基于单片机的水箱控制系统.docx

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基于单片机的水箱控制系统

一水箱控制系统的模型分析与设计

1.系统的模型分析

系统由以下几个部件组成：

储水箱，潜水泵，变频器，控制器，出水管。

系统有一个出水通道，一个输水通道。

通过潜水泵向储水箱输水，以平衡出水道的水量流失，使水箱液面维持恒值。

水箱的液位值有一只压力传感器测得，并通过A/D转换传输到控制器。

控制器通过计算得出控制量，输送给变频器，变频器根据控制量向潜水泵输出功率，以控制潜水泵的抽水效率。

系统原理图如图1所示：

图1.

由此可以建立系统的方框图：

控制对象：

水箱液位

操纵变量：

输水流量Q1

扰动量:

出水量Q2

控制器：

C51单片机

执行机构：

潜水泵（变频器）

f

二．主控制器硬件设计

1.概述

主控制器包括以下模块:

中央处理器，A/D转换器，D/A转换器，串口通信电路，数字显示器，键盘，蜂鸣警告器。

使用ALTIUMDESIGNER8.0软件，设计集成电路板，将上述模块集成到一块小型的电路板上。

2.中央处理器——AT89C55单片机

因为系统是一个液位控制系统，控制精度并不要求十分高（控制在毫米级即可），控制速度不要求十分快。

因此考虑到性能及成本问题，选用atmel公司的AT89C55单片机。

AT89C55单片机的性能参数为：

DIP40封装，32个I/0口（P0_0~P3_7），8个中断源，3个计时/计数器，256字节RAM，20字节ROM,时钟频率，12MHz。

处理器接线如图8所示：

图8

处理器有8个空余管脚暂未使用，以后可根据需要作功能扩展。

3.模/数转换器——ADC0804

要对水箱液位进行控制，首先要将水箱的即时数据采集给中央处理器。

通过置于水箱中的压力传感器将水箱液位转换为电信号（0~5V电压信号或4~20mA电流信号），传输到模/数转换器，通过转换，将电信号模拟量变为数字量，供中央处理器处理。

在这里采用NSC公司的ADC0804作为模/数转换器。

ADC9804接受典型的传感器输入电信号，8位数据并行输出。

它的处理速度为100μs，无论从速度还是精度（8位）都已经可以满足要求。

ADC0804接线如图9所示：

图9

这里为了节约I/O口，采用了数据并入串出的方式，通过移位寄存器74164将转换得的数字量逐位输入给中央处理器。

这样虽然使得处理速度降低，但由于液位控制只需间隔一定时间对水箱液位进行数据采样即可，而采样周期一般远大于处理周期，因此，实际上并不会降低数据的处理效率。

4.数/模转换器——DAC0832

数/模转换是模/数转换的逆过程。

中央处理器通过将当前的液位值与给定值比较，得出误差，再通过一定的控制算法处理误差，得出控制量。

这时的控制量是数字量，必须转换成模拟量，才能传输到变频器的模拟量输入端子。

在这里采用NSC公司的DAC0831作为数/模转换器，接线图如图10所示：

图10.

若不加接电路，输出的是电流信号。

如果需要输出电压信号，则要加接电路图如下图11：

图11

这样，通过运算放大器以及反馈电阻的组合，可以将电流输出转为电压输出。

同理，为了节约I/O口，采用了数据串入并处的方式。

5.输入键盘

由于系统没有转门的给定值模块，所以给定值储存于中央处理器中。

因此若要改变给定值，就必须要有输入装置。

这里采用3X4矩阵键盘。

原理图如图12所示：

图12

键盘实物图如图13所示：

图13

有4个空余键可由使用者通过修改中央处理器内部程序自定义。

6.显示器——4X8段数码管

为了方便使用者实时了解液位值及中央处理器内部信息，这里设置了一组有四个八段数码管组成的显示器。

为了节省I/O口，这里同样采用了数据串入并处及数码管动态扫描显示的方式。

接线如图14所示：

图13

7.蜂鸣警告器

实际应用中有可能出现这样的情况：

由于使用者的控制算法设计不当（积分时间常数太大，或者开环增益太大，造成很大超调量，或者算法中没有积分环节切除设置，导致积分饱和），使得液位超过上限，或低于下限，这时需要系统及时发出警告。

这里使用简单的蜂鸣器即可。

接线如图14所示：

图14

其中BEEP信号有中央处理器P2.0给出。

高电平时三极管导通，蜂鸣器响。

反之不响。

8.直接串口通信——RS232

为了使得系统可以与其他机器进行信息交流（单片机与单片机之间），这里设置一个RS232芯片为核心的串口通信接口。

接线如图15所示：

图15

9.USB转串口——PL2303。

中央处理器的程序要根据实际情况和使用者需要随时修改。

程序从通用的PC机下载到中央处理器中。

这里用的接口便是以PL2303为核心的电路。

如图16所示：

图16

10.电源接口

考虑到电源提供能更廉价和方便，这里使用220v，50Hz的工频电源。

但是如果在控制器集成版中内置变压器，变压器的强磁场对把板子内各块芯片的信号可能产生较大干扰，所以这里不采用位置的变压器，先将220v的交流电转成24v的直流电，再由内置的7805芯片转换成5v电压。

接线如图17所示：

图17

11.电路板原理图和PCB图

电路板原理图和PCB图如图18，图19所示：

图18

图19