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基于单片机液位控制系统论文

南昌工程学院

毕业设计（论文）任务书

一、毕业设计（论文）题目：

基于单片机智能液位控制系统的设计

二、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

基于单片机设计一种水位智能监控系统，以实现蓄水池与水库泵站之间水位数据的实时传输、数字显示和自动控制。

本设计中技术要求：

（1）电源采用0～5V稳压电源，A/D转换器采用10位。

（2）单片机中控制算法采用智能控制算法

（3）单片机要实时显示水位高度，且具有报警功能。

（4）实际控制水位误差在±1cm以内，传输控制延迟时间为0.1秒，保证正常供水。

三、毕业设计（论文）工作内容及完成时间：

1、查找资料，撰写开题报告：

3.22~4.4

2、确定控制方案：

4.5~4.10

3、设计电器控制线路和原理图：

4.11~4.17

4、确定智能控制算法：

4.18~4.24

5、画电路图：

4.25~5.8

6、电路调试：

5.9~6.12

7、撰写设计说明书、准备答辩：

6.13~6.20

四、主要参考资料：

1.李华等.单片机应用技术选编[M].北京:

北京航空航天大学出版社,1993.

2.郝迎吉,贺科学.一种新型铁路调度自动监督系统[J].铁道学报,2002,6.

3.胡刚等.水位远程自动测报系统在水利工程中的应用[J].计算机自动测量与控制,2001,9

（1）.

4.ZhaoHan-dongDepartmentofMechatronicsEngineeringNorthChinaUniversityofScience&Technology,Taiyuan,Shanxi,030051PRC;TheResearchaboutGPSapplyingtoRocket-Projectile[A];Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonTestandMeasurement（Volume1）[C];2003年

机械与电气工程学院08机电一体化专业班

学生：

龙亮

日期：

自2011年3月2日至2011年6月20日

指导教师：

李兵

助理指导教师（并指出所负责的部分）：

教研室：

机械电子教研室主任：

叶建雄

摘要：

水位智能监控系统是现在生产生活中必不可少的部件，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，大量的对水位监控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，时刻监控蓄水池的环境，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安全等。

所以，对蓄水池控制，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智能化化系统，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的效率。

本单片机系统设计的目的是基于单片机控制技术，以8051单片机为核心控制蓄水池的水位，并实现了报警和手动、自动切换功能。

该系统操作方便、性能良好，很好的实现了蓄水池与水库泵站之间水位数据的实时传输、数字显示和自动控制。

关键词：

单片机水位控制报警

Abstract:

Theintelligentcontrolsystemisnowtheproductionandlifeoftheessentialcomponentsofitsperformanceandqualityofthegoodworkformorethanagreatinfluence,andalsorelationswiththeproductionsafety.Theintelligentcontrolsystemisnowtheproductionandlifeoftheessentialcomponentsofitsperformanceandqualityofthegoodworkformorethanagreatinfluence,andalsorelationswiththeproductionsafety.Theintelligentcontrolsystemisnowtheproductionandlifeoftheessentialcomponentsofitsperformanceandqualityofthegoodworkformorethanagreatinfluence,andalsorelationswiththeproductionsafety.

Monolithicintegratedcircuitsdesignthesystemofcontroltechniquesandrevivification8051monolithicintegratedcircuitstocontrolthelevelofthereservoir,andtothepoliceandthemanual,theswitch.thesystemfunctionoperationsand,goodfortanksandreservoirsperthpumpingstationbetweenthelevelofreal-timedatatransmission,thenumberandautomaticcontrolled.

Keywords:

Single-chipLevelControlAlarm

第一章液位控制系统简介…………………………………………………………1

（一）过程控制系统……………………………………………………………………1

（二）液位监控系统……………………………………………………………………5

第二章本课题主要研究内容………………………………………………7

（一）系统硬件总体方案………………………………………………………………10

（二）系统软件总体方案………………………………………………………………10

（三）设计的研究进程…………………………………………………………………11

第三章系统硬件设计………………………………………………………12

（一）核心芯片8051单片机…………………………………………………………12

（二）压力传感及放大检测……………………………………………………………15

（三）传感器的选用……………………………………………………………………17

（四）DAC0832D/A转换器和CAD571A/D转换器……………………………………18

（五）键盘及显示接口…………………………………………………………………22

（六）报警装置…………………………………………………………………………25

第四章系统软件的设计……………………………………………………27

（一）软件设计流程图…………………………………………………………………27

（二）水位检测的主程序………………………………………………………………28

第五章结论…………………………………………………………………31第六章参考文献……………………………………………………………32致谢……………………………………………………………………33

第一章液位控制系统简介

（一）、过程控制系统

1、过程控制系统及其特点

自动化技术是信息科学与技术的—个重要分支。

自20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，已成为我国高科技的重要组成部分，正在工业生产和国民经济各行业发挥着重要的作用。

自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

过程控制（Processcontrol）通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，它是自动化技术的重要组成部分。

从控制的角度出发，可以把工业分成三类：

连续型、离散型和混合型。

习惯上，把连续型工业称为过程工业（Processindustries），有时为突出其流动的性质也称为流程工业（fluidprocessindustries）。

在连续型工业过程中，包括了连续的信息流、物质流和能量流,过程控制技术正在为实现现代工业生产过程中各种最优的技术经济指标，提高经济效益和劳动生产率，改善劳动条件，保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

过程控制一般是对生产过程中的有关参数进行控制。

主要对系统的温度、压力、流量、液位、成分和物性六大类参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，在保证质量和生产安全的前提下，使生产自动进行下去。

连续型工业的生产特征是：

呈流动状的各种原材料在连续流动过程中，经过传热、传质、生化物理反应等加工，发生了相变或分子结构等的变化，失去原有性质而形成的一种新的产品。

过程参数的变化不但受内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不只一个，在过程中起的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难。

这是生产过程具有的特殊性造成的，因此形成了过程控制的下列特点：

（1）对象复杂多样；

（2）对象存在滞后；

（3）对象特性的非线性；

（4）控制系统较复杂。

2、过程控制系统的发展

生产过程自动化的发展，大体上可以以分为三个阶段：

（1）仪表自动化阶段

20世纪40年代前后，生产过程自动化主要是凭生产实际经验。

局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表，实现生产设备就地分散的局部自动控制。

20世纪50年代至60年代，先后出现了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装置，采用了集中监控与集中操纵的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。

过程控制的理论仍采用以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，主要解决单输入、单输出的定值控制系统的分析和综合问题，各控制系统间互不关联或关联甚少，只是控制的品质有较大的提高。

（2）计算机控制阶段

20世纪70年代至80年代，由于集成电路与计算机技术的飞速进展为过程控制的发展创造了条件，开始采用计算机直接数字控制（directdigitalcontrol,DDC）与计算机监控（supervisorycomputercontrol,SCC）系统。

由于计算机硬件的可靠性高、成本较低，有丰富的软件支持，有直观的CRT显示，便于人机联系；它既没有模拟常规仪表那样数量多、仪表柜庞大的缺点，也不会像60年代初采用的大型计算机集中控制那样，一旦出现故障，就会影响全局，因此得到了广泛的应用。

70年代中期，集散控制系统（distributedcontrolsystem,DCS，也称之为分布式控制系统）开发问世了。

集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通信技术和图形技术为一体的装置。

其可靠性高，同时能方便灵活的实现各种新型的控制规律与算法，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。

由原来分散的机组或车间控制，向全车间、全厂和整个企业的综合自动化方向发展。

在过程控制系统结构方面，为了提高控制质量与实现一些特殊的控制要求，相继出现了各种复杂控制系统。

例如，串级、比值和均匀控制的应用。

在控制理论方面，除了仍然采用经典控制理论以解决实际生产过程中遇到的问题外，现代控制理论开始得到应用，最有控制、推理控制、预测控制，自适应控制等方法得到了迅速的发展，控制系统由单变量系统转向多变量系统，以解决实际生产过程中遇到的更为复杂的问题。

（3）综合自动化阶段

从20世纪90年代开始，过程控制进入了综合自动化阶段。

在自动化工具上推出了现场总线控制技术。

现场总线是智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

其用一对N的结构代替一对一的结构；互换性、互操作性好；控制分散，现场仪表不仅有检测功能，而且可以有运算功能和控制功能。

因而通过现场仪表就可构成控制回路，使控制回路彻底分散。

现场总线采用公开的、标准的网络协议，很容易与其他网络集成，方便共享信息，为综合自动化奠定基础。

它的出现标志着控制工具的又一次重大变革，过程控制进入了真正的计算机时代。

在控制理论上采用了智能控制理论。

智能控制将人工智能，控制理论和运筹学三大学科相结合，采用模糊技术、神经网络和专家系统等技术，比较好的解决了对象建模的困难和干扰众多与控制要求提高的矛盾，在许多难以控制的场合下，发挥了卓越的作用。

以计算机集成技术为基础的综合自动化体系正在形成，综合自动化系统就是包括生产计划和调度、操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控制系统，也称管理控制一体化的系统。

这类系统是靠计算机及其网络来实现的。

CIPS是一种全新的哲理与概念，它以企业整体优化为目标，以计算机及网络为主要技术工具，以生产过程的管理和控制自动化为主要内容，将过去局部自动化的“孤岛”模式集成为一个整体的系统，它代表了当代自动化的潮流。

3、过程控制系统的组成

常规过程控制系统主要由四个部分组成：

（1）控制器

控制器也称调节器，它接收变送器送来的信息——被控量。

当其符合生产工艺要求时，控制器的输出保持不变。

否则，控制器的输出发生变化，对系统施加控制作用。

（2）执行器

被控量的测量值与设定值在控制器内进行比较后得到的偏差大小，由控制按规定的控制规律（PID等）进行运算后，发出相应的控制信号去推动执行机构。

如本文中的电动调节阀。

（3）被控对象

被控对象是指被控制的生产设备或装置。

如本文中的水箱液位。

常见的被控对象有锅炉、加热炉、分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋转窑等生产设备。

（4）变送器

反映生产过程的工艺参数大多不止一个，—般都需用不同的传感器进行自动检测，才能了解生产过程进行的状态，以获得可靠的控制信息。

常规过程控制系统结构图如下：

图1-1过程控制系统框图

（二）、液位监控系统

1、液位监测系统的重要性

在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，它在石油﹑化工﹑环保﹑水处理﹑冶金等行业尤为重要。

在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。

通过液位的检测与控制，了解容器中的原料﹑半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。

通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时的监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。

如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费﹑产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。

液位是工业生产中经常碰到的控制参数之一，液位控制的好坏直接影响产品的质量甚至产品制造的成功与失败。

因而液位的控制具有广泛的实际应用价值和广泛的应用前景。

液位控制是较普遍和较关键的控制系统，它具有非线性、滞后性等特性。

2、液位监测系统的实现方法

目前液位控制系统的技术已比较成熟,有简单机械式控制装置的系统,也有复杂控制器控制的系统。

目前对水箱水位控制的系统大致可分为

以下2种:

（1）机械式控制系统。

机械式控制系统结构简单、成本低廉。

但这种控制装置故障多,误动作多,且只能单独控制,与计算机进行通信较难实现。

（2）交流调压/变频调速控制系统。

该系统是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器,把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号,经过前置放大、多路切换、A/D变换成数字信号传送到单片机,经单片机运算和给定参量的比较,进行PID运算,得出调节参量;经由D/A变换给调压/变频调速装置输入给定端,控制其输出电压变化,来调节电机转速,以达到控制蓄水池水位的目的。

基于单片机设计一种水位智能监控系统，以实现蓄水池与水库泵站之间水位数据的实时传输、数字显示和自动控制。

本系统是对一个蓄水池水位进行监控的系统。

根据监控对象的特征,要求实时检测蓄水池的液位的高度,并与开始预设定值做比较,由单片机控制SSR固态继电器的开断进行液位的调整,最终达到液位的预设定值。

检测值若高于上限设定值时,要求报警,断开SSR,控制水泵停止上水;检测值若小于下限设定值,要求报警,开启SSR,控制水泵开始上水。

现场实时显示测量值,从而实现对蓄水池液位的监控。

第二章本课题主要研究内容

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。

当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和linux操作系统。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

事实上单片机是世界上数量最多的计算机。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。

而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。

汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集合到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

　　单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。

用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。

我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！

它主要是作为控制部分的核心部件。

它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。

通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板。

但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。

只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。

由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？

很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？

原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。

一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！

对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。

单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。

一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。

可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。

不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。

它由主机、键盘、显示器等组成。

还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。

这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。

顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。

因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。

它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。

现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。

究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑件上。

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体液位控制系统,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2位七段LED显示示液位高度,检测液位数据,实施报警安全提示,当水体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,系统自动关闭水泵或打开排水泵。

（一）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行控制,通过传感器安装在蓄水池底部，由上至下测量水体的液位值。

并把液位状态通过模数CAD571转换器传到单片机中,在通过2位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。

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，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、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。

（二）系统软件总体方案

水位检测是通过液位传感器实时对水位进行检测。

当水位到达某一位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于某一位置时，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，加水电磁阀有可能出故障；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电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。

本系统所使用的传感器性能稳