1、 内蒙古科技大学 本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目： 水箱液位控制系统 设计 学生姓名： 学 号： 1067112216 专 业：测控技术与仪器 班 级： 测控 2010-2 指导教师： 讲师内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） I 水箱液位控制系统 设计 摘要 本 设计 采用 STC89C52 单片机系统实现 水箱液位 的自动控制，设计出一种低成本、高实用价值的水 箱液 位控制器。该系统具有水位检测、水位高度 LCD 显示、低水位高水位报警以及 液位自动调节 等功 能。 本设计过程中主要采用了传感技术、单片机技术、光报警技术以及弱电控制强电的技术。设计 中 传感器使用了超声波模块
2、， 采用 PWM 技术实现电机多级调速， 具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监控液位。并采用 STC89C52 单片机系统控制整个电路的信号处理以及采用光电耦合和继电器来实现弱电控制强电来实现 液位 的自动控制。它能完成水位检测、光报警、上水停水的全部工作循环，保证液面高度始终处于较理想的范围内 。 它结构简单，制造成本低，灵敏度高，节约能源显著，是用于各种高层液体储存的理想设备。 关键词： 单片机 STC89C52；超声波模块； 液位控制 ； LCD 显示内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） II Based on single chip dual tank water le
3、vel controller design Abstract The level is charged with one of the parameters of the industrial production process, the most important, widely used in metallurgy, building materials, chemicals, food, petroleum and other industries, the level of control in the process directly influences the product
4、ion of productsquality. Level Control System scale of modern industry are becoming increasingly complex, large-scale, level control has gradually become the Process Control field of a hot research topic. Based on single chip water level controller has many advantages, such as stable performance, rel
5、iable, high control precision, low cost, easy set up, easy operation. The design use single chip achieve dual-tank water level control system is based on the two upper and lower water tanks in series for the study, the following tank level is controlled parameters, the pressure transmitter to measur
6、e the level of the water tank, and the measurements gave microcontroller as the core controller as the feedback signal, the controller based on incremental PID control algorithm is pre-set computing, issue control commands to control the actuator valve opening size, thus changing into the flow of wa
7、ter on the tank size. tank liquid level automatic control. Key words: single chip STC89C52,liquid level control, incremental PID control algorithm, LED display 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） III 目录 摘 要 . I Abstract .II 第一章 引言 . 错误 !未定义书签。 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内液位控制的发展现状 . 5 1.3 PID 调节器简介 . 错误 !未定义书签。 1.4 设计思路 .
8、6 1.5 设计意义 . 6 第二章 硬件组成 . 9 2.1 系统硬件组成概述 . 9 2.2 数据采集电路 . 9 2.2.1 压力变送器 . 9 2.2.2 I/V 转换电路 . 10 2.2.3 A/D 转换器 . 10 2.3 STC89C52RC 单片机 . 13 2.4 D/A 转换器 . 16 2.4.1 DAC0832 引脚功能 . 16 2.4.2 DAC0832 工作方式 . 17 2.4.3 DAC0832 工作时序 . 18 2.5 V/I 转换电路 . 18 2.6 执行机构 . 18 2.6.1 控制阀 . 18 2.6.2 水泵电机 . 19 2.7 掉电存储器
9、 . 19 2.8 LED 显示 . 21 2.8.1 LED 显示器的结构 . 21 2.8.2 移位寄存器 . 23 第三章 硬件设计 . 26 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） IV 3.1 STC89C52 单片机模块电路 . 26 3.1.1 晶振电路 . 26 3.1.2 复位电路 . 26 3.1.3 最小系统 . 27 3.2 LED 显示模块 . 28 3.3 A/D 转换电路 . 29 3.4 D/A 转换电路 . 29 3.5 V/I 转换电路 . 30 3.6 键盘电路 . 31 3.7 串口通信电路 . 32 第四章 软件设计 . 34 4.1 主程序流程图
10、. 34 4.2 A/D 转换子程序 . 35 4.3 键盘控制子程序 . 36 4.4 PID 控制子程序 . 37 4.5 LED 显示子程序 . 40 4.6 Keil 软件 . 41 4.6.1 Keil 软件简介 . 41 4.6.2 Keil 软件编程流程及程序下载 . 42 第五章 系统的调试及说明 . 45 5.1 硬件设计调试 . 45 5.2 软件设计调试 . 46 5.2.1 键盘和显示软件设计 . 46 5.2.2 输入信号的测量 . 47 5.2.3 PID 控制量计算及数据处理 . 47 5.3 软硬件联合调试 . 50 总结 . 51 参考文献 . 52 附录 A
11、 本设计原理图 . 54 附录 B 主 程序 . 55 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） V 致谢 . 61 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 1 第一章 绪论 1.1 液位控制 研究背景 液位是工业生产过程中的主要被控参数之一，广泛应用于冶金、化工、建材、食品、石油等工业中，工艺过程中液位的控制效果直接影响着所生产出的产品质量。现代工业中的液位控制系统规模日趋复杂化、大型化，液位控制已逐渐成为目前过控领域的一个研究热点。 随着科学技术的发展，现代工业生 产工艺中的控制问题也日趋复杂。在人们的生活中以及某些化工和能源的生产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题。在石油、化工、
12、轻工和食品等工业生产过程中，有许多贮罐作为原料、半成品的贮液罐，前一道工序的成品或半成品不断地流入下一道工序的贮液罐进行加工和处理，为保证生产过程能连续地正常进行，必须对贮罐的液位进行控制。还比如居民生活用水的供应，通常需要使用蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需要对蓄水池中的液位实施控制，另外涉及蓄液容器的生产过程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程 中以及乙烯工程污水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的出入液流量，使得容器内液位保持正常水平 。 上述不同背景的实际问题都可以抽象为某种水箱的液位控制问题。 1.2 液位测量技术概
13、况 液位传感器是指检测液体高度信息的仪器，液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用。在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态。在 现代化的企业生产过程中，采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理的普及，控内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 2 制系统的智能化、统一化，要求测量的对象要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、且适用于特殊测量环境等，这些对液位测量技术也提出了更高的要求。尤其是当液面具有波动和存
14、在气泡，或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘滞性、导电性，或需要考虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况下，选择合适的液位测量技术就显得尤为重要。 目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法有 19 种以上，主要有以下几大类 : 1.2.1 机械浮子类液位计 测量原理是利用传动装置把与液位同高度的浮子高度信息转换成脉冲信号或连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、电子或光电设备。此类液位计可以进行连续测量，其问题是积聚在传动机械臂上的污物 (如水垢沉积 )会限制浮子运动，从而产生故障。 1.2.2 电子类液位传感器 测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化，利用一
15、定的测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。其中最常用且最成熟的是电容式液位传感器。 电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质，将液位变化转换成静电电容 变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。它结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各种介质 (导电介质、非导电介质 )的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。尤其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。 电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多，通过电子学方法测量液体容器底部与顶部
16、之间的电阻，从中可探知液位信息。其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错 误的输出，在直流工作时会产生电内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 解，响应速度慢。 1.2.3 热学式液位计 由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。它结构小，适用于圆筒容器、玻璃柱、管道等，但这种方法仅能进行点测量，而不能用于液位的连续测量。 1.2.4 雷达液位传感器 雷达传感器就是利用发射一反射一接收的原理来测量距离的，因此可用于有毒、有害的恶劣环境下。雷达液位传感器的传输信号是一种特殊形式 .的电磁波，其物理特性与可见光相似。雷达信号是否可以被反射取决于被测介质的导
17、电性和被测介质的介电常数两个因素。所有导电介质都能很好 地反射雷达信号，导电性不太好的介质也能被很准确地测量。雷达波不易受干扰，巨能穿透塑料容器或玻璃容器进行测量，无需在容器上开孔，能实现非接触测量，即使在飞灰、粉尘强烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量。然而雷达传感器的测量信号运行时间极短，这给信号分析处理提出了极高的要求，造成它的价格昂贵、技术实施困难。 1.2.5 超声波液位传感器 超声波液位传感器发展很快、应用也很广泛，常用于测量明渠液位及开口容器内液位。由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能 得到超声换能器辐射面到被测液面的
18、距离。根据换能器安装高度，就能得出液位高度。 1.2.6 同位素 /放射性液位传感器 它是利用放射性同位素射线 (如 a 射线、 p 射线、 Y 射线 )的穿透和反射能力，当 a 射线、 p 射线、 Y 射线到达被测液体时，通过检测其透射或反射射线信号的强度来达到测内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 量液位的目的。 射线的强度会随液位的高度变化而变化，在放射线辐射源与检测器之间有吸收物质时，检测器的输出与液位的高度有关，通过对被测物质吸收能量大小的检测，再经过信号转换，即可得出被测液位的高度。 由于放射性射线本身的特点所决定，它可以用于腐 蚀性、有毒性、大粘性和易燃易爆的场合。而且介
19、质对丫射线的吸收只与介质密度有关，因此它可以测量不同密度的液体分界面、气体与固体或液体与固体的分界面。但射线易受到衰减，检测信息的能量易于损失，测量精确度不理想，有辐射作用，对人体有害等。 1.2.7 液压类液位计 此类液位计可以进行连续测量。 气泡式液位计将被测液位值转换为空气压力值，测定该压力值后，利用该被测压力与液位高度成正比的原理测量液位。 压力式传感器它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之而变化的原理来设计的。在测量开放的容器时，大多采 用直接测量底部某点压力来测量。这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制，同时还要求被测液体的密度是已知的，而且要求液体的密度要恒定不变。 1.2.8 光学液位计 光学液位计主要是光纤液位传感器，它结合了光纤作为敏感器件的优点，尤其是在复杂的应用场合，测量现场全光无电，安全性能好，同时调制方法多种多样，是一种新型的液位传感器 3。 光学液位计，它利用浮子的磁耦合原理来设计，经光码盘对光纤的检测，再经由放大整形电路，以及光电转换来形成规则的脉冲信号，最后由单片机来实现液位显示。本
