压信号。LDN600系列的参数如下：适用于罐体液位测量控制，井下水位测量。城市供水系统，废水处理，冶金矿山，石油化工，水力水利，农业，楼宇自动化，油库表压测量，绝压测量量程：01mH2O0200mH2O测量介质：与302不锈钢兼容的各种液体电连接：防油防水通气屏蔽电缆输出：420mADC二线制标准信号 （15VDC，05VDC 输出亦可）电源电压：24VDC(1236V

25、DC)使用温度：085非线性：优于0.1%F.S重复性、迟滞：0.05%F.S长期稳定性：0.2%F.S/年4 软件设计4.1 软件设计思路首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR,A时，单片机的WR信号有效，从而产生一个启动信号，给0809的START引脚送入脉冲，开始对选中信号进行转换。当转换结束后，0809发出转换结束EOC信号，该信号可以供单片机查询，也可以反相后作为向单片机发出的中断请求信号；当执行指令：MOVX A,DPTR,单片机发出读控制RD信号，OE端有高电平，且把经过0809转换完毕的数字量读到A累加器中。ADC0809通过单片机的P1口将其转换的

26、数字量传给单片机处理，根据所得到的数据分析后控制继电器的工作，从而控制水泵是否加水，控制水位的高度。在数码管的显示电路中，最重要的就是把单片机所得的数据经过它显示出来，而七段数码管可以显示ASC码，于是我们就需要把它转换为ASC码。转换如下：从P0口取出从A/D转换后送来的数据，假设数据为N，则显示出来的数据可以根据公式VREF N256显示的数据 来计算，通过程序把需要显示的数据转换成七段码数码管可以显示的ASCII码进行显示。对报警电路的控制采用了单片机的P3端口的其中一个，来控制发光二极管的熄灭，进行闪亮，当水位高于我们所设定的上限时，由单片机的P3.0口给出一个高电平，二极管发光；同时

27、用单片机的定时器马上定时T1段时间（很短），时间T1一到，马上给出一个低电平，二极管熄灭；这样二极管就闪亮报警了，应该停止供水了。4.2软件结构框图由上面的设计思路，我们可以画出软件设计的流程图如图4.1所示，程序首先对系统初始化，然后我们设定水位的上限、下限，从LDN600液位变送器处获得当前的液位高度，经A/D转换器转换后将数字信号经单片机的P1口传送给单片机，单片机将其与所设置的上下限进行对比，决定水泵是供水还是不供水，在这一过程中，显示水位高度、报警等相关操作。最后判断是否有结束信号，有就结束，没有就继续控制水位高度。图4.1软件结构框图开始NY结束是否有结束信号N显示水位中断水泵供水

28、是否低于最低水位Y报警指示NY中断水泵停止供水是否高于最高水位位数字信号传给P1口A/D转换器转换液位变送器测得数据设置最高和最低水位系统初始化设置5结论本设计以AT89C51单片机为核心控制水位的高度，并通过A/D转换器ADC0809转换的由高精度的LDN600型液位变送器来完成模拟信号转变为精准的数字信号，接到单片机的P1口，让单片机处理这些数字信号，然后根据这些判断是否应该让水泵供水，同时经过P2口输出给数码管显示，当液面达到所设定的最高水位时，P3口输出信号让发光二极管发光报警，停止供水。这就使得如果一个元件损坏，而还在继续供水的状况的出现，大大提高了系统的完善性，从另一方面来说是提高

29、了该系统对水位控制的有效性和稳定性。考虑到系统的稳定性和经济性，单片机采用了51系列的AT89C51，该单片机具有良好的稳定性且价格便宜，简单易懂，各个电子厂商都有销售。A/D转换器采用了大家平常经常使用的ADC0809，来应用于数字信号的处理上，使得整个系统的设计思路对大家来讲，都非常易懂，而且电路非常实际。本系统报警电路采用发光二极管，它不仅价格便宜易于控制而且使用寿命长，当二极管闪亮时光线分辨清楚可以保证工作人员都能看见，可以说是最佳选择。本设计较为完整的完成了设计的要求对液面高度的控制，让系统更加自动化，减轻工作人员的负担，提高了控制水位精度。6总结与体会设计中曾遇到过一个小问题，在设

30、计的过程中曾因为对单片机AT89S52如何来实现对水位信息的获得并转换为数字信号进行显示而困惑，后来查阅资料和请教老师才找到解决问题的方法。还有就是在设计之前对设计的理念认识不够清晰，使自己长时间没有能够拿出一个总的设计方案，通过和同组同学的相互交流才使我对本设计有了清晰地认识。另外在设计的过程同学们提出的好的建议使我意识到学习贵在交流，只有在交流中才能提升自己，才能丰富自己的知识；只有在交流中才能产生许多新的火花新的思想。设计的过程中让我更加深入的了解了数电、模电、单片机的知识，让我有一个能够综合运用数、模电、单片机知识机会。让我的动手能力，逻辑思维能力的到了相应的锻炼。也让我知道了做任何事

31、情都应该以严谨的态度对待，否则一个小小的错误就可能导致整个设计的失败。这个设计让我有了能够综合运用所学知识的机会；让我的动手能力，逻辑思维能力得到了相应的锻炼。也让我对学习有了新的理解。以前我一直认为学习就只是意味课本上的东西而已。而学到的知识也只是纸上谈兵，根本就没有实际的应用，因此对学习并不是很积极。而这次的课程设计完全改变了我的想法，让我知道了理论的存在是为了指导实践，没有了理论的指导就不会有实践的成功，理论和实践是不可分的整体。一切的产品的开发都要拥有一定的经济基础，产品的原料要尽可能的简单，价格尽可能的低廉，要大家都会用并且用得起。我们现在所学的一切都是为了将来能更好的为社会服务，同

32、时让我了解到了本人所学专业与社会需要的联系。让我对工程与社会，经济，文化，环境等方面的联系有了更新的认识。7谢辞在设计完成之际，我要特别感谢我的指导老师郭秀丽老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写设计的过程中，郭秀丽老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在设计的选题、构思和资料的收集方面，还是在设计的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了郭秀丽老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在设计的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同学的支持和帮助，特别是和我同一组的那些

33、同学，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。参考文献1 张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，20082 潘新民、王燕芳.微型计算机控制技术实用教程M.北京:电子工业出版社,2006年1月3 黄胜军.微机控制应用实验与实例M.北京:清华大学出版社,1999年4 赖寿宏.微型计算机控制技术M.北京:机械工业出版社,2004年 5 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计、系统配置与接口技术M.北京: 北京航空航天大学出版社,2001年6 杨天怡微型计算机控制技术重庆：重庆大学出版社7 涂时亮.单片片机控制技术.上海: 复旦大学出版社8 黄胜军.微机控制应用实验与实例.北京:清华大学出版社9 康华光电子技术基础数字部分（第五版）M武汉华中科技大学：高等教育出版社，2005.710李洋.现代电子设计与创新M.北京：中国电力出版社 2007.7附录20