基于单片机的水箱液位控制系统设计.docx
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基于单片机的水箱液位控制系统设计
本科生毕业设计
（申请学士学位）
论文题目基于单片机的水箱液位控制系统设计
作者姓名
所学专业名称自动化
指导教师
2013年6月日
基于单片机的水箱液位控制系统设计
摘要：
大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件。
它的性能的好坏，工作质量的优良与否对生产有着巨大的影响，尤其关系着生产的安全。
在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的，这样的人工操作方式给水箱的控制和监控带来了很大的弊端。
本系统以8051单片机为核心控制水箱的水位。
由压力传感器输出的检测信号，进入单片机的模拟量输入口。
然后由单片机对检测信号与给定值进行比较和运算，得到输出控制信号。
通过单片机控制交流变频器从而控制交流电机。
通过水泵直接调节水箱的液位，直到达到设定水位。
关键词：
单片机；水位；控制
DesignofcontrolsystemofwaterlevelbasedonSinglechipmicrocomputer
Abstract：
Largewatertanksarealotofcompaniesessentialtotheproductionprocessofparts,Thequalityofitsperformance,thequalityofworkfineornothasagreatinfluenceontheproduction,especiallythesafetyofproduction.Inthepast,manyofthetanksareoperatedbythestaff,themanualmodeofoperationhasbroughtgreatdisadvantagestocontrolandmonitorthewatertank.
Thedesignofthesystemusethesingle-chipmicrocomputercontroltechnologywith8051single-chipmicrocomputerasthecorecontrolofthewaterlevelofthewatertank.Detectionsignaloutputfromthepressuresensor,analoginputintothesinglechip.ThentheMCUofthedetectionsignaltocomparethevalueandoperation.Thesingle-chipmicrocomputergettheoutputcontrolsignal.Throughthesingle-chipmicrocomputertocontrolACfrequencyconverterandACmotor.Liquidleveldirectlyregulatingwatertankthroughawaterpump,untilitreachesthesetwaterlevel.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;Level;Control
1绪论
1.1水箱水位控制系统研究背景及意义
在工农业生产中，常常需要控制液体水位。
随着国家工业的迅速发展，水位控制技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。
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；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行水位控制的实验装置。
大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。
在过去，大量的对水箱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，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，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，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产效率。
从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。
而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本。
单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。
80C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。
所以应用到众多嵌入式系统开发中。
因此，基于80C51单片机的水箱水位控制系统研究有着重要的意义。
水位控制一般指对某一水位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。
液体的水位自动控制，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的仪表控制，危机控制有以下明显优势：
（1）直观而集中的显示运行参数，能显示水位状态。
（2）在运行中可以随时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，可以方便的改变水位的上限、下限。
（3）具有水体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改运行参数，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。
综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。
单片机在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
一般工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制水箱水位是很好的选择。
1.2水箱水位控制系统国内外研究现状
目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。
但是目前阶段，它的成本还很高。
比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。
因此大规模的使用仍受到经济上的限制。
但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。
水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。
我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是比不可少的部件，即使是发达国家也不例外。
它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。
随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制任然通过专职的人员进行控制。
随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间[1]。
而且越来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。
1.3基于单片机的水箱液位控制系统设计过程
执行机构
采样与显示
H（液位高）
1-1系统设计结构图
由检测变送元件输出的检测信号，进入单片机的模拟量输入口，然后由单片机对检测信号与给定值进行比较和运算，得到输出控制信号。
单片机在过程控制中:
一是作为控制器与参数监测元件、变送器及执行机构组成一个直接数字控制系统从而控制水泵，实现水位的调节，使水位稳定在设定的值；二是依靠串行口COM1数据通讯与计算机连接，实现计算机数据采集与显示。
2单片机的水箱液位控制系统的软件设计
2.1程序概要设计
本系统程序开发，使用的语言给汇编语言。
程序实现当水位处于LG（高）、LD（低）或LDD（低低）时，报警信号输出，判断泵水方式（自动或手动）。
当水位到达规定容量时，停止泵水。
在次程序中，低电平为有效（即0为有效）,高电平为无效（即1为无效）。
2.2系统程序原理
2.2.1系统流程框图及主程序
主程序要实现的是，对数据的初始化，并且判断用户是使用自动模式还是手动模式，根据用户的具体需求：
若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序；若用户选择手动模式，则程序调用手动子程序。
图2-1主程序流程图
系统主程序：
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0060H
MAIN:
MOVP1,#FFH；P1P3口初始化置1
MOVP3，#FFH
JNBP1.3，AUT；若手动在自动位置，跳到自动模式子程序
AJMPMEN；否则转到手动模式子程序
END
2.2.2自动模式子程序原理
自动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用自动化控制模式。
自动模式子程序首先判断水位是否高LG，若水位高于指标，则运行“水位高报警”程序，并返回主程序。
若水位不高，则判断水位是否低LD，若水位低，则试运行“水位低报警”程序。
然后判断水位是否低于LDD：
若水位没有达到LDD的指标，则试判断“M1是否开启”，若没有开启，则开启M1;若“M1开启”则判断“M2是否开启”，若“M2开启”，则程序运行“停止M2”程序；若“M2没有开启”，则试程序运行“延迟1分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。
若水位达到水位LDD的指标，则运行“水位低低报警”，然后程序判断“M1是否开启”，若“M1未开启”则运行“M1开启”程序；若“M1开启”则程序判断“M2是否开启”，若“M2未开启”则运行“M2开启”程序，若“M2开启”，则运行“延迟一分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。
其程序控制如下所示：
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0060H
MAIN：
MOVP1,#FFH；P1P3口初始化置1
MOVP3，#FFH
JNBP1.3，AUT；若手动在自动位置，跳到自动模式子程序
AJMPMEN；否则转到手动模式子程序
END
AUT：
NOP；空命令
JNBP1.2，LG；水位高-LG
JBP1.1，LD；水位没低-LD
CLRP3.1；水位低报警
JBP1.0,LDD；水位未低低-LDD
CLRP3.0；水位低低报警
JNBP1.6,Y1；M1已启动-Y1
CLRP1.4；否则启动M1
Y1：
JNBP1.7,Y2；M2已启动-Y2
CLRP1.5；否则启动M2
Y2：
ACALLDELAY；延时1分钟
AJMPAUT；返回自动模式
LDD：
JNBP1.6,Y3；单独运行M1（LDD〈水位〈LD）
CLRP1.4
Y3：
JBP1.7，Y2
SETBP1.5
AJMPY2
LG：
CLRP3.2；水位高报警
LD：
AJMPMAIN；返回主程序
3水箱水位控制系统的调试
3.1水箱水位控制系统组成
3.1.1交流变频调速
该硬件调试中变频器选取三菱FR-S520S-0.4K型。
三菱变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
三菱变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
三菱变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
工作原理：
（1）主回路：
电抗器的作用是防止三菱变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据三菱变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在三菱变频器的输出端，减少三菱变频器输出的高次谐波，当三菱变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。
虽然三菱变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照三菱变频器的容量进行选择。
可以用三菱变频器本身的过载保护代替热继电器。
（2）控制回路：
具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。
在现代工业控制系统中，多采用微机或者PLC控制技术，在系统设计或者改造过程中，一定要注意三菱变频器对微机控制板的干扰问题。
在采用三菱变频器后，产生的传导和辐射干扰，往往导致控制系统工作异常，因此需要采取下述必要措施：
（1）良好的接地。
电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的屏蔽地，应单独接地。
对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、I/0接口屏蔽层与控制板的控制地相连。
（2）给微机控制板输入电源加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等，可以有效抑制传导干扰。
另外，在辐射干扰严重的场合，如周围存在GSM、或者小灵通基站时，可以对微机控制板添加金属网状屏蔽罩进行屏蔽处理。
（3）给三菱变频器输入端加装EMI滤波器，可以有效抑制三菱变频器对电网的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器，可以提高功率因数，减小谐波污染，综合效果好。
（4）对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。
因为三菱变频器一般都有多段速设定、开关频率量输入输出，可以满足要求。
如果非要用模拟量控制时，建议一定采用屏蔽电缆，并在传感器侧或者三菱变频器侧实现远端一点接地。
如果干扰仍旧严重，需要实现DC/DC隔离措施。
可以采用标准的DC/DC模块，或者采用对v/f转换光隔离,再采用频率设定输入的方法。
此模块的主要作用是控制电机向水箱中注水，并且根据设置的参数控制电动机的转速使水箱水温达到预设的目标。
3.1.2水箱系统组成
被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。
调节器主要有模拟调节器（含比例P调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、智能仪表调节器、PLC控制器、单片机控制、计算机控制等。
在本设计中用到的是上下水箱、模拟调节器、单片机控制。
执行器模块主要是磁力驱动泵。
图3-1系统组成图
变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1，LT2）、压力变送器（PT）等。
变送器的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。
系统的结构组成如图3-1所示，被控对象的供水有两路：
一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供水；另一路是磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水。
每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6流到下水箱，在上水箱中安装了压力传感器（PT、LT1），用于检测压力、液位的大小。
3.1.3压阻式压力传感器原理
压阻式压力传感器如图3-2是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。
当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。
这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。
硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50～100倍。
压阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。
压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔，另一面是与大气连通的低压腔。
硅膜片一般设计成周边固支的圆形，直径与厚度比约为20～60。
在圆形硅膜片（N型）定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。
硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。
在本设计中压力传感器主要是检测水箱压力大小，通过压力传感器将压力转化成液位从而判断水箱液位的高度。
压力传感器将信号传给单片机，通过单片机控制电机，从而达到调节水位的目的。
图3-2压阻式传感器结构组成
3.1.4单片机对电动机的控制
（1）、Ｃ8051用于控制电动机时的输入输出端口设置
在I／O口Po、P1、P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。
某些内部资源与I／O引脚相连接时．必须通过交叉开关控制寄存器xBRo、xBRl、xBR2进行设置。
设置交叉开关控制寄存器XBRo、xBRl、xDR2的作用是：
确定被选择的资源。
这些被选择的资源分配到哪些I／O引脚上去，则由交叉开关优先表根据排列的优先顺序来确定。
（2）、电动机控制中的模／数转换在C805l中的实现
AＤＣ可编程窗口检测器在电动机控制应用中非常有用。
它不停地、自动地将ADc输出与用户编程的极限值进行比较。
并在检测到越限条件时通知系统控制器。
（3）、电动机控制中的PWM和测频在C8051中的实现
在有刷和无则直流电动机的控制中．需要使用脉宽调制（PwM）技术，通过调节PwM信号的占空比来实现调速。
因此，PwM波发生器在直流电动机的控制中是不可缺少的。
此外，电动机控制中还经常需要对输出的频率信号进行测频。
c805l单片机有PwM功能和捕捉功能。
这些功能都包含在一个称为可编程计数器列阵PcA当中。
PcA除了有PwM功能和捕捉功能外，还有比较功能和高速输出功能。
单片机在本设计中主要是接收来自压力传感器输出的检测信号，进入单片机的模拟量输入口。
然后由单片机对检测信号与给定值进行比较和运算，得到输出控制信号。
通过单片机控制交流变频器从而控制交流电机。
通过水泵直接调节水箱的液位，直到达到设定水位。
3.2调试结果
（1）、按照应用需要所设计的电路图连接试验台电路如图3-3所示
图3-3系统调试连接图
（2）、根据水位控制系统要求将KP设置为40；Ki设置为10：
Kd设置为0。
如图3-4所示
图3-4上位机参数设置图
（3）、启动电机后，电机向复合水箱注水，通过液位变送器将液位检测信号送至单片机模块GK-03，再用单片机模块输出的模拟信号控制交流变频器，进而控制电机的转速，从而形成一个闭环系统，实现水位自动控制。
（4）、水位开始上升，在上位机中可以看到实时的曲线变化如图3-5所示。
图3-5水位上升实时监控图
（5）、当水箱内的水位达到预设的4cm左右后电机就会随着水位的变化通过单片机控制电机动作实时调节水箱的水位，在上位机的监控软件上可以看到水位的实时变化曲线如图3-6，由图中曲线可知水位通过水位控制系统的调节最后趋于稳定的预设值。
图3-6水位趋于稳定实时监控图
（6）通过单片机的水位控制系统的调节使得水位结果稳定在为4.01cm，基本达到预设值如图3-7所示。
.
图3-7实际结果图
结论
在本次的毕业论文是基于单片机的水箱控制系统，主要核心就是80C51单片机。
通过这次设计，我综合运用大学四年所学知识去分析和解决问题，我深刻的了解和掌握了单片机的控制原理和设计方法。
不仅加深和回顾了但单片机等专业知识而且积累到单片机控制技术在实际中的经验。
由于自身缺少在实践设计的经验，所以在这次的设计中我自身也发现了很多不足的方面，从论文的本身的方面的结构到具体设计中硬件设计知识和经验的不足使得设计和论文存在的很多的问题，但是我的导师的细心指导下，经过前后多次的修改和完善，最终完成了毕业设计的任务。
单片机控制技术领域是一个有着非常潜力和前景的专业技术，我相信通过这次毕业论文的设计，不仅加深和掌握了这一专业技术，而且也提高了自己的专业能力和综合素质，为我的大学生涯画下一个完整的句号。
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