利用压力传感器实现液位控制系统设计方案.docx

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利用压力传感器实现液位控制系统设计方案

毕业设计（论文、作业）

毕业设计（论文、作业）题目：

利用压力传感器实现液位控制系统的设计

分校（站、点）：

年级、专业：

教育层次：

专科

学生姓名：

学号：

指导教师：

完成日期：

内容摘要........................................................................................................................I

 一、前言........................................................................................................................1

（一）概述....................................................................................................................1

（二）发展趋势............................................................................................................1

二、液位控制系统分析................................................................................................2

（一）液位控制系统的工作原理................................................................................2

（二）液位控制的实现方式........................................................................................2

1、简单的机械式控制方式........................................................................................2

2、复杂控制系统控制方式.........................................................................................3

三、液位控制系统的设计............................................................................................3

（一） 硬件设计.........................................................................................................3

1、单片机的选用.......................................................................................................3

2、传感器的选用........................................................................................................4

3、键盘电路的选用...................................................................................................4

4、液位显示电路的设计.........................................................................................5

5、AD转换电路及控制输出.....................................................................................6

（二）软件设计............................................................................................................7

1、液位控制系统模型框图........................................................................................7

2、液位控制系统键盘程序.......................................................................................8

五、 总结.......................................................................................................................9

参考文献........................................................................................................................9

致谢............................................................................................................................10

内容摘要

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器）之一。

通过本文的研究，总结出了压力传感器实现液位控制系统的优势：

体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好；具有较高的性能价格比；系统不易受到干扰，可靠性高。

基于单片机的过程控制系统应用到实际生产过程做了有益的尝试也为提高过程控制自动化水平提供了有参考价值的设计思路。

关键词：

传感器；传感器技术；液位控制系统

I

利用压力传感器实现液位控制系统的设计

 一、前言

传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一,从宇宙开发到海底探秘,从生产的过程控制到现代文明生活,几乎每一项技术都离不开传感器,因此,许多国家对传感器技术的发展十分重视,如日本把传感器技术列为六大核心技术（计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器）之一。

（一）概述

在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。

除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。

由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。

压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。

压力传感器是用于测量液体与气体的压强的传感器。

压力传感器工作时将压力转换为电信号输出。

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制系统作为压力传感器的一种被广泛应用于电子产品中，为了使自己对单片机控制的智能型控制系统有较深的了解。

经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制系统作为研究工程，通过训练充分激发自己分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。

并且，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。

（二）发展趋势

由于该技术是平面工艺与立体加工相结合,又便于集成化,所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。

压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。

国外液位控制系统的发展已相当成熟，我们国内也在朝着这方面努力，而且好多企业与国际接轨，有了不菲的成绩。

比如单片机控制的智能型液位控制系统的运用等等。

总的来说，发展方向有：

（1）高速化，高效化，低能耗。

提高液位控制系统的工作效率，降低生产成本。

（2）机电液一体化。

充分合理利用机械和电子方面的先进技术促进整个控制系统的完善。

（3）自动化、智能化。

微电子技术的高速发展为液位控制系统的自动化和智能化提供了充分的条件。

智能化不仅仅体现的在液位控制，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有与液面不接触的特点。

二、液位控制系统分析

随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制系统广泛应用于电子产品中，为了使我们对单片机控制的智能型控制系统有较深的了解。

利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。

根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制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，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。

现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

（一）液位控制系统的工作原理

基于单片机实现的液位控制系统是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。

工作过程如下：

水箱（水塔）液位发生变化时，引起连接在水箱（水塔）底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。

通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。

该系统控制系统特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。

图1控制器原理框图

（二）液位控制的实现方式

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制系统控制方式。

两种方式的实现如下：

1、简单的机械式控制方式

其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。

存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

2、复杂控制系统控制方式

这种控制方式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、AD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DA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，以达到控制水箱液位的目的。

针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。

最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。

根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制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，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。

现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

三、液位控制系统的设计

随着计算机技术的发展,计算机控制技术在过程控制中占有十分重要的地位。

众所周知,控制系统已被广泛使用,在其研究与发展上也已趋于完善,在工业生产过程中控制的应用也起到了使工程流程正常运转。

（一） 硬件设计

　　液位控制系统的硬件主要包括由单片机、传感器（带变送器）、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。

1、单片机的选用　　单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片，如图2所示。

其中，P0口用于A／D转换和显示；P1口连接一个3×5的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等。

图2是AT89C51芯片的引脚功能说明。

图2AT89C51芯片外形结构和引脚分布图

2、传感器的选用

传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。

压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定

（O～70℃），传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。

其引脚分布如图3所示。

1脚为信号输出

（一）；2脚为信号输出

（一）；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号

输出（+）；6脚为信号输出（+）。

在水箱底部安装1根直径为5mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。

水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到A／D转换器。

3、键盘电路的选用

行列式键盘输入适合于按键输入多的情况，如有16个按键输入，用简单按键输入用要占用2个输入口（共16位），而使用行列式键盘输入只需占用一个输入口（8位）。

P1口作为键盘接口，连接一个4×4的键盘。

结构上采用行列方式，可定义键盘布局。

结构如图4所示。

P1口作为键盘引出端。

P6口和P5口的部分引脚作为液晶的数据口和控制口。

P1.4和P1.5分别作为可执行机构1和2的控制信号输出端。

结构如图所示。

图4P1口键盘电路结构图

4、液位显示电路的设计　　液位显示采用数码管动态显示，范围从0～999（单位可自定），选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。

在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲。

图5显示电路原理图

5、AD转换电路及控制输出

A/D转换电路在控制系统中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。

该控制系统采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位A/D转换器芯片ADC0809。

在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制A/D转换程序。

图6是A/D转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到A/D转换器。

图6A/D转换电路原理图

控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。

另外在设计过程中预留了串行口，供进一步开发使用。

（二）软件设计

1、液位控制系统模型框图

图7程序设计框图

液位控制系统模型的软件设计框图如图7所示。

图7程序设计框图

2、液位控制系统键盘程序

由于键盘采用的是4×4结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，0～9号为数字键，10～15号分别是确定键、修改键、移位键、加／减键、取消键和复位键。

程序如下：

KEY：

MOVP2，#07H；用反转法查键

KEYI：

MOVB，A；有键按下，存键码

MOVA，P2

MOVDPTR，#TABLE

ANLA，#07A

MOVR3，#OFFH；存顺序码单元初始化

MOVB，A

KEY2：

INCR3

MOVP2，#OF8H

MOVA，R3

MOVA，P2

MOVCA，@DPTR

ANLA，#OF8H

CJNEA，KEY3；判键码，求顺序码

ORLA，B

MOVA，R3；若找到键码，存顺序码

CJNEA，#OFFH,KEY1

RET

RET；无键按下

KEY3:

CJNEA，#OFFH,KEY2；判是否查完

RET；已查完，键码未找到，以无按键处理

TABLE:

DBOF6H，0EEH，0DEH，0BEH，7EH

；按键特征码表

DB0F5H，0EDH，0DDH，0BDH，7DH

DB0F3H，0EBH，0DBH，0BBH，7BH，0FFH

…

A/D转换子程序如下：

…

ADCC:

PUSHACC；模数转换程序

PUSHB

MOVDPTR，#0BFFFH

MOVXA，@DPTR；读模数转换值

MOVB，#0AH；十六/十理家制转换

DIVAB

MOVDSP2,B

MOVDSP3,A

POPB

POPACC

SETBEA

RETI

…

值得注意的是，在用汇编语言编写控制系统程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。

五、 总结本次课程设计是我所做的最综合的一个题目，基于单片机实现液位控制系统模型设计的关键在于硬件电路的正确构建，只有在电路准确的前提下再进行软件编程才能取得成功。

在做设计时，第一步是按照设计要求来确定该题目可能需要的元器件，再慢慢根据个电子元件的功能及题目的要求一一进行筛选，最终确定用那些元件。

第二步是设计方案并确定。

最开始我选择了两个方案，但经过方案的比较及论证后去掉不合理的一个，最终用那个最好的方案来设计。

通过这次课程设计我深刻的感到了理论和实践之间的巨大差距极其之间的联系。

平时理论知识学的很好，但是在课程设计中并不能得心应手，会遇到很多不会的操作，这就需要加强实践能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能相互促进、相互提高。

另外，理论与实践也存着必然的联系，在指导老师的帮助下才能使课程设计最终成功。

参考文献：

[1]黄智伟.传感器技术.2002，21（9）：

31～33

[2]窦振中.单片机原理主程序设计.北京航空航天大学出版社.2000

[3]贾民平.测试技术.高等教育出版社 

致谢

此次论文的全部工作得到指导老师的亲切关怀和精心指导．导师严谨的治学态度、诲人不倦的敬业精神以及高度的责任感使我受益非浅．同时，感谢我的上级领导，从专业知识上给我帮助。

感谢我们公司的设备厂商工程师给予我的指导。

值此论文完成之际，谨向帮助我完成设计的老师及同事们表示崇高的敬意和衷心的感谢！