基于单片机的锅炉水位控制系统的设计

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1、-学 号：2013210501*INJIANG INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计设计题目：基于单片机的锅炉水位控制系统的设计学生*：专 业：电气工程及其自动化班 级：电气工程及其自动化13-2本系 部：电力工程系指导教师：二一七年六月五日. z-摘 要液位控制是工业控制过程中一个重要的参数控制，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平安。以前，大量的对液位控制是由相应的人员进展操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比方液位的控制，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，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

2、平安等。所以，如果能够使用精细的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化系统，可以最大限度的防止事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。本文通过对液位控制系统的研究，设计了以8051单片机为核心、以光电传感器为检测元件的液位控制系统，实现了报警和自动切换功能。该系统操作方便、性能良好，比拟符合锅炉水位控制的需要。本文还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了汇编语言程序。关键词：单片机光电传感器 液位报警. z-. z-AbstractLiquid level control is an important parameter control in the process o

3、f industrial control. Its performance and quality of work not only have a great impact on production, but also related to the safety of production. Previously, a large number of liquid level control is by the staff to operate, so that artificial means a lot of drawbacks, such as liquid level control

4、, and so on the night of monitoring, the operator slightly negligence, or simply monitor parts damaged, will bring irreparable loss, a more serious crisis to production personnel the personal safety. So, if the use of sophisticated and plete production will be in strict accordance with the provision

5、s of the operation of the automation system, can ma*imize the chances of avoiding accidents, but also save resources and can effectively improve the efficiency of production.Through the research of the liquid level control system, this paper designed a liquid level control system with 8051 single ch

6、ip microputer as the core and photoelectric sensor as the detection element, and realized the alarm and automatic switching function. The system is easy to operate and has good performance. It meets the need of boiler water level control. This paper also gives the detailed hardware block diagram and

7、 software flow chart, and piles the assembly language program.Key words: single chip microputer; photoelectric sensor; liquid level; alarm. z-目 录摘要ABSTRACT1 绪 论11.1 课题研究背景及意义21.2 国内外研究现状21.3 本系统设计内容32 液位控制系统总体方案设计32.2 系统硬件总体方案52.3 系统软件总体方案52.4 本章小结63 液位控制系统硬件的设计73.1 核心芯片8051单片机73.2 液位传感器93.3 光电式传感器的

8、根本特性123.3.1光谱特性123.3.2 伏安特性133.3.3 光电特性133.3.4 温度特性133.3.5 频率特性133.4 A/D转换器ADC0809153.4.1 AD转换根本原理153.4.2 ADC0809转换芯片183.5 键盘及显示接口193.6报警电路203.7 本章小结244 液位控制系统软件的设计254.1单片机液位控制系统控制算法及实现254.1.1控制对象26. z-4.1.2控制指标264.1.3控制回路的调节284.2 软件设计流程图284.3本章小结305系统调试315.1仿真调试315.2控制软件的调试315.3 数据测试32结论34参考文献35谢辞3

9、7附录 液位检测的主程序38. z-1 绪 论1.1 课题研究背景及意义液位控制系统是以液位为被控制参数的系统，它在工业生产的很多领域都有普遍的应用。在工业生产过程中，有些地方需要对容器内的介质进展液位控制，液位控制一般指对*一液位进展控制调节，使其到达所要求的控制精度。液体液位的自动控制,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严密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:1直观而集中显示各运行参数,能显示液位状态。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,可以方便的改变液位的上限、下限。

10、3 具有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、平安性综合以上的优点可以预见到采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是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制这些缺点,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制液体液位是很好的选择1 。1.2 国内外研究现状近几十年来，控制系统已被广泛使

11、用，在起研究和开展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。 近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。 在自动控制理论和设计方法开展的推动下，国外液位控制系统开展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性

12、能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。国外的液位控制器在朝着高精度、智能化等方向快速开展。 在我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的开展水平还是不高，同先进国家的差距很大。国内液位控制器以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都

13、是必须正视的现实。所以，开展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。 随着科学技术的不断开展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化，人性化得液位控制系统是国内外液位控制系统开展的必然趋势 2 。1.3 本系统设计内容本控制系统以液位作为研究对象。设计一个基于单片机的液位控制系统，其中包括液位的检测，信号的处理和控制元器件的选型。系统的原理是采用液位式传感器测量液体的液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进展开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。. z-2 液位控制系统总体方案设计本设计是采用8051单片机

14、为核心芯片,及其相关硬件来实现液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时, CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示液位高度,检测液位数据,实施报警平安提示,当水体液位低于用户设定的值时,系统自动翻开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵或翻开排水泵。CPU传感器A/D转换器LED显示报警装置控制执行装置图2-1 基于单片机的液位控制系统框图由图2-1可观察到传感器通过对液面进展测量，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LED进展显示,通过报警装置进展报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水体的液位进展调节控制,

15、阀门的驱动设备是电动机 3 。2.1液位控制器系统的必要性及与传统的浮球阀控制系统的比拟 水位控制器可以采用水位或时段控制进水本文采用水位控制。把浮球阀改成水位控制器，就相当于无形中增大了水厂清水池，对于水厂的均衡生产势必会带来极大好处1.平安性：液位控制器智能程控系统采用：低电压12伏电压，微电流作为控制电源，运用稳定高效的智能集成电路根据各种不同类型功能的给排水工程如建筑楼宇，住宅小区，地铁隧道，工矿企业等的不同需求，结合给排水系统不同时期水位的变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制给排水系统运转的原理进展设计。由于采用独特的多点接触式感应程序，分级分段控制处理水位信息，有效的防止了水

16、池水位过高溢出或缺水，水位过低，断水导致水泵空转损坏。彻底排除了给排水系统发生漏电，断水，浸水给人员，设备，环境带来的平安隐患，从而保障给排水系统的平安畅通，确保用电平安。传统的浮球阀控制系统采用220V交流电源作控制电源，运用浮球阀在水中上下浮动不同角度的变化，通过阀内的钢珠推动杠杆，启动内置开关来操控水泵或阀门系统工作。由于受工作环境的影响，浮球阀的电源电缆长期处于阴暗潮湿的地方，在日常清理维护过程中，很容易造成破损，老鼠也可能造成破坏；特别是浮球阀长期浸在水中浮球阀都是由上下两局部粘结合成一断发生渗漏，破损，即使有少量进水就会造成钢珠生锈，开关等系统失灵，断路，烧毁，甚至可能出现漏电；如

17、此隐患一断发生，轻者造成给排水系统失控，水泵烧毁和局部浸水，断水；严重的有可能造成大面积漏电，对人员生命，设备环境将形成极大的威协，后果十分严重！2.稳定性：液位控制器智能程控系统采用稳定高效的智能集成电路，根据各种不同功能类型的给排水工程如住宅楼宇，地下建筑工程，地铁隧道，工矿企业等的不同需求，结合给排水系统不同时段水位的变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制给排水系统的运转。由于我们采用独特的多点接触式感应程序，分级分段控制处理水位信息，独立的缺水保护系统功能，有效确保水泵及设备平安；因此整个系统工作状态，不会受到任何环境的影响感应触点固定，必要时可加上防护罩时刻保障给排水系统及时畅通

18、无阻。传统的浮球阀控制系统即机械浮球阀其主要用材为：塑料浮球阀，不锈钢浮球阀，铜质浮球阀等通过浮球阀在水中上下浮动的不同角度，使浮球阀内的钢珠推动杠杆，从而启动内置开关来控制水泵或阀门系统工作。由于受工作环境的影响，浮球阀的浮动容易受到外部环境的干扰如杂物等，很难准确表达实时的水位信息；此外由于浮球阀是由两局部粘结合成，容易发生渗漏，破裂，即使有少量的积水，都会造成钢珠锈蚀，开关失灵断路，严重的有可能使给排水系统失控，相关设备水泵等烧毁导致局部断水或浸水。造成重大经济损失和极坏的社会影响。3.经济性：液位控制器智能程控系统由于采用稳定高效的智能集成电路，与目前普遍使用的给排水系统的配电，监控管

19、理系统设施能有机的结合，形成配套系统。因此不会影响工程本钱。但在管理本钱，维修维护费用方面，液位控制器智能程控系统比传统的浮球阀控制系统节省费用90左右。由此可见液位控制器智能程控系统使用的经济价值远远大于传统的浮球阀控制系统。2.2 系统硬件总体方案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展控制,通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值，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3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警平安提示。用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点

20、，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进展开、关水泵,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。本设计主要运用了液位传感器测液位,第三章将着重介绍。2.3 系统软件总体方案水位检测是通过四对由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，实时对水位进展检测。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工业生产过程进展自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对水体液位进展的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进

21、展添加水或放水以适应工作的需要.2.4 本章小结本章在分析了基于单片机的液位控制系统设计任务后，有针对性的提出了任务的解决方法，给出了系统设计的整体方案。并对系统的各个模块根据其功能做出了合理的划分，并论述它们之间的关系。根据实际设计的具体要求，选择了合理的解决方法。在后面的几章，将对各个模块进展详细的阐述，并给出具体的实现方法。. z-3 液位控制系统硬件的设计广泛的液位控制系统包括对水体的液位，压力等的控制，本系统只侧重于介绍液位的控制。液位控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器，把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，

22、单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进展显示,实现液位的报警和键盘的显示与控制 5 。3.1 核心芯片8051单片机的系列产品有8051、8031、8051。其中影响极为深远就是8051。很多其他系列的单片机都以它的技术为核心,所以本设计所采用核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备,从运用功能上看,CPU其中包含两个局部：运算器和控制器以及对输入信号的分析和处理 6 。控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，并可以直接控制键盘参数输入、LED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。系统的原理是运用液位式传感器测量液体

23、的液位值,通过单片机的转换与分析，在LED上显示及输出控制。根据当前的液位值以及用户设定的水位决定是否进展开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,必要时关闭阀门。外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。8051单片机引脚功能：8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将*TAL1接地，外部时钟信号从*TAL2脚输入。本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。 输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7

24、输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口的接口，另外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入/输出口 7 。8051的初始态如表3-1。特殊功能存放器初始态特殊功能存放器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07H07H00HTH000HDPL00HTL000HIP*00000BTH100HIE0*00000BTL100HTMOD00HTCON00

25、HSCON*BSBUF00HP0-P31111111BPCON0*B表3-1 存放器初始状态8051的复位方式可以是自动复位见图3-2。此外，RESET/Vpd还是一复用脚， 此设计采用自动复位电路。3.2 液位传感器在液体液位控制系统中,传感器的选择是极为重要的,传感器是能感受规定的被测量数据,并按照一定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,对检测准确度起着重要的作用。传感器的种类很多,有光学传感器，加速度传感器, 压力传感器，温度传感器,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光电传感器来对液位进展控制，再把检测到的电

26、信号通过ADC0809输入单片机进展分析,接着由LED进展显示和键盘控制,实行对液位的报警，进而控制液体液位。光电检测方法具有精度高、反响快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的构造简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本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，这种液位传感器如图3-3所示：图3-3 液位传感器由图3-3可知，液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件主要采用的是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。光电效应的原理是PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的

27、浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子、空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子,空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光电效应的原理就是光电二极管的原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简单的光学元件。而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度，也是把光信

28、号转化成电信号。光敏三级管是由高亮二极管进展发光的, 高亮二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它的原理和光敏二极管相似,也是产生光电效应。只不过原理正好相反,当有电流导体内部产生光电流,照射在PN结上,在内部产生光电流,它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。而本设计的液位

29、传感器的主要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器。通过吸收高亮二极管的光来测量液位的高度,在转化成光电流传到模拟传感器ADC0809中。a 光敏三极管的构造示意图 b 根本电路 图3-4 光敏三极管这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三局部组成,如图3-5光电传感器框图:图3-5 光电传感器框图光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三局部组成，如图3-5所示。图中，1是光源发出的光信号，2是光电器件承受的光信号，被测量可以是*1或者*2，它们能够分别造成光源本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器设计灵活，形

30、式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用 10 。3.3 光电式传感器的根本特性3.3.1光谱特性在入射光照度一定时，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，见图3-6。由曲线可以看出，当入射光波长增加时，相对灵敏度要下降，这是因为光子能量太小。当人射光波长太短时，光波穿透能力下降，却不能到达PN结，因此相对灵敏度也下降。从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9m左右，锗管的峰值波长为1.5m左右。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。因此在探测可见光或赤热物体时，多采用

31、硅管。但对红外光进展探测时，采用锗管较为适宜 11 。3.3.2 伏安特性如图3-7所示。在这里改变光照就相当于改变一般三极管的基极电流，从而得到这样一簇曲线。3.3.3 光电特性一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加较小，。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。3.3.4 温度特性温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著。因此，光敏晶体管在高照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度的影响相对来说比拟小。但在低照度下工作时，因为亮电流较小，暗电流随温度变化就会严重影响输出信号的温度稳定性。在这种

32、情况下，应中选用硅光敏管，这是因为硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。同时还可以在电路中采取适当的温度补偿措施，或者将光信号进展调制，对输出的电信号采用交流放大，利用电路中隔直电容的作用，就可以隔断暗电流，消除温度的影响。 3.3.5 频率特性光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。如图3-6所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。图3-6光敏晶体管的光谱特性图3-7 光敏三极管的伏安特性光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积

33、很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断开展，光电传感器在价钱方面也可以同其他传感器相比有优势。3.4 A/D转换器ADC0809A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数字信号,然后再通过8051单片机的分析处理进展LED显示和液位及压力的报警。3.4.1 AD转换根本原理AD转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。它涉及了A/D转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是AD转换芯片的选择与应用问题。A/D转换器的根本功能是将一个用二进制表示的数字量转换成相应的模

34、拟量。实现这种转换的根本方法是对应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而这个电流的大小正比于相应的二进制位的权。DA转换器主要由三局部构成，即加权电阻解码网、受输入数字量控制的电子开关组和由运算放大器构成的电流转换器。电子开关组受输入二进制数据D7DO控制，当*一位为1时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使*一支路电阻上有电流流过。当*一位为0时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。加权电阻解码网络各支路的电阻值与二进制数据D7DO的权相对应，权大的电阻值小，权小的电阻值大。因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值(0或1)，还决定于权，各支路的电流如下 12 ：3-1因此

35、，总电流为Iout： 3-2该总电流经电流转换器后有: 3-3其中3-4 由上述A/D转换公式可知：当水位到达最高点即2m时，输入数据D7D0为11111111B I=Vref/R I7=I/21 I6=I/22 I5=I/23.I0=I/28 I01=-I7+I6+I5+I4+I3+I2+I1+I0 =(I/28)*(27+26+25+24+23+22+21+20) 假设Rfb=R，则： V0=-I01*Rfb =-I01*R =-(Vref/R)/28)*( 27+26+25+24+23+22+21+20)*R =-(5/28)*( 27+26+25+24+23+22+21+20)由式3-

36、4看出，尽管使用的网络构造不同，但对于DA转换器的输入输出来说是等效的。就8位DA转换器而言，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的2倍，这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器。DA转换芯片的主要性能指标如下:1)分辨率。表征DA转换器对微小输入量的敏感程度，通常用数字量的数位表示，如8位、12位、14位等。分辨率为10位的DA转换器，表示它可以对满量程的11024的增量做出反响。2)相对精度。在满刻度已校准的前提下，在整个刻度范围内，对于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。通常用偏差几个ISB来表示和该偏差相对满刻度的百分比表示。3)转换时间。数字变化量是满刻度时，到达终值LSB2所需

37、要的时间，通常为几十纳秒至几微秒。4)非线性误差。通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.l0.03。其工作过程是：比拟开场时，首先对二进制计数器(输出锁存器)的最高位置1，然后进展转换、比拟判断。假设模拟输入Uin大于Ui，比拟器输出为1，则使输出锁存器的最高位保持为1。然后对较低的位依次按照该方法进展比拟和调整，无论哪种情况，均应继续比拟下一位，直到最末位为止。此时DA转换器的数字输入(输出锁存器内容)即为对应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完成了AD转换过程。这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝码，假设不适宜，就改放小一号的，依次类推。一旦天平指示砝码太重说明

38、刚刚放进去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要重复这种过程n次。3.4.2 ADC0809转换芯片本开发系统的AD转换实验硬件主要是由ADC0809转换芯片和四个可变电位器组成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式AD转换器，输入电压在(O5)V，最大不可调误差小1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。ADC0809芯片的引脚图如图3-8所示。由图3-8可看芯片主要是由一个8位AD转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟

39、通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU来取，取后由CPU启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精细度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。图3-8为ADC0809芯片的引脚图 14 。图3-8 ADC0809 芯片的引图ADC0809是带有8位A/D转换器，以及一个逐次逼近型存放器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入局部能够进展锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机

40、接口。3.5 键盘及显示接口本设计显示局部采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由假设干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。用LED是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。在微型机系统中，LED常用的显示方法有两种。一种是静态显示，一种是动态显示。所谓的静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持，直到下次送新的显示模式为止。这种显示占用机少，显示可靠；缺点是使用元件多，且线路比拟复杂，因而本钱比拟高。这种显示器显示方式的每一个七位显示器需要一个八位输出控

41、制，本设计采用的是静态显示。所谓动态显示就是单片机定时的对显示器进展扫描。这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都同时显示。这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多，显示。动态显示的亮度与导电电流有关，也与点亮时间和间隔时间比例有关。键盘是有假设干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，来实现简单的人机对话。键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。非编码键盘有并行接口扫描和串联接口扫描，本设计采用的是串行接口，它的组成是由移位存放器74LS164和六个键组成，74LS164是一个14位脚

42、的存放器，集成电路芯片，由8051串行接口的T*D端输出列扫描信号到74LS164的1、2引脚，键闭合信号则用端口P3.3、P3.4、P3.5输入8051单片机，由8051单片机的T*D引脚输出移位时钟脉冲到74LS164的时针输入端CLK。还有非前者用软件来识别和产生代码，后者则用键盘来识别，键盘处理程序实现对键盘的管理，显示具体图3-9。图3-9 LED显示器3.6报警电路当液位控制系统中水体液位到达上限或者下限时，会发出报警，进而控制电磁阀翻开或关闭。以下二种情况发生系统报警。1)当液位到达上限极限液位时报警，液位到达上限极限液位时系统发出报警；2)当液位到达下限极限液位时报警，液位到达

43、下限极限液位时系统发出报警。图3-10报警电路的接线图数字调节器D/AV/I伺服放大器电动调节器多容对象液位检测元件I/V放大电路A/D图1多容对象液位控制系统构造图该控制系统由 51 单片机、 D/ A 转换、 V / I 转换、伺服放大器、 电动调节阀、 A/ D 转换、 放大电路、I/ V 转换、 液位检测元件等局部组成. 由 51 单片机给出控制量(数字量) ,经 D/ A 转换将数字量变为模拟量,由 V / I 将电压转换成电流并放大控制电动调节器控制容器里水的流入量. 然后检测液位,将检测量返回送给控制系统,控制系统根据返回的检测量与给定的差值进展调节。 控制对象多容控制对象(以双

44、容对象为例)为一水槽,其构造示意图为图 2 其中 R1 为 1 #水槽的流水阀液阻, R2 为 2 #水槽的流水阀液阻, C1 为 1 #水槽的液容, C2 为 2 #水槽的液容, T1 为 1 #水槽的时间常数, , T2 为 2 #水槽的时间常数,H1 为微变量,H2 为微变量, K* 为流量阀的流量系数, K为放大系数,为进入对象时的纯滞后时间,考虑到输入水流量经一段距离, Kp 为比例系数, Td 为微分时间常数, T为积分时间常数, t为采样周期, 为积分系数; 微分系数。控制指标在多容对象液位变化范围 h = 0 - 100mm内 ,通过选择适宜的 PID 参数 ,要求能稳、 准、

45、 快地稳定在所要求的液位上 , 误差不超过 013mm ,当发生扰动(正扰动或负扰动) 时,能迅速的恢复到原来所要求的液位值上。 控制算法通过对控制对象分析得,消去中间变量后可得微分方程及传递函数假设 T1 = T2 = T ,即多容对象为等容环节,则有通过实际试验测试,得其动态特性曲线如图 3 所示.图3 双容对象动态特性曲线从曲线上,用切法对试验所得数据进展处理,得到其中放大系数 k = 1. 57 ,时间常数 T = 52. 5s ,滞后时间= 14. 8s.故对象传递函数为.控制回路的调节冲量式数字 PID 控制算法简单,工作稳定, 在工作点附近通常能使被控制对象的测量值迅速跟踪设定值

46、,不产生大的超调,在稳态时能消除偏差,具有较好的调节效果,并且只需保持现时以前3 个时刻的偏差,占用资源少,运算量相对较少3 .因此,将其用在了控制双容对象液位回路中.其算法表示如下 (1)由式(1)可得 (2)其中为微分系数,为偏差值之差.在本控制中,对 PID 参数的选择是通过试验4 ,选出假设干值,经调试过程中的反复优化,最后找出最正确值为:比例系数 Kp = 0. 35 ,积分系数I = 1. 62 ,微分系数 D = 0. 33 ,采样周期 T = 3s.系统具有构造简单,控制精度高,易于实现等特点5 .经实际应用,效果良好,该算法不但适用于本系统,而且稍微进展修改,可用于对温度、

47、压力、 浓度流量等多个热工参数的控制,应用范围广泛。系统硬件接线图3.7 本章小结 本章在分析了基于单片机的液位控制系统各单元电路设计用到的器件及其特性，有针对性的提出了各器件特性，给出了主电路设计的整体方案。并对主电路的各个器件根据其功能做出了合理的概述，并论述了它们之间的关系。根据实际设计的具体要求，选择了合理的解决方法。. z-4 液位控制系统软件的设计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，系统硬件组态完后，根据I/O地址分配和功能要求便可以进展软件编程。软件编程是系统完成控制的一个重要局部。系统软件程序主要完成初始化工作，输入输出控制，子程序主要完成数据采集处理的功能包

48、括采集的液位数据与给定的液位值的比拟，是否需要报警，以及处理完成显示局部与调节阀的信号输出。4.1单片机液位控制系统控制算法及实现8051单片机为微型计算机开展的一个重要分支 ,以其可靠性、 高性能价格比、 低电压、 低能耗等优势,广泛的应用于工业控制等领域 ,它具有系统构造典型、 灵活、 通用性强、 指令完整丰富 ,计算机技术系统化、 理论与实用严密结合 ,外部配件丰富 ,接口简单等诸多独特优点 ,非常适合工业控制 15 。但在具体实际应用过程中 ,51 单片机控制系统的控制算法及其实现是应用人员在系统设计中应注意的问题 ,必须根据实际控制的需要进展研究设计。计方案一定是合理 可行的。否则

49、,如果很随意地制定一个方案 ,而它又存在缺陷和错误 ,则 ,后续工作做得愈多 ,花的时间愈长 ,则损失也愈大 16 。本文以多容对象液位为控制对象 ,根据实际研究的结果 ,给出一种 51 单片机控制系统的控制算法及实现方法. 系统组成液位控制系统的构造如图 4-1 。数字调节器电动调节器报警装置液位传感器图4-1液位控制系统构造图该控制系统由 51 单片机、电动调节阀、 A/ D 转换、液位检测元件等局部组成. 由 51 单片机给出控制量(数字量)，控制电动调节器控制容器里水的流入量. 然后检测液位,将检测量返回送给控制系统,控制系统根据返回的检测量与给定的差值进展调节。 4.1.1控制对象多

50、容控制对象(以双容对象为例)为一水槽,其构造示意图为图 4-2 图4-2 双容对象构造示图其中 R1 为 1 #水槽的流水阀液阻, R2 为 2 #水槽的流水阀液阻, C1 为 1 #水槽的液容, C2 为 2 #水槽的液容, T1 为 1 #水槽的时间常数, , T2 为 2 #水槽的时间常数,H1 为微变量,H2 为微变量, K* 为流量阀的流量系数, K为放大系数,为进入对象时的纯滞后时间,考虑到输入水流量经一段距离, Kp 为比例系数, Td 为微分时间常数, T为积分时间常数, t为采样周期, 为积分系数; 微分系数。4.1.2控制指标在多容对象液位变化范围 h = 0 - 100m

51、m内 ,通过选择适宜的 PID 参数 ,要求能稳、 准、 快地稳定在所要求的液位上 , 误差不超过 013mm ,当发生扰动(正扰动或负扰动) 时,能迅速的恢复到原来所要求的液位值上。 控制算法通过对控制对象分析得,消去中间变量后可得微分方程及传递函数假设 T1 = T2 = T ,即多容对象为等容环节,则有通过实际试验测试,得其动态特性曲线如图4-3 所示.图4-3 双容对象动态特性曲线从曲线上,用切法对试验所得数据进展处理,得到其中放大系数 k = 1. 57 ,时间常数 T = 52. 5s ,滞后时间= 14. 8s.故对象传递函数为4.1.3控制回路的调节冲量式数字 PID 控制算法

52、简单,工作稳定, 在工作点附近通常能使被控制对象的测量值迅速跟踪设定值,不产生大的超调,在稳态时能消除偏差,具有较好的调节效果,并且只需保持现时以前3 个时刻的偏差,占用资源少,运算量相对较少。17.因此,将其用在了控制双容对象液位回路中.其算法表示如下 (1)由式(1)可得 (2)其中为微分系数,为偏差值之差.在本控制中,对 PID 参数的选择是通过试验16,选出假设干值,经调试过程中的反复优化,最后找出最正确值为:比例系数 Kp = 0. 35 ,积分系数I = 1. 62 ,微分系数 D = 0. 33 ,采样周期 T = 3s.系统具有构造简单,控制精度高,易于实现等特点。18经实际应

53、用,效果良好,该算法不但适用于本系统,而且稍微进展修改,可用于对温度、 压力、 浓度流量等多个热工参数的控制,应用范围广泛。194.2 软件设计流程图本软件流程图设计简易合理，方便易于操控，能够针对液位的不同状态和不同外界条件进展控制,液位运行稳定、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,保证了工业液位方面作业的稳定运行。图4-4是主程序流程图：在该系统的软件局部的设计中，主要是对流程图的介绍，其中包括了对液位的检测，对补水泵的控制开和关，以及补水泵是否正常工作的报警。通过对液位进展的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进展添加液体或放液体以适应工作的需要，并可防止故

54、障的发生20 。补水泵1有故障吗？检测位为下限水位吗？开启补水泵1进展补水液位检测YNN补水泵2工作Y开场返回检测水位为上限水位吗？补水泵1停顿补水YN检测液位为上限液位吗？补水泵2停顿补水YN故障报警图4-4软件设计流程图4.3本章小结本章分析了基于单片机的液位控制系统各单元电路软件设计，有针对性的提出了各电路实现的功能，根据实际设计的具体要求，选择了合理的解决方法。液位控制系统的软件设计都做了系统的规划和功能的说明，所有设计根本上完成，功能的进一步完善还需要进一步的改良。. z-5系统调试5.1仿真调试由于时间的限制，本设计采用仿真PLC系统软件实现功能仿真和测试，当程序在调试时，使用仿真

55、I/O设备模拟下位机向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。组态王提供一个仿真PLC设备，用来模拟实际设备向程序提供数据，供用户调试。5.2控制软件的调试软件调试的步骤如下：l 根据系统各功能模块流程图编写程序；l 对各功能模块进展逐一编译调试；l 各功能模块调试正常后，进展联合编译调试。此时需要注意的问题是程 序的连贯性及各功能的相互搭配。l 对全部程序进展调试，调试成功后，要对程序进展精简化，在完成各功 能的前提下，剔除多余的程序代码。系统接线和程序检查无误后，可以接通电源。在工程浏览器上单击工具栏中的VIEW按钮，进入组态王运行系统。如果是在画面制作系统，请选择文件切换到VIEW，

56、也可进入组态王运行系统。用户可以单击水泵启动按钮，电机和水泵中的红色图素变成绿色，同时水箱减税流体的动画显示。单击水箱泄水阀门、炉出水阀门，两阀门图素在翻开、关闭间切换。水箱泄水和锅炉出水流体动画的显示与否，还取决于水箱是否在溢流状态，锅炉液位是否大于零。用户可以单击锅炉给定液位后的文本，弹出输入对话框，用户可在此输入锅炉液位给定值。系统的运行效果如图3.1、图3.2、图3.3所示。用户如果对控制效果不满意，可以在线反复修改阀门比例系数和PID比例系数KP，以使控制精度能够满足要求。图3.1 锅炉液位控制系统监控中心运行效果5.3 数据测试 本设计中我采用的采样周期T=0.5s，T1=20,并

57、通过改变PID比例系数KP、阀门比例系数KI的值。测试数据如下图KP=1，KI=0.7 图3.4 但是它的上升比拟缓慢 KP=2，KI=1.5经过阀门比例系数KI、PID控制比例系数KP，系统的上升时间有所提高，但是振荡幅度比拟大。所以选择是应该折中考虑。. z- 结论液位控制系统是以液位为被控制参数的系统，它在工业生产的很多领域都有普遍的应用。在工业生产过程中，有些地方需要对容器内的介质进展液位控制， 液位控制一般指对*一液位进展控制调节，使其到达所要求的控制精度。本系统主要介绍了液位检测控制，介绍了8051单片机和其它一些单片机在液位控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本

58、设计还采用了多种传感器来对液位的信号采集，利用LED来进展信号的输出显示,本系统的硬件构造简化,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。通过自动调节控制液位并实现水体的液位报警。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。本文给出了用单片机控制液位，通过用户设置液位上限、下限值来实现一定范围内液位的控制；给出了液位控制系统的硬件连接电路以及软件程序，此系统液位控制只是单片机广泛应用于各行各业中的一例。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，工业以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用。. z-参考文献1

59、王文琦.工业锅炉的检测与控制技术M.:*科学技术,1986. 65-852 王骥程.化工过程控制工程M.:化学工业,1981. 25-323 王文琦.工业锅炉的检测与控制技术M.: *科学技术,1986. 78-894 王骥程.化工过程控制工程M.: 化学工业,1981. 45-85 5 谢自美.电子线路设计、实验与测试M.华中科技大学，2003. 45-696 杨国志,王立峰,杨东光,王辉林等.实用电子制作实例M.*科学技术，2000. 123-1307 金伟正.单线数字温度传感器的原理及用M.电子工业，2000. 101-1248 王永平，陈建华.基于S7200PLC的高性能电热锅炉控制系统J.仪表技术与传感器,2002. 146-1539 李明,*向东.用容错技术提高锅炉控制系统的可靠性J.清华大学学报,1999. 48-5610 吴春旺.锅炉汽包液位调节控制系统设计A.:机械工业,2006. 68-7611 潘新民,王艳芳微.型计算机控制技术M.高等教育，2002. 78-8212 谈振藩.自动控制专业英语M.*工程大学,1999. 43-5613 杨智,明丽萍. 21世纪燃气锅炉在中国的开展前景J.自动