完整版 单片机水位控制论文1.docx

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完整版单片机水位控制论文1

摘要

随着计算机技术和现代通信技术的迅速发展，水位控制器已经从普通型发展到智能化，而且水位控制器的功能日益趋向于完善。

水位控制器是近年来开发的一项新技术，它是传感器、硬件、软件等几项技术紧密结合的产物，它的作用是观测和控制容器内的介质多少量，通过液面的高度来掌握体积的多少，从而达到防止超装和掌握存液数量的目的，可用于很多地方进行工业控制。

本次设计主要针对锅炉进行自动检测、自动控制等多项功能，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济的运行，减轻工作人员的劳动强度，由于我国水位控制操作水平落后，工作人员过多，但是现在水位控制器为水位控制开辟了广阔的前景。

对水位控制器研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。

关键词：

单片机水位控制器传感器A/D转换

Abstract

AlongwiththecomputertechnologyandModernCommunicationTechnology'srapidlyexpand,thewaterlevelsurveymeteralreadytosaidfromthepopulartypedevelopstheintellectualization,moreoverthewaterlevelsurveymeter'sfunctiontendstodaybydaytheconsummation,howeverwaterlevelsurveymeter'smanycorrelationtheoriesandthetechnologyunceasinglywerestilldeveloping.

Thewaterlevelsurveymeterisanewtechnologywhichtherecentyearsdeveloped,itwasthesensor,thehardware,thesoftwareandsoonseveraltechnicalcloseunionproduct,astheboilercontrolinstallment,itsprimarymissionwasguaranteedthatwateringcan'ssecurity,stable,economicalmovement,reducedstaff'slaborintensity.Usesthemonolithicintegratedcircuit,cancarryontheautomaticdetection,theautomaticcontroltotheboilerandsoonmanyfunctions.Becauseourcountrywaterlevelsurveyoperationallevelisbackward,thestaffareexcessivelymany,butthepresentwaterlevelsurveymeteropenedthebroadprospectforthewatermonitor.

Thewaterlevelsurveymeter,itsfunctionisintheobservationandthecontrolvessel'smediumaremuchfew,graspsthevolumehighlythroughtheliquidlevelhowmany,thusachievespreventstheultraattireandgraspssavesthefluidquantitythegoal.Tothewaterlevelsurveymeterresearch,isadvantageoussatisfiesthematerialneedswhichthepeoplegrowdaybyday,throughappliesthescienceandtechnologyinthewatermonitor,thuscausesthepeopletorealizetrulythescienceandtechnologythedevelopmentconvenientwhichandthecomfortbringsforownreallife.

Keywords:

MCUWaterlevelSensorA/DSwitch

目录

1绪论1

1.1选题的目的意义1

1.2应解决的主要问题1

1.3国内外发展现状2

2设计方案的确定3

3硬件设计5

3.1传感器的选择5

3.1.1传感器的概述5

3.1.2传感器类别的选择6

3.1.3传感器型号的选择8

3.2A/D转换器的选择10

3.2.1A/D转换器的主要技术指标10

3.2.2A/D转换器的类别的选择11

3.2.3A/D转换器型号的选择12

3.3单片机选择15

3.3.1单片机的简介15

3.3.28051芯片引脚17

3.3.3存储器19

3.4复位电路和时钟电路的设计20

3.4.1复位电路设计20

3.4.2时钟电路选择22

3.5报警电路设计23

3.6控制电路的设计24

3.7键盘显示电路设计25

3.7.1键盘电路简介25

3.7.2键盘电路的分类26

3.7.38155的结构与引脚26

3.7.4矩阵式键盘电路简介27

3.8显示电路设计28

3.8.1显示器件的选择28

3.8.2驱动芯片的选择29

3.8.3MC14499芯片简介29

3.8.4LED驱动芯片MC1449931

3.9集成稳压器电路33

3.9.1集成稳压器电路简介33

3.9.2W7805芯片简介33

3.10电源监控器件35

4软件设计36

4.1程序模块36

4.2程序流程图36

4.2.1主程序流程图36

4.2.2A/D0809转换程序流程37

4.2.3键盘扫描子程序37

4.2.4键盘显示子程序的设计39

总结40

参考文献41

致谢42

附录43

1绪论

1.1选题的目的意义

随着计算机技术和现代通信技术的迅速发展，水位控制器已经从普通型发展到智能化，而且水位控制器的功能日益趋向于完善，然而水位控制器的许多相关理论与技术仍在不断发展。

本次设计的就是针对锅炉水位控制器研究的一个课题。

因锅炉里的水在高温时汽化供暖，水和汽的损耗较大，要不断地补充水，使锅炉里的水位保持一定的高度，水位过低，锅炉就有爆炸的危险。

为了随时了解锅炉内的水位，在锅炉上都装有水位器，水位器和锅炉构成一个连通器。

常用的有玻璃水位器、压强水位器、浮标水位器、电容水位器及电阻水位器等。

在高温和高压下，也可采用同位素水位器。

水位器产品多种多样，其中以玻璃管水位器和玻璃板水位器使用的最多，玻璃管水位器又因材质的不同分为普通玻璃管水位器和石英玻璃管水位器，二者是有区别的。

本人之选题《水位控制器》，具有如下目的意义：

①通过查阅资料可以了解当前行业前沿的水位控制器技术及产品发展状况。

②培养自己将所学的知识与现实相联系的能力。

③水位控制器，它的作用是观测和控制容器内的介质多少量，通过液面的高度来掌握体积的多少，从而达到防止超装和掌握存液数量的目的。

④对水位控制器研究，有利于满足人们日益增长的物质需求，通过将科学技术应用到水位控制上从而使得人们真正体会到科技的发展给自己的现实生活所带来的方便和舒适。

1.2应解决的主要问题

本设计主要解决传感器的选择、硬件电路的设计和软件程序的设计。

其所能达到的技术指标为

①可以对锅炉水位信息进行采集。

②通过单片机控制，使锅炉水位水位维持在正常的范围内。

③具有键盘显示功能。

④具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警。

⑤对水位进行控制的功能。

⑥对整个电路有一个专门提供电源的基准电压回路。

⑦对电源进行监控的电源监控器件。

1.3国内外发展现状

中国容器水位控制器产业专题调查分析报告中指出《中国容器水位控制器市场分析报告》立足于容器水位控制器市场发展现状分析，通过对容器水位控制器行业环境、容器水位控制器产业链、容器水位控制器市场供需、容器水位控制器价格、容器水位控制器生产企业的详尽分析，以使企业和投资者达到对容器水位控制器产品市场发展现状的全面、深入掌握；同时为使企业和投资者把握容器水位控制器未来的市场发展趋势，单位还对容器水位控制器行业未来发展趋势和市场前景进行科学、严谨的分析与预测；另外在投资分析部分，针对企业投资决策依据进行了重点分析，并综合给出投资建议。

随着工业生产日趋自动化,对液位检测技术的要求也越来越高。

为解决生产中的测量问题,一方面是采用新的测量原理,开发新的液位检测仪表,扩大检测的手段,另一方面需朝着实现微机化和智能化的方向发展。

近年来,微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。

新的检测原理与电子部件的应用使得液位计更趋向小型化和微型化,特别是一些小型现场液位开关发展极快,如光纤液位计,由于没有可动部件,所以可靠性高,不仅可现场显示,而且可以发出控制信号。

与此同时,液位检测也正向着智能化方向发展,在液位测量领域内广泛应用微处理技术,以实现故障诊断和报警功能,提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。

在应用和设计液位计时尽量实现不接触式或不渗透式测量,从而提高探头对恶劣环境的抵抗能力,以便在恶劣环境下准确、可靠地工作。

目前国内外水位器的种类很多，有雷达水位器、磁性浮子水位器、石英管水位器、智能雷达水位器、彩色石英管水位器和超声波水位器等等。

而生产水位器的公司有美国罗斯蒙特ROSEMOUNT、德国E+H、日本横河YOKOGAWA、德国西门子SIEMENS、瑞士ABB、德国VEGA。

这些只是常用而较热门的品牌。

2总体设计方案的确定

数据采集系统主要是指这样的系统，它具有将模拟量（例如温度、压力、位移、语音、图像等）变为数字量，然后经计算机进行适当的处理后，再配以显示、记录等功能。

典型的数据采集系统框图如图2.1所示，图中各单元的功能如下：

2.1典型的数据采集系统框图

被测物理量：

主要是指非电的物理量，例如工业控制中的温度、压力、流量、水位等。

传感器：

将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。

传感器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。

放大，整形，滤波：

传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，特性补偿，滤波等环节的预处理来完成。

A/D转换器：

实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。

单片机：

目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。

显示设备：

常用的显示器有发光二极管、7段数码管等。

控制设备：

一般有按键控制，具有设定，确定等功能。

报警设备：

当所测的信号超出了设定值，应该通知工作人员进行处理的设备，一般有声光报警等。

综上所述，设计数据采集系统时在硬件方面的工作主要是根据系统要求，合理选好个单元器件及互相连接，以及完成输入、输出的设计。

而数据采集系统的软件设计是根据系统要实现的功能，经接口对各个部分进行控制；对模拟多路输入通道的选择以保证选择正确的通道；在正确的时刻取样和保持以使ADC能正确完成转换；对输入的数字信息进行运算处理以及显示、记录和传输，对信息格式可能还要做变换工作，这些基本上都是通过编程来实现。

基于上述的考虑本设计的整体思路如下:

以MCS-51系列单片机为核心开始设计，选用合适的水位传感器对锅炉中的水位参数进行检测把检测到的模拟信号转换成电信号。

本次设计采用的是变送器，它可以直接把水位信号转化成标准的电信号，而不需要放大、整形、滤波等。

对该电信号通过模数转换把模拟信号转换成数字信号。

模数转换器A/D与单片机相连，由I/O端口输入到单片机，由单片机对其进行监测和控制。

在控制电路的控制下，最后经过输出端口单片机与显示电路相连通过所编的程序完成显示功能。

设计方法从整体上把它分成两块：

第一块为硬件电路的设计，对传感器的选型，A/D转换器，接口芯片的选型。

为显示的驱动电路、数码管的选型。

第二块为软件的设计，采用汇编语言编程，这里面包含定时对检测电路数据采集，输出信号驱动数码管显示等。

3硬件设计

硬件设计大体可以分为5步：

①用传感器将非电量信号转换成电量信号，而在设计中选用什么类型的传感器，从经济性，可靠性和准确性的方面考虑。

②用模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，然后传送到单片机里。

③是控制电路的设计，即键盘、按钮等对水位控制系统的控制。

④显示、监控电路的设计。

⑤对电压基准电路和电源监控电路的设计。

硬件系统的设计框图如图3.1所示。

3.1硬件系统的设计框图

3.1传感器的选择

3.1.1传感器的概述

传感器是一种能以一定精度把某种被检测量（主要为各种非电量的物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换为（便于人们应用、处理的）另一参量（通常为电参量）的器件或测量装置。

它把待控制的能量形式，转化成另一种可供处理查询的能量形式的装置。

信号处理电路用于处理信息，而输出器件是一种利用已处理过的信号的装置、显示或动作。

传感器不但对被测信号敏感，而且具有把它对被测变量的响应送出去的功能。

也就是说，传感器不是一般的敏感元件，它的输出响应还必须易于传送的物理量。

例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移）不便于远距离传送。

如果把膜盒中心的位移转变为电容极板的间隙变化，就称为输出响应是电容量的压力传感器。

倘若，再通过适当的电路使电容量的大小为振荡频率的高低，就演变成输出响应是频率值的压力传感器。

某些敏感元件的输出响应本来就能够传送到别处报警，例如，铂电阻应变电阻的阻值，热电偶的电动势等，把这些敏感元件称为传感器也未尝不可。

由于电信号便于远距离传送，所以绝大多数传感器的输出是电量的形式，如电压、电流、电阻、电感、电容、频率等。

也有利用压缩空气的压力大小传送信息的这种方法在抗电磁干扰和防报安全方面比电传送要优越，但气源和线路上的投资较大，而且传送速度较低。

近年来利用光纤传送信号信息的传感器正在发展，其抗干扰、防爆、快速性都有突出的优点。

总之，传感器的输出物理量不拘一格，其数值范围也没有一定的范围限制。

3.1.2传感器类别的选择

常用于控制水位的水位器有连通器式、吹泡式、差压式、电容式等，报警物位的有超声波物位计和放射性物位计等。

其报警原理和特点如下：

①连通器式就是应用最普通的玻璃水位器，它的特点是结构简单、价廉、直观，适于现场使用，但易破损，内表面沾污，造成读数困难，不便于远传和调节。

②浮力式水位器包括恒浮力式和变浮力式两类。

1）恒浮力式水位器。

恒浮力式水位器是依靠浮标或浮子浮在液体中随液面变化而升降，它的特点是结构简单、价格较低，适于各种贮罐的控制；2）变浮力式水位器。

变浮力式亦称沉筒式水位器，当液面不同时，沉筒浸泡于液体内的体积不同，因而所受浮力不同而产生位移，通过机械传动转换为角位移来控制水位。

此类仪表能实现远传和自动调节。

③吹泡式水位器是应用静压原理控制敞口容器水位。

压缩空气经过过滤减压阀后，再经定值器输出一定的压力，经节流元件后分两路：

1）一路进到安装在容器内的导管，由容器底部吹出；2）另一路进入压力计进行指示。

当水位最低时，气泡吹出没有阻力，背压力零，压力计指零；当水位增高时，气泡吹出要克服液柱的静压力，背压增加，压力指示增大。

因此，背压即压力计指示的压力大小，就反映了液面的高低。

吹泡式水位器结构简单、价廉，适用于控制具有腐蚀性、粘度大和含有悬浮颗粒的敞口容器的水位，但精度较低。

④差压式水位器有气相和液相两个取压口。

气相取压点处压力为设备内气相压力；液相取压点处压力除受气相压力作用外，还受液柱静压力的作用，液相和气相压力之差，就是液柱所产生的静压力。

这类仪表包括气动、电动差压变送器及法兰式水位变送器，安装方便，容易实现远传和自动调节，工业上应用较多。

⑤电容式水位器是采用控制电容的变化来控制液面的高低的。

它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。

两电极间的介质即为液体及其上面的气体。

由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如：

ε1>ε2，则当水位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。

反之当水位下降，ε值减小，电容量也减小。

所以，可通过两电极间的电容量的变化来控制水位的高低。

电容水位器的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保证水位控制准确，因被测介质具有导电性，所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。

电容水位器体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的水位控制。

接下来来分析一下本设计到底用哪一种水位传感器更为合适，首先，应该明确一下，本设计是水位控制器，因此有很多种，如石油、化工、环保和水利等。

本次所选的是一个大型锅炉，但类似于水塔。

根据下面的信息来确定应该用何种传感器。

①连通式传感器，俗称直读水位器，由于它易于破损，不便于远传和调节。

所以它不适合用在大型锅炉上；

②浮力式水位器，价格较低，简单易于操作，可用来远传和调节。

适合用在大型锅炉上；

③吹泡式水位器简单价廉，但精度较低，不适合用在大型锅炉上；

④差压是水位器，主要用表控制粘稠、有沉淀、有腐蚀或易冻结的液体，一般不会用在大型锅炉上；

⑤电容水位器体积小，容易实现远传和调节，适用于具有高腐蚀性和高压水位控制，因此不适合用在大型锅炉上；

从上面分析中，可以看出浮子式水位器和应变式传感器都适合作为大型锅炉的水位传感器。

在本设计中选择应变式水位器作为水位传感器。

3.1.3传感器型号的选择

在本次设计中，准备选用水位传感器为JBY系列L形普通投入式水位变送器。

作为此次设计所使用的传感器。

简介：

投入式静压式水位变送器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用外国先进的隔离型扩散硅敏感元件，利用压阻效应，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA）。

JYB系列L形普通投入式水位变送器适用于石油、化工、冶金、电力、制药、环保等行邪恶各种介质的水位控制。

精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻

松地使用提供了方便。

4～20mA、0～5V、0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。

用途与特点：

可广泛用于水厂、污水处理厂、城市供水、高楼水池、水井、矿井、工业水池、锅炉、水文地质、水库、河道、海洋等场所、抗过载能力强、防浪涌电压，抗腐蚀性能优良，具有过压过流保护，反向极性保护，稳定性高，抗干扰能力强，实用性强，安装简便。

主要性能指标如表3.2所示：

量程/m

0～100内各量程，最小量程0.5

迟滞性与可重复性/%FS

≤

0.1

长期稳定性/（%FS/年）

≤

0.1

介质温度/℃

-20～+150

热力零点漂移/（%FS/℃）

≤

0.03

环境温度/℃

-10～+60

相应时间/ms

﹤30

供电电压/VDC

＞100，12～32（通常24）

最大工作压力

2倍量程

输出信号

电流输出型≤600

电压输出型≥3000

电气连接

电缆连接

外部零件的材料

普通不锈钢/316不锈钢

负载特性/

0～10mA/4～20mA

0～5VDC/1～5VDC

壳体材料

普通不锈钢/316不锈钢/铸铝外壳

控制介质

油，水，气体及其他与316不锈钢兼容介质

绝缘电阻/M

﹥100

准确度/%FS

A级：

0.25

B级：

0.5

防护等级

IP68

非线性/%FS

﹤

0.2

本质安全防爆

ExiaⅡ

3.2A/D转换器的选择

3.2.1A/D转换器的主要技术指标

A/D转换器的作用是把模拟量转化成数字量，以便于计算机进行处理。

随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。

为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同，性能不同的A/D转换芯片应运而生。

①转换精度

单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。

1）分辨率：

它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。

A/D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示。

从理论上讲，n位输出的A/D转换器能区分

个不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/

。

在最大输入电压一定时，输出位数越多，量化单位越小，分辨率越高。

例如A/D转换器输出8位二进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应能区分输入信号的最小电压为19.53mV。

2）转换误差：

表示A/D转换器是输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。

常用最低有效位的倍数表示。

例如给出相对误差

LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。

②转换时间

转换时间指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。

不同类型的转换器转换速度相差甚远。

其中并行比较A/D转换器转换速度最高，8位二进制输出的单片集成A/D转换器时间可达50ms以内。

逐次比较型A/D转换器次之，转换速度较慢，一般在10

s～50

s之间，也有达几百纳秒的。

双积分型A/D转换器的转换时间大都在几十毫秒至几百毫秒之间。

在实际应用中，应根据系统数据总位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑选用何种A/D转换器。

3.2.2A/D转换器的类别的选择

常用的A/D转换器可分为并行比较型、逐次比较型和双积分型等几种。

①并行比较型A/D转换器

并行A/D转换器具有如下特点。

1）由于转换是并行的，其转换时间只受比较器，触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换精度较快。

使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时，可以不用附加取样-保持电路，因为比较器和寄存器这两部分兼有取样-保持功能。

随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，一个n位转换器，所用的比较器个数为

-1，如8位的并行A/D转换器需要

-1=255个比较器。

位数越多，电路越复杂，因此要得到分辨率较高的集成并行A/D转换器，需要很复杂的电路，这也是并行A/D转换器最大的缺点。

②逐次比较型A/D转换器

逐次比较型A/D转换器的转换过程与用天平称物体质量的过程非常相似。

逐次比较型A/D转换器的工作原理就是将输入的模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上主次逼近输入模拟量的对应值。

逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需要的时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数越少，时钟频率越高，转换时间就越短。

这种A/D转换器具有转换速度快、精度高的特点。

常用的集成逐次比较型A/D转换器有ADC0808/080