液体转移控制装置.docx

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液体转移控制装置

摘要

本设计液体转移监控系统以单片机芯片89C51为核心器件，以键盘显示器接口芯片8279、继电器、运算放大器、A/D转换器等作为外围电路来实现液体的转移及监控。

本设计主要由三部分组成：

信号检测、控制模块、声光报警。

控制模块采用压力传感器作为输入信号的装置，经放大电路对信号进行放大，运算放大电路运用LM124J进行放大,使信号放大到能够满足单片机作出响应的模拟信号。

通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，A/D转换采用AD7710，并将数字信号送给单片机。

单片机输入口P2.1,P2.2,P2.3接收到模拟信号后将信号传到键盘显示器接口芯片8279，通过键盘实现转移水重量的设定，利用4位LCD数码管显示重量值和执行任务的时间，用继电器控制水泵的开关，实现对液体转移的监控。

单片机对信号处理后控制水泵的开、关及声、光报警。

当B容器水临近溢出时启动报警，并停止系统运行的设计。

声光报警分两部分设计，其中一部分作为一个独立的模块镶嵌在电路中，完成容器内液体超过警戒高度时的报警；另一部分与控制模块连接在一起，根据要求当容器内液体达到欲设重量时，系统需要发出蜂鸣声，这一部分需要单片机根据传感器送来的信号判断后进行控制。

本程序可实性和可再利用性较好，各项被检测结果表明，本系统各项性能、指标达到或略好于设计要求，且人机界面友好。

关键词：

单片机；增量型PID；PWM；压力传感器；A/D转换器

Abstract

Thedesignofliquidtransfermonitoringsystemtothesinglechip89S52asthecorecomponent,withthekeyboarddisplayinterfacechip8279,arelay,anoperationalamplifier,A/Dconvertersuchastheexternalcircuittorealizetheliquidtransferandmonitoring.

Thisdesignmainlyconsistsofthreeparts:

signaldetection,controlmodule,soundandlightalarm.

Thecontrolmoduleusesapressuresensorasinputsignalstothedevice,theamplifiertoamplifythesignal,anoperationalamplificationcircuitbyusingLM124Jamplification,thesignalamplificationtobeabletomeetthechipmadeinresponsetotheanalogsignal.ThroughtheA/Dconverterforconvertingtheanalogsignaltoadigitalsignal,A/DconversionusingTLC549,andadigitalsignaltobesenttomcu.SCMinputportP3.3,P3.4,P3.5receivestheanalogsignalwillbetransmittedtothekeyboarddisplayinterfacechip8279,throughthekeyboardtorealizethetransferofwaterweightsetting,using4LEDdigitaltubedisplaytheweightvalueandthetaskexecutiontime,relaycontrolpumpswitch,theliquidtransfercontrol.

Singlechipmicrocomputertocontrolthepumpaftersignalprocessing,andsound,lightalarm.WhentheBcontainerofwaterneartheoverflowwhenstartingthealarm,andstoppingtheoperationofthesystemdesign.Thesoundandlightalarmisdividedintotwoparts,onepartasanindependentmoduleisembeddedinthecircuit,theliquidinthecontaineriscompletedoverthewarninglevelalarm;anotherpartisconnectedwithacontrolmoduletogether,accordingtotherequirementsoftheliquidinthecontainertoawhenachieveweightwhenthesystemneed,beeps,thispartneedtheMCUaccordingtosignalsfromthesensortodetermineaftercontrol.

Theprogrammerwhichhasabetterrealizationandutilization,variousresultindicatesthatthesystem’scapabilityandquotaachievedtherequirementofdesignandtheman-machinecontactsurfaceisfriendly.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;incrementtypepressuresensor;PID;PWM;A/Dconverter

目录

第一章绪论1

1.1课题的目的1

1.2国内外现状与发展1

1.2.1压力传感器的产品分类2

1.2.2压阻式压力传感器发展的新趋势3

1.2.3智能型差压/压力变送器4

1.2.4脉冲调节（PWM）5

1.2.5单片机及人机接口6

1.3主要任务6

第二章系统设计任务与设计方案7

2.1设计任务与要求7

2.2系统总体方案的设计7

2.3主控模块的方案论证8

2.4前向通道方案论证8

2.4.1传感器的方案论证8

2.4.2A/D的方案论证9

2.5后向通道方案论证9

2.5.1PWM的方案论证9

2.5.2PID控制算法的方案论证11

2.6人机接口的方案论证11

第三章硬件设计14

3.1液体转移控制装置系统总体框图如图3.1所示14

3.2主控模块14

3.2.1AT89C51单片机设计14

3.2.2看门狗电路的设计17

3.3前向通道的设计19

3.3.1电阻应变式压力传感器的设计19

3.3.2A/D转换部分的设计20

3.4后向通道的设计23

3.5人机接口的设计28

3.5.1键盘及显示电路的设计28

3.5.2报警电路的设计29

第四章软件设计31

致谢43

参考文献44

附录：

45

第一章绪论

1.1课题的目的

测试与检测是人类认识世界和改造必不可少的重要手段，是人们借助专门的技术和设备，通过实验方法取得某一客观事物数量信息的过程。

而专门用于检测的仪表或系统称为检测仪表或检测系统，其基本任务是从检测对象中获取被测量，并向测量者展示检测结果。

在科学技术的发展过程中，人们根据对客观事物所做的大量的试验和测量，形成定性和定量的认识，总结出客观世界的规律；通过试验和测量进一步检验这些规律是否符合客观实际；在利用这些客观规律改造客观世界的过程中，又通过试验和测量来检验实际效果。

科学的发展、突破是以测试技术的水平为基础的。

当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。

信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。

现代信息技术主要有三大支柱：

一是信息的采集技术（感测技术），二是信息的传输技术（通信技术），三是信息的处理技术（计算机技术）。

所谓信息的采集是指从自然界中、生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。

信息的采集是通过感测技术实现的，因此感测技术实质上也就是信息采集技术。

显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。

液体转移监控系统的基础也正是基于信息的采集、传输和处理三个过程。

通过信号采集并进行发大，传输到A/D转换器转换为模拟量，经单片机和芯片进行处理和控制。

本课题的主要目的是为了让人们能准确的进行液体的转移监控及校验，进行流量计量传递的有关计量监督。

达到测控相结合，更好的利用我们的能力去为我们服务。

1.2国内外现状与发展

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力。

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

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。

因此对于从事现代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。

当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛,几乎渗透到了各行各业,但归纳起来主要有以下几个趋势:

（1）小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下,并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器官中收集资料,不影响人的正常生活。

如美国Entran公司生产的量程为2～500PSI的传感器,直径仅为1.27mm,可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。

（2）集成化压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。

集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。

（3）由于智能集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。

（4）广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展,例如:

汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

（5）标准化传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。

如ISO国际质量体系;美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的JIS标准。

随着硅、微机械加工技术、超大集成电路技术和材料制备与特性研究工作的进展,使得压力传感器在光纤传感器的批量生产、高温硅压阻及压电结传感器的应用成为可能,在生物医学、微型机械等领域,压力传感器有着广泛的应用前景。

1.2.1压力传感器的产品分类

1.压阻式压力传感器

压阻式传感器是压力式传感器的一种。

压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。

压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。

固有频率可按下式计算式中——硅片的密度（kg/m2）压阻式压力传感器广泛用于流体压力、差压、液位等的测量。

特别是它的体积小，最小的传感器可为0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。

2.单电容式压力传感器

它由圆形薄膜与固定电极构成。

薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。

另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。

这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。

还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。

这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。

它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。

这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。

单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

3.差动电容式压力传感器

它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。

在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。

它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。

过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。

差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

4.电感式压力传感器

电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。

该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:

变磁阻和变磁导。

电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。

变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。

它们跟之间的气隙形成了一个磁路。

当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。

如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。

在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。

变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。

1.2.2压阻式压力传感器发展的新趋势

由于近二十年MEMS技术的发展规律，微型压阻式传感器广泛地应用于航天，航空，生物医学工程，石油化工等领域，随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。

1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应，从此开始用硅制造压力传感器。

早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。

后来在N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条，并接成电桥,制成芯片。

此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。

采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。

这两种传感器都同样采用粘片结构，因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。

70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。

它不仅克服了粘片结构的固有缺陷，而且能将电阻条、补偿电路和信号调整电路集成在一块硅片上，甚至将微型处理器与传感器集成在一起，制成智能传感器（见单片微型计算机）。

这种新型传感器的优点是:

①频率响应高（例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上）,适于动态测量;②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；③精度高，可达0.1～0.01％；④灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；⑤无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。

其缺点是温度影响较大（有时需进行温度补偿）、工艺较复杂和造价高等。

压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。

压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。

例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。

在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。

在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。

在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22％。

在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。

已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。

图3是一种用于测量脑压的传感器的结构图。

压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。

此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。

随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。

1.2.3智能型差压/压力变送器

一、概述：

数字化差压/压力变送器是多功能数字化智能仪表。

核心部件采用十六位单片机，其强大的功能和高速的运算能力保证了变送器的优良品质。

软件中应用了数字信号处理技术，使其具有优良的抗干扰能力和零点稳定性，且具备零点自动稳定跟踪能力（ZSC）和温度自动补偿能力（TSC）。

数字液晶显示表头能够显示压力，温度，电流三种物理量，及0-100%模拟指示，按键操作能方便地在无标准压力源的情况下完成零点迁移，量程设定，阻尼设定等基本的参数设置，而且可以重新对变送器进行标定，极大的方便了现场调试。

信号转换、信号采集与处理及电流输出控制采用了一体化设计，使结构更加紧凑可靠。

二、特点：

.数字精度：

±0.05%.模拟精度：

±0.075%~±0.1%F.S.全性能：

±0.25%F.S.稳定性：

±0.25%60个月.量程比：

100：

1.测量速率：

0.2S.小型化（2.4kg）全不锈钢法兰易于安装.过程连接与其他产品兼容，实现最佳测量.世界上唯一采用H合金护套的传感器（专利技术）实现了优良的冷、热稳定性.采用16位计算机的智能变送器.标准4~20mA，带有基于HART?

协议的数字信号远程操控.支持向现场总线与基于现场控制的技术升级.超级的测量性能，用于压力、差压、液位、流量测量。

1.2.4脉冲调节（PWM）

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和

H.Atemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。

由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。

由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB  ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。

为求得改善，随机PWM方法应运而生。

其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪音（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。

正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值（DTC控制即为一例）；别一方面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为随机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。

1.2.5单片机及人机接口

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。

近年来,随着科技的飞速发展,单片机的应用正在不断地走向深入。

在工业自动化控制、自动检测、仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备和专用装备的智能化等方面,单片机都扮演着越来越重要的角色。

国内外有许多不同种类的单片机。

8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

在本次设计中我选用了ATMEL公司的AT89C51，采用IntelMCS-51内核，是现今最常用的51内核单片机。

从总体来说，我国的生产工艺和装备水平仍然与世界先进水平有很大差距，主要是能耗、物耗高，效率低，产品质量较差等。

但是我们的价格比国外却便宜许多。

因此，我们要大力依靠科技进步，不断进行技术更新与技术改造，引进，消化，吸收国外先进技术与设备，使之国产化，开发系列国产装备，以提高行业的整体水平。

1.3主要任务

本文介绍了一种液体转移监控系统。

该系统利用单片机可以方便地实现对PID参数的选择与设定；它是用压力传感器将检测到的实际液体重量A/D转换，送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。

对此偏差按PID算法进行修正，求得对应的控制量控制可控硅驱动器，调节