基于单片机的液位控制系统的设计Word下载.docx
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第一章绪论
1.1研究目的和意义
随着工业生产的发展，自动化的相应产业也随之不断更新换代，液位的控制也由传统的人工控制逐渐转变为自动化控制。
对于传统控制存在的问题，本次设计有了很强的针对性，避免了常规工业生产中的人员控制不及时问题。
该系统具有预报警警示系统、报警系统、报警后的自补偿系统以及人工实时操控系统等组成。
本次设计的主要意义在于解决工厂、医疗及生活中不必要人力物力的浪费，同时提高控制系统的精准度，最终到达提高了系统效率与质量的目的。
1.2国内外研究现状
现今在工业生产中常用测量液位仪器有簧管式、浮球式、防爆式以及两线式控制液位器等。
其中超声波液位控制器适用于液位控制精度较高的系统中，该系统的超声液位传感器由两组探头组成，功能分别为发射与接收信号。
这种单发单收传感器可以避免类似自发自收式传感器安装、接收的盲区，又可克服多信号发射、接收的多信号耦合现象。
该系统传感器部分在空气中可以更好的发挥其工作性能，进而提高液位控制精度，在高精度控制系统中广泛应用[1]。
美国公司（MILLTRONICS）已经开发多范围超声波监测系统级和电平测量功能，它使用非接触式超声波传感器的水平差，水平变化可以被监测30厘米至14米范围。
工业生产中常用的控制方式是串级控制，而串级液位控制又是典型控制中的常见事例。
虽然，串级液位控制较之原始液位控制有着显著的效果，但该系统的大惯性、延迟、难以精确控制非线性模型等的特点也给实际生产中添加了不少的困难。
常规PID液位的调控是不能够理想的控制更复杂系统，然而神经网络则可更好地调控复杂系统，新型控制器PID方式（神经网络）不仅具有鲁棒性神经网络的特点，更为特殊的是该元件由常规的控制器PID方式及神经网络BP方式结合构成。
敖茂尧提出优化算法关于粒子群进一步解决神经网络BP收敛慢特性。
改良的控制方式由改进粒子群算法、控制器BP及神经网络PID构成，鉴于自学习、适应性以及加权改良进一步调剂PID参数，从而解决非线性模型的调控。
控制算法的确定关系着被控物体调控的性能优势。
控制回路的PID调节算法中，冲量式数字PID控制算法便捷、工作状态稳定、在工作点上下浮动位置常规状态下能通过使被控制对象的数值测量[6]，并且能快速与原系统的设定值保持一致，而不进行大幅度的超调设置。
在稳定状态下可以消除偏差，调节效果也十分显著，且需要保留显示以前的时刻偏差数较少，因此系统的运算量和资源占用量也较少。
1.3研究内容和方法
该系统主要研究对待测液体液位的控制，系统由传感器测得实时液位值，并传递给主机系统，数值到达极值时会自动给液或排液以确保液位值。
在此过程中操作人员可以根据生产需要进行液位极值的变更设定。
研究方法首先通过对系统总体工作要求的确定，规划出系统整体的运行框图（包括硬件与软件框图）。
根据系统总框图确定所需硬件，并依次决定硬件型号；
对于软件则由程序流程图最终确定各部分程序。
第二章系统的总体方案
2.1系统设计的总体要求
以常规无腐蚀性、不易汽化的液体为待测液的控制模型。
该系统对待测液体进行数据提取，由传感器进行实时数据的检测，并与液位极值进行比较，根据工业需要进行供给液体或排放液体，超出极值时系统蜂鸣器自动报警并自动给液或排液，直至恢复至标准给定值。
调控模型也可实时根据需要及时调控数值。
2.2系统方框图
本系统方框图：
图1系统方框图
根据系统的整体控制需求，通过单片机的总体控制，由数据地址总线以及输入/输出端进行数据传送，由模拟/数字转换模块以及电机控制等外围电路组成，进而达到系统的调控需求。
控制系统的方框图为图1。
2.3硬件控制方案
2.3.1控制模块设计方案
控制模块的主体是单片机，不同型号的单片机具有各自的特点，这样对于机体型号的选择有了更多选项。
因此对于系统而言单片机的选择非常重要，这将决定着系统的工作效率与经济效益。
综上所述可以根据以下几点进行单片机的挑选：
1.被选机型的数据参数。
如控制速度与数据转换速度、程序存储器容量、输入/输出引脚数量等。
2.被选机型的增强功能。
如看门狗电路、双指针、EEPROM、双串口、RTC、CAN接口、RAM延展。
3.被选机型的一次性可编程以及闪存性能。
4.单片机的封装形式：
绑定型封装、直插双列型封装。
5.单片机工作环境的温度变化范围，同时还要根据机型选择领域是工业还是商业进一步选择。
6.单片机功能损耗的大小。
7.单片机的电压工作范围。
如播放机的遥控器设计，需要提供两节干电池的电压或是在1.8~3.6V直流电压内可以工作。
8.被选机型的市场价格。
9.机型能否在线编程以及考虑烧录器的价格。
10.调控时其它功能模块使用的器件型号。
11.所选机型支持的汇编语言。
12.尽可能资源丰富。
13.被选机型应具有较强的免干扰特性。
14.最后还应考虑被选机型同系统中其他芯片总体考虑。
基于上述几点因素：
系统整体的规模不是很大，又由于系统对数据转换的速度要求不是很高即系统实时性需求不高，系统的总线使用分时复用的形式，因而对输入/输出串口的数量要求可以降低。
根据系统的设计需要可以使用四路八位输入/输出接口，同时系统需要外扩存储器以达到扩大数据存储的目的，三十二万字节的存储量（数据）就可以达到系统使用量，最终系统使用十六位或准十六位的总BUS线作为传送数据（地址）[7]。
在实验测试测试过程中，系统机型采用双列直插封装的单片机，不需要对实际生产工业中被控对象的控制所处具体外界环境予以考虑。
系统控制过程中使用交流二百二十伏作为供电源并且使用直流五伏电源为单片机供电，被选单片机支持在线系统编程进而省去了仿真器的使用。
由以上所述调控模型可以选取具有51相通性的AT89S52型作为本次所选机型。
单片机AT89S52型可以在线系统可编程闪存存储器并且集聚性能较高的CMOS与功率低损耗为一体的八位微型调控器。
闪存既能满足存储器（程序）在线编程同时也适用于常用器件编程，使用非易失性高密度存储技术的ATMEL公司制造用工业中，且该系列与51系列突显出良好的融合性，这也使得AT89C51更能灵活应用于嵌入式控制中。
被选机型AT89S52具有下列功能：
字节为二百五十六的RAM，字节为八千的闪存，看门狗（防系统死飞），三十二位输入/输出，数据指针为两个，计数器/定时器十六位为三个，其中调控模型的中断结构为一个六向量二级，时钟电路、双工串行端口和振荡元件（片内）。
此外单片机AT89S52可选择省电模式下的软件数量为两类，且能够处于零赫兹静态下进行运算逻辑。
2.3.2显示与输入键盘模块的设计方案
输入键盘模块主要是为了能够实现液位值的输入，该部分的软件任务主要是检验是否有按键按下同时检查是何键值，之后根据输入值来决定电机的正转或反转进而控制液位值，本系统可以采用独立式键盘进行数值输入。
该系统所需屏幕主要用生产设备计算机来完成简单的工业控制系统，通常用数字显示屏幕，LCD等，调控模型只需表示出液体水平位值即数字化即可，LCD显示屏已经能够满足调控模型的要求。
调控模型精准度必须不大于五米测量范围，十分之一的测量精确度，预测模型的检测取值空间五米，十分之一的准确率，5×
10％=0.5米有效值的测量的需要。
使用两位LED将能够符合模型需求。
系统有两种关于LED显示方法：
静态和动态显示方法。
静态优点是规律容易掌握，屏幕长时间观看不会感觉眼涩，因为不需要处理器连续扫视屏幕，因而可节省处理器的运作量。
但静态展示需要待改进的地方，首先为占用更多输入/输出端口，造成资金投入相对上浮。
因此屏的静态方法数通常用于小型应用系统屏幕。
改善元件中静态展示的输入/输出端所占比例过多，采用压缩BCD生产代码及八位锁存数据元件，硬件74LS273和压缩元件连接该驱动器解码器上，降低元件需要的运作量。
共阳极解码用八区共阳极显示元件进行数据展示，采用单片机控制的输入/出端口的数值锁存。
2.3.3模拟/数字信号转换模块的设计方案
模拟/数字信号的转换是实现单片机控制系统与外界控制的关键，多种不同性质的转换器在数据采集系统的设计中，第一要看怎样选择适当的元件达到系统的要求。
选基于下列参值模块：
1.逐次比较型
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次逼近逻辑结构的，从MSB顺序为每个输送电压和输出DA转换器内置数码比较N次后输出。
它的优点是速度快、损耗功能低，分辨率低（<
12）的是价格比较便宜的；
但精度高（>
12），其价格高。
2.比较并行型/比较串并型
用多个比较器，只看到当前比较并执行转换，也被称为闪光（快速）型。
由于该转换器的转化率高，需要2n-1个比较器进行n位转换，从而使电路规模加大，也造成价位高的现象，因而只适用于高速AD转换视频的特定区域。
比较串并的原理借鉴了并行和逐次比较转换元件（模/数）的工作机理，经典的由N的半值比较并行转换元件（数/模）与转换元件（模/数）构成组合体，比较两次后实施转换，即所谓的半闪光（半快速）型。
有的模块被划分成三个阶段以上的步骤来实现AD转换并被称为分级（多步）型，从第一视角转换的角度可以称为管道（流水线）型的
A/D，多层次的AD加入更多的结果转换为数字运算和纠错等功能。
模块规模比并联式线路精简。
3.积分型
积分型的运作方式（模/数）在频率（脉冲频率）或一个时间（脉冲宽度信号）下转换输送电压，然后由定时器/计数器获取的数值。
它的优点高的分辨率可以通过简单的电路来获得，但缺点是积分时间决定着转换精度导致极低的转化率。
4.电压频率转换型
电压-频率变换型（电压-频率转换器），系统取得的模拟信号，然后转换成一对频率的数字量，通过间接的模拟转换得到数字。
在理论上，这中模块的分辨率会增加并且几乎是无限增长的，只要该频率分辨率样品生产时间能够满足宽度脉冲的累计数。
其优良特性是分辨性能高，具有低廉价位，损耗功能小，但要有外部电路计数电路模板一齐完成模数转换。
5.系统需要A/D转换的位数
当系统需要的转换（模/数）的位数被设置时，该数值应被数据采集系统考虑到这两个区域的动静态精度平滑特性。
由静态精度的角度出发，应考虑所产生的原始信号数据错误最后由系统传递制造的最终误差，这种误差信号的主要是由于数字化模拟造成的。
转换元件（模/数）位数与量化误差有着一定联系。
被称为低分辨率的转换元件（模/数）通常低于八位的转换元件（模/数），中分变率的转换元件（模/数）为九至十二位，超过十三位的被称作高清晰度的转换元件（模/数）。
低于十位的转换器误差值较大，高于十一位的转换元件对降低输入误差并没有太大的改变，但由于转换元件（模/数）的要求定得太高。
因此需要定位于十或十一位为宜。
A/D转换器所要处理的信号需要先经过测量装置的数值测量后方可进行后期处理，量化的误差值与测量的误差值构成了系统整体的误差。
系统装置的测量精准度必须与模数转换器的精准度相符合，换句话说为了不造成测量误差的扩大，需要总体造成的误差与量化的误差值百分比小尽可能的小；
反过来应依照测量精度对转换器规定特定的位值需求。
在当今情况下，精确度值为大于百分之零点一至百分之零点五的测量器居多，因此系统的精度要求可以确定在此区间，加之数值的符号位十至十一位即为对应的二进制代码位数。
双精度转换法可以解决对转换位数需求更多的系统应用问题。
6.A/D转换器的转换率
从转换开始到结束转换需要经过一段过渡时间后稳定的数值才能被输出。
转换率被定义是在完成该变换（模/数）所需时间倒值。
系统的采样率应当在转换率被确定后被予以考虑，在当前需要下同时应考虑到采样的普遍性，随机取得样品个数为十个并且为同一波形的同一周期，高达一千赫兹的信号频率将成为该转换器的最大值。
为了使频率信号得到改善，可以通过降低转换时间从而达到目的。
7.转换器的可控量程
输送信号由自然数起步作为该值最小值，而有些从无到有。
某些转换器提供各种各样的管脚，要保护好转换的精度必须要先确保管脚正确使用，双击性的偏置以及量程的变换是决定转换器可控量程的因素。
8.设备的采样与保持
当在变化非常缓慢的模拟数据信号及直流信号的情况下不需使用保持器，除此之外则都将使用该器件。
频率信号如果不高则所需转换的时间将会变短，换而言之高速取样转换的情况下是不需要使用保持器件和采样器件。
9.满量程误差
当系统满量程输出时理想的输入值被对应的信号输入值减掉之后所得值即为满刻度误差值。
当电压和被选传感元件误差相近时，满足设计要的元件即为ADC0804。
2.3.4电机模块的设计方案
由于液泵参数在设计中不需要被具体确定，液泵的电动机规格和类型的各有千秋，由于参数的不同导致了电路的差异，该设计中仅简述其功能原理。
在系统模块中负责电动启动器的部分由继电器进行调控。
作为调控器件大家庭中的一员，继电器又是这电子家庭成员中的一个重要成员。
该元件集聚了调控系统（输入端回路）与被调控系统（输出端回路），此元件的存在其实就是使用更少的电流来调控一个较大的自动刀闸。
由此可以看出该元件在电路中的职责是对电路整体进行保护以及改变电流流向等。
关于继电器自身所涉猎的技术参数：
1.在额定状态下运行所需的电压参值，该参值指的是在正线圈常规运行的状况下需要电压的供给值，该元件有两种型号可供选择分别为AC型与DC型。
2.在DC状态下的阻值,该值能够在直流状态下使用万能表测量线圈得到所需值。
3.调控过程中的电流损耗，该参值是由元件动作后造成的吸和现象，并在此状态下损耗的电流最小值。
为了使继电器能够在常规状态下进行工作，这就要考虑吸和状态下的参值不大于电流的给定参值。
至于施加给线圈的电压参值，常规为额定情况下电压值的一倍至两倍之间，在此范围之外将会由于过强电流流过线圈时造成烧毁现象。
4.运作情形的电流释放值，即由继电器操控时释放最大电流值。
在目前情况下继电器电流值被降低到一定幅度时该器件将返回无动力下释放情况，此时吸和电流将会远远大于该时刻电流值。
5.器件触点动作情况下的变换电压/电流允许值，该值是被允许加载在器件上的电流/电压值。
这一数值的出现确定了继电器的电压/流值不得超过该值，如果超过该数值将会造成器件触点的毁损。
对于电机的选择一般有三种：
伺服、直流、步进电机。
电动机在直流运行环境下接通电源即可旋转，电机具有较大惯性导致掉电后关闭不会立刻停止，旋转一定角度后停止，如果电机需要旋转角度的精确控制，对此闭环算法是复杂的，体积庞大也就同系统硬件与之对应。
伺服马达起动力矩的机械性能好，具有简单的驱动线路且易于控制，倒车功能不堵塞，就其市场价位而言目前售价高，不适用于一般用途。
步进发动机的电脉冲被转换致角位移。
直流步进电动机转矩相对较大，具有相对高的精度控制，其中每旋转一个步距角都是被设定为更准确的数值，从而能够有效提高输液率的调控精准度。
基于上述参值的特点，本设计使用额定值为120V交流/24V直流的电压，运行在电流三安电压五伏的小型器件。
同时本设计应用正反转的工作原理来调控液位的数值。
2.3.5液位测量仪的模块设计方案
在水平液位控制系统中，最重要的参数测量是水平液位值，液面检测和校对是整个系统中最为关键的。
然而，水平液位是非线性的控制系统，不同时间可以是不同模型。
工业生产中常见的锅炉系统以及船体锅炉系统，系统中都会存在着“虚假液位”的现象，由于锅炉的温度、水蒸气浓度以及液位控制系统在非平静环境下作业造成待测机体晃动，造成液位控制精度不准确，导致液位控制有偏差[2]，针对这种现象常采用串级控制。
如对于一组300兆瓦的汽包炉机组，自动控制调节系统最为重要的就是调控液位，即为汽包的液位调节三冲量系统。
二十世纪八十年代末期的一例汽包水位自动失灵足以说明系统调节的重要性，该事故中汽包水位自动失灵，运行人员没有发现。
水位已经上升到出现水不断外漫的情况，从而造成增加蒸汽水分含量过热现象。
水蒸汽在涡轮机叶片的涡轮机的侵蚀机片，从而产生不均匀的应力。
最终涡轮飞车，涡轮轴飞出油缸壳体，几十米后涡轮停止转动，整个单元全部造成损失[3]，我们可以看到系统的调节的重要。
通常用在生产工业阶段的测液仪：
MKUR3100投入式、UFZ-04型罐车式、ULB型玻璃式、UQK-01/02/03型液位控制装置和彩色石英管浮子玻璃液位计等。
BM51刚线液位计是用途广泛的液位测量、控制仪表，通用的液位测量和控制仪器;
MKUR3100投入式液位计是由液位变送器型URA及URB数字电平指示器由两部分组成，水位控制和测量水位，污水处理，水利和化学工业，冶金和适用的其他部门;
UFZ-04罐液位计在石油、化工、储油和压力容器打开或液位连续测量交通运输部门，尤其是对液化石油气储罐和槽车和其他罐车和水平指示器油轮和液化气残液指示;
NC-01控制铜液位控制，不锈钢等材料，不腐蚀容器02/03型浮球适当的水平[8]。
由于具有精度高、响应速率快等特色的电容式测位仪，采用系统级检测液位仪更为广泛[9]。
在常规状态下的液体位置测量仪通常可以分为两大类：
第一大类为接触式的测量仪，另一类为非接触方式的液位测量仪。
液体位置测量仪中的静压投入式运行在工业与医用环境等，简单的结构是该元件的一大特点，校对与调节以及组装的灵巧性为使用者营造了便捷的使用环境。
该元件在原理上增添了流体静力学理论并应用在液位压力测量仪中，密封成为了该元件的重要技术，这就确保了测量仪器的密封性又使得压力空间与外界相同，间接增加元件测量的精准度[10]。
高低液位测量仪在水池、水塔等现状水平环境下进行实时二十四小时的监控测量，当测量值高于最高液位值或低于最低液位值警报装置就会发送信息提醒看管人员，同时可连接到所述泵控制终端，当其测量端测得值达到报警区间值时，控制端会自动链接到电机端进行供液或排液的操作。
本次设计选用的元件为高低液位测量仪。
2.3.6主机通讯模块设计方案
本次设计使用的AT89S52单片机中有一个内部串行全双工异步输入/输出接口，以P3口中的零号引脚及一号引脚作为接口，使用这种接口方式，能够达到与主机系统通信。
在运作中相异器件之间串行通讯，应该使用同种标准接口进行通讯。
经典标准串行方式为RS485与RS232的通讯。
经典标准串行方式RS485的特性：
1.该元件逻辑值为1，此刻两线间电压差是+6v~+2v;
值为零则两条线间电压差为-6v~-2v。
端口信号的电位值与之RS-232-C数值减少很多，这不可能造成端口线路芯片破损，考虑到该元件电平兼容性与TTL相通，能够容易地连接到TTL。
2.十兆比特位每秒是该元件的最大传送值（数据）。
3.该元件为一种应用差分式接收机与驱动平衡元件端口组合技术，抗共模噪声抑制性能增强，也就是干预性能优良一面的展现。
4.以十兆比特位每秒为最大传输速率的RS-485，其最大输送长度为约1219米，传送速度正比于传输距离，要想以传送距离是极大值时的运行状态，只需将传输率调节到100Kb/s即可，如果必要增大传送的长度，我们需要添加485中继器。
RS-485的BUS线一般可多达三十二个节点，485如果使用一个特殊的芯片，能够扩展节点数到128或256，最大支持个数可多达四百节点[4]。
常规型号该器件状态下，两千五百皮法的电容负载能被该器件驱动，通讯长度会被器件电容值控制。
使用通信电缆一百五十皮法每米，十五米是通讯长度极大值;
如果电缆容值减少将会加大通讯长度。
短距离传送也考虑到该元件传输是单端信号接送方式，当出现共模噪声干扰问题没有扼制时，这也决定了该器件多在二十米范围内运行环境下。
智能器件和主机器件链接多用RS485、以太网、RS232等进行通信，这决定器件的接口是否统一。
然而，RS
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