液位检测与控制试验系统设计.docx

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液位检测与控制试验系统设计

液位检测与控制试验系统设计

1.发展现状：

液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测装置也不少，

按原理分有浮力式、压力式、超声波式、差压式、电容式等，这各种方法都根

据其需要设计完成，其结构、量程和精度各有特色, 适用于各自的场合, 但都

是基于固定液箱液位检测而设计。

市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球

式、弹簧式等，绝大多数价格惊人。

“水是生命之源”，不仅人们生活以及工业生产经常涉及到各种液位和流量

的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处

理，化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。

蓄液池中的液

位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。

因此，

需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正

常水平，以保证产品的质量和生产效益。

这些不同背景的实际问题都可以简化

为某种水箱的液位控制问题。

因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。

特

别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的

生产效果。

高老师也进行了多次的实验得出了一些相关的数据，水箱液位控制

系统的设计应用非常长广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱

液位控制系统来实现。

所以就选择了该题目的设计。

由于液位检测应用领域的

不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，

随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋

势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，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，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，

提高生产过程的实时性、安全性。

随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的

提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。

所以，我们在此设计了这个简易的监测系统，一方面，节省了大量的经济

开支；另一方面，让我们对监测系统有了更加深刻、透彻的了解，不仅增加了

我们的感性认识，还促进了我们对于系统各个部分的深刻剖析，从传感器选型

1

到整个系统的建立，我们都投入其中，并为之努力着。

2.设计目的：

此次设计的思想来源于高中生活的一段经历：

高中时期，由于供水设施的

技术水平有限，下课后，当低楼层的宿舍集体用水时，高楼层的宿舍一般都接

不到水。

为了防止我们日常用水的短缺，我们一般选择在用水不是很紧张的中

午午睡时，或是晚上熄灯以后往储水的水桶里接满水，以备随时使用。

所以，

为了解决这个问题，我们可以设计一个自动监测液位的装置，并由单片机来控

制舵机的开断。

液位传感器随时监测水箱的液位情况，并根据液位的不同，控

制舵机的开断。

当液位低于一定值时，单片机控制变频器，进而驱动舵机，使

供水阀打开至最大；当液位达到水箱总高度的 80%时，单片机控制变频器，进

而驱动舵机使流速减小；当液位高于一定值时，单片机控制舵机，关紧舵机，

停止储水。

3.关键词：

AT89S52、液位传感器、调节阀、变频器、水泵

4.实验目的：

通过设计液位检测系统，进一步了解各种过程器件的各种性能

特征以及使用的场合与条件，更加清楚地知道各种仪表在自动化过程控制中的

应用。

通过本次独立的完成系统设计培养一种严密、整体的思维能力，以及独

立完成各种工作的能力。

5.实验要求：

（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制舵机的转速；

（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调

节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型

号、性能指标等）；

（3）设备选型要有一定的理论计算；

（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；

（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求。

6.实验步骤：

6.1 系统结构设计

一个完整的检测控制系统框图如下：

2

被

控

对

一、

变送器    调节器

执行器

显示打印

6.1.1 控制方案

本设计是采用 8051 单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水箱液位控

制系统,使用液位传感器测液位，CPU 循环检测传感器输出状态,并 LCD 显示示

液位高度,检测液位等数据,实施报警安全提示,当水箱液位低于用户设定的值时,系

统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭舵机。

水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安

装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的

P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 口，实时对水箱里的水位进行检测。

当水位到达某一光

敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三

极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。

由上至下的第一个位置为

水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提

醒工作人员注意，加水舵机有可能出故障；第二个位置是自动停止加水线，即

当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水舵机，停止加水；第三个位置

是自动减速加水线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动调节舵机角度，

加水速度减慢；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，系统

就会自动报警，提醒工作人员注意，加水舵机可能出故障，舵机角度达到最大，

自动加大流速控制。

6.1.2、系统总体框图

Ⅹ

液位传感器                           LCD、

工作显

示

舵机

变频器

3

6.2 硬件设计

6.2.1硬件设计概要

系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进

行控制,通过四对传感器分别安装在水箱内四个不同的位置，由上至下测量水箱

液位值,。

并把这四个液位状态通过模数转换器 ADC0809 传到单片机中,在通过

1602 显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。

用 LCD 显示是因为它具有

显示清晰、亮度高、可显示汉字、界面人性化等特点，根据当前的液位值和用

户设定的水位决定是否进行开、关舵机及舵机开的角度的大小,需要是否开启和

关闭驱动阀门的电动机。

系统按功能可以划分为以下几个模块：

（1） 电源模块：

将变压器输出的+24V 电源转换为系统正常工作使用的+5V 电

源，采用双电源工作。

一路给光电式传感器供电，成为传感器电源；另一路给

光电式传感器之外的所有电路供电，如：

单片机、LCD 显示装置、工作指示、

按键等，称为主电源。

（2） 数据采集与处理模块：

该模块以 51 单片机为核心，通过液位传感器收集

检测信号，通过计算得到液位值。

同时控制整个系统的运行，包括：

系统初始

化、传感器初始化、采集并处理传感器测量得到的液位值、工作指示及测量结

果显示、参数设定等。

（3） 人机交互模块：

包括工作指示、LCD 显示。

工作指示为 5 个 LED 灯管，包括主电源指示，传感器电源指示、运行指示、

数据传输指示、系统运行异常指示。

LCD 显示实现当前液面位置显示、不同功能状态下内容显示。

这些都保证

了用户能够简单快捷的设定、使用和维护传感器，提高用户的操作体验。

下图是水箱液位控制系统。

4

传感器

控制执行装

置

M

C

U

LCD

显示

报警

装置

图 2-1 水箱液位控制系统

由上图可观察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数

转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过 8051 单片机的运算控制，在通

过 LCD 进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实

现对水箱的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是舵机。

6.2.2硬件选型

（一）核心芯片 8051 单片机

图 5-1 单片机管脚图

整个系统控制部分以 ATMEL 公司的 8051 为核心芯片，控制信号采集、处理、

输出三个过程。

这种芯片内置 4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用

8031 外置 EPROM 程序控制结构，则造成控制线不够；而 8051 却可以利用

P0、P2 口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数输入、

LCD 数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很

大的提高。

5

内部结构及 功能

五个中断源的中断控制系统；

　　一个全双工 UART（通用异步接收发送器）的串行 I/O 口，用于实现单

片机之间或单片机与微机之间的串行通信；

片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。

最高振荡

频率为 12Mhz。

我们可以将相应的 PID 调节程序 写入 8051 单片机的程序存储器，将设

定值由键盘输入到单片机后，与传感器采集的值进行比较后执行相应的

调节程序。

 8051 实现的结构框图如下：

（二）液位传感器

在水箱液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器是能感受规定的

6

被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件

和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作

用。

传感器的种类很多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的。

方案一：

电容式传感器：

其计算复杂，转换电路复杂，需使用 555 振荡电

路来完成频率的转换、液位的测量。

对于接地电容传感器，普通的被动屏蔽

（防护罩连接地面）是不合适的，因为电缆的附加电容与电容器的电容同时存

在，而且电缆的附加电容能够远大于由于环境条件引起的传感器的电容。

为了

减少这种附加电容的影响，接地电容式传感器一般采用有缘屏蔽技术连接到接

口电路，价格昂贵，技术要求较高。

方案二：

使用发光二极管和光敏三极管传感器，不但检测电路及原理都相

对简单，更为重要的是，其为数字式传感器，可将检测液位信号转换为高低电

平，易于与主控制器单片机相连，进行相应控制。

尤其是报警控制，使用蜂鸣

器即可，硬件电路设计简单易懂，故障排除方便，易于实现系统报警控制。

因

此，本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对

液位进行控制,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液

位的控制,所以下面我要对液位传感器进行设计。

采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传

感器如下图

当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；

当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。

（三）变频器的选择

方案一：

直流电机调速范围广，过载、启动转矩大，易于控制，可靠性高，调

速时的能量损耗小，但是一般用在调速较高的场所。

7

3

4

方案二：

步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而

不受负载变化的影响，线性关系不好，只有周期性的误差而无累积误

差，除此之外，控制简单。

方案三：

舵机结构紧凑、易安装调试、控制简单、大扭力，是位置伺服电机，

但是舵机适用于那些需要角度不断变化并能够保持的控制系统。

综上所述：

选用方案三用舵机进行控制容器的开启。

（四） ADC0809A/D 转换器

ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开

关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件，

其转换方法为逐次逼近型。

在 A/D 转换器内部含有

一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树

组的 256 电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。

8 路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以

在 8 个通道中任意访问一个通道的模拟信号。

由于

26

27

28

1

2

3

4

5

IN-0

IN-1

IN-2

IN-3

IN-4

IN-5

IN-6

IN-7

ADC0809

msb2-1   21

2-2   20

2-3   19

2-4   18

2-5   8

2-6   15

2-7   14

lsb2-8   17

EOC   7

ADD-A   25

ADD-B   24

ADD-C   23

ALE   22

多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而

且三态 TTL 输出也可以锁存，所以它易于与微型计

16

12

ref（-）

ref（+）

ENABLE   9

START   6

CLOCK   10

算机接口。

图 5-3ADC0809 管脚图

AD 转换电路在控制器中起主导作用，用

它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片

机能处理的数字量。

该控制器采用 CMOS 工艺

制造的逐步逼近式 8 位 AD 转换器芯片

UA

2

3

74LS33 Q

+1 2

11 UA

2         3

R

1K

ADC0809。

在使用时可选择中断、查询和延时

等待 3 种方式编制 AD 转换程序。

图 6 是 AD

转换部分原理图，在接线时先经过运算放大

器和分压电把传感器输出的电流信号转换成

12

Title

LS

SPEAKER

图 5-4 自动报警电

路

Size

Number                           Revision

A4

8

Date:

24-Jun-2007Sheetof

加 加 \加

File:

C:

\Documents and Settings\Administrator\Drawn By:

加 \加 加 \加 加 加 加 加 .ddb

34

电压信号，然后输入到 AD 转换器。

DA 转换器则采用 DAC0832.

（五）调节阀

调节阀又称控制阀，它是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置。

调节阀由执行机构和阀（调节机构）组成。

执行机构是将控制信号转换成相应的动作来控制阀内截流件的位置或其他

调节机构的装置。

信号或驱动力可以为气动、电动、液动或这三者的任意组合。

阀是调节阀的调节部分，它与介质直接接触，在执行机构的推动下，改变阀芯

与阀座之间的流通面积，从而达到调节流量的目的。

分类：

以压缩空气为动力源的调节阀称为气动调节阀；以电为动力源的调节阀

则为电动调节阀。

这两种是用得最多的调节阀。

此外，还有液动调节阀、智能

阀、调节阀等。

电动调节阀与气动调节阀的对比

电动调节阀优点是结构简单，应用范围广，调节过程可控性好，行程准确。

缺点是可能产生电火花，或者静电火花。

气动调节阀的优点是动作迅速，能够

快速的完成调节命令，且安全，不会产生电火花。

但缺点是控制复杂，造价高，

结构复杂。

所以调节上大多都使用的是电动阀，但是在某些要求快速关启的关路上和油

管，易燃易爆气体，化工危险品管路上还是使用气动阀。

且因为单片机直接输

出电气信号，根据整个系统设计的需要电动调节阀更为合适。

9

（六）水泵

定义：

通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变

为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。

分类：

根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。

容积泵是利用其

工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递

能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。

工作原理：

1 、容积式泵:

 利用工作腔容积周期变化来输送液体。

　　2 、叶片泵 :

 利用叶片和液体相互作用来输送液体

选择：

实验设计中要求水箱高度为 600mm，离地 200mm，设备离地 30mm，所以

最大吸程应大于 600+200-30=770mm，根据这一要求及其它电器、安全等要求，

选择 ASP 系列的水泵，如下图所示：

6.2.3硬件电路设计系统原理图及其说明

（一）报警电路

下列四种情况发生系统报警：

1）当水箱达到上限极限水位时报警，箱内的水

位到达上限极限水位时系统发出报警；

2） 当水箱达到下限极限水位时报警，箱内的水

位到达下限极限水位时系统发出报警；

（二） 复位电路

8051 的复位方式可以是自动复位，也可以

10

图 2-3 复位电路

是手动复位，见图 2-3。

此外，RESET/Vpd 还是一复用脚，Vcc 掉电期间，此脚可

接上备用电源，以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失,此设计采用自动复位电

路。

（三） 键盘显示电路

键盘显示电路主要是实现液位设定值的输入和显示实时液位的功能。

键盘接口

及其软件的设计任务主要包括：

是否有键按下的检测并判断键值，有操作则进

行延时去消抖，并根据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行

一系列的动作处理和执行。

本系统采用 4 行×4 列的 16 键行列式键盘，占用单

片机 P1 口的 8 个端口。

显示采用 12864 液晶显示当前液位测量值。

VCC

ANJIAN

1   1

2   2

3   3 S4

4   4

5   5

6   6

7   7

8   8

S2

S3

1

C7 P1.5 6

12MHZ 19

C5

7805

P1.0 1

P1.1 2

P1.2 3

P1.3 4

P1.4 5

1u P1.6 7

P1.7 8

9

P3.010

P3.111

12

13

14

15

16

17

18

20

30P

Vin Vout   3

AT89S52

P1.0 VCC   40

P1.1 P0.0   39

P1.2 P0.1   38

P1.3 P0.2   37

P1.4 P0.3   36

P1.5 P0.4   35

P1.6 P0.5   34

P1.7 P0.6   33

31

P3.2/INT0 PSEN   29

P3.3/INT1 P2.7   28

P3.4/TO P2.6   27

P3.5/T1 P2.5   26

P3.6/WR P2.4   25

P3.7/RD P2.3   24

XTAL2 P2.2   23

XTAL1 P2.1   22

VSS P2.0   21

VCC

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

ALE

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

R3

R6

S1

LED

1K

R2

GND   1

VCC   2

V0   3

P3.0

RW   5

P3.1

P0.0

P0.1

P0.2

P0.3

P0.4

P0.5

P0.6

P0.7

PSW   15

NC   16

RST  17 VCC

NC   18

BLA   19

BLB   20

12864

VC C U1

VC C

R 10kΩ

VCC

D1D2

J1

2

1

C1

0.1u

C4

3300u                C3

470u

C2

0.1u

VC C

9012

D3D4

原理图

7软件设计

7.1 软件设计思想

水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安

11

装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的

P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 口，实时对水箱里的水位进行检测。

本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的

性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对水箱进行自

动控制有着重要的意义。

其优越性主要在于：

通过对水箱的液位进行有效控制，

实现了在无人条件下，水箱自动储水的功能。

7.2 软件流程图：

开始

系统各模块初始

化（如 1602 等）

液位传感器

监测液位

1602 显示

液位等信息

液位达到

设定值

1 值

否                          否

液位达到水

箱液位 80%

液位达到

设定值 2

值

液位达到

设定值 3

是是是

开启舵机，将

舵机达到最大

角度即 180 度

8 系统调试

系统整体装置如下系所示：

将舵机调到 90 度         关闭舵机，将

舵机调到 0 度

结束

12

报警

8.1 分模块调试

首先调试各个模块：

蜂鸣器、液位传感器、液晶和舵机，其中蜂鸣器的功能

是能够清晰、良好的将需放的声音释放出来；液位传感器和液晶是连在一起调

试的，主要实现液晶正确显示监测液位信息；舵机模块的调试主要是运行程序

观看舵机转动的角度。

每一个模块调试无误后将所有模块联合在一起。

8.2 整体调试

将系统的各个模块联合在一起，系统调试，并在容器内加上水，使系统运行，

观看液晶及水的流速及蜂鸣器的发音现象，液晶显示正确的液位信息。

9 设计总结

虽然这是一个简易的系统，但是具体着手去做这个实验发现整个系统非常

复杂，特别是在元器件的选型、具体细节的实施及其参数的设定方面，不知道

如何下手，经过几天的分析讨论，才有了一些认知。

所以在这次在报告中水箱

液位控制系统的理论分析有可能存在不合理的地方，以后会多多注重这方面的

训练，好好努力的。

本系统主要介绍了水箱的液位检测控制，绍了 8051 单片机和其它一些单片

机在水箱控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本设计

还采用了传感器来对液位的信号采集，利用 LCD 来进行信号的输出显示,我设计

13

的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报

警和阀门失灵等故障报警，有问题立即就能发现。

液位控制在设定值上正常运

行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。

该系统硬件系统完全，但系统的运算与控制必须靠软件支持，本控制系统

采用的是控制，采用单片机设计出的工业水箱控制器,能够针对汽包水位的不同

状态和不同外界条件进行控制,汽包水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明

显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业水箱的稳定运行。

控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点,且系统硬、软件维护

简单方便,尤其适用于工业控制现场,具有良好的应用前景。

10 心得体会

在液位控制系统设计过程中，王老师给了我们细致的指导，特别是有关于

原理的叙述，设计的可行性，以及设计的难度的准确的分析和把握，使我们能

在有限的时间中完成设计，使我们受益匪浅。

首先，自学能力大大提高。

由一开始的一无所知到最终设计成功，我们所

需要的知识除了来自课堂，更多的是课外通过上网查询、向老师和学长请教等

多种渠道获得。

大家在一起讨论各种方案实施的可行性，各抒己见提出自己的

观点，从学长和老师那里也学到了很多设计方面的经验。

其次，在设计过程中遇到各方面的问题，多次修改无果失去耐心时，团队

的力量使我们重新振作，并最终将困难一一解决，由此我们体会到合作的重要

性。

团队分工明确、成员互相鼓励以及个人的责任感都起了至关重要的作用。

团结就是力量，无论在现在的学习中还是在以后的工作中，团结都是至关重要

的，有了团结会有更多的理念、更多的思维、更多的情感。