基于红外遥控的液位控制系统.docx
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基于红外遥控的液位控制系统
目录
1绪论1
1.1水箱液位控制系统研究背景及意义1
1.1.1水箱液位控制系统研究背景1
1.1.2水箱液位控制系统研究意义1
1.2水箱液位控制系统国内外研究现状2
1.3水箱液位控制系统研究发展方向3
1.4红外遥控技术的发展3
2系统总体功能概述4
3硬件电路设计5
3.1电源电路设计5
3.2信号采集模块5
3.2.1传感器电路设计5
3.2.2A/D转换器电路设计6
3.3核心芯片电路设计8
3.3.1单片机AT89C518
3.3.2单片机最小系统设计11
3.3.3单片机引脚具体控制12
3.4红外遥控模块电路设计13
3.4.1红外遥控发射电路13
3.4.2红外遥控接收电路13
3.5液位报警模块14
3.6液位显示模块15
3.7水泵电机控制模块16
4系统软件设计17
4.1主程序设计17
4.2定时器T0中断服务程序18
4.3A/D转换子程序19
4.4红外遥控子程序20
4.4.1红外发射流程20
4.4.2红外接收流程20
4.4.3红外遥控解码21
4.5LCD显示子程序23
5总结与展望23
附录A系统电路原理图26
附录B实物模拟图27
附录C全部程序清单27
参考文献40
致谢42
1绪论
1.1水箱液位控制系统研究背景及意义
1.1.1水箱液位控制系统研究背景
在工农业生产中，常常需要控制液体液位。
随着国家工业的迅速发展，液位控制技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。
低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽包液位、除氧器液位、汽轮机凝气器液位、高、低压加热器液位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置[1,2]。
1.1.2水箱液位控制系统研究意义
大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，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，大量的对水箱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，比如液位的控制，时刻监控水箱的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危及到生产人员的人身安全等。
所以，对水箱控制，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自动化系统，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效率
从水资源节约方面考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因是水箱内部液位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一定的延迟，从而造成了水量过多或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。
而对水箱液位的监控以及自动化的引入可以很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资源有效的降低成本[3]。
单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系统得以实现。
89C51以它功能强大，设计简单，制造廉价，支持指令集较多。
所以应用到众多嵌入式系统开发中[4]。
因此，基于89C51单片机的水箱水位控制系统研究有着重要的意义。
液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。
液体的液位自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物，工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制，微机控制有以下明显优势：
1）直观而集中的显示运行参数，能显示液位状态。
2）在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值，并修改系统的控制参数，可以方便的改变液位的上限、下限。
3）具有液体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。
综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。
单片机在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
一般工业控制系统的工作环境差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制水箱液位是很好的选择[5。
1.2水箱液位控制系统国内外研究现状
目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。
但是目前阶段，它的成本还很高。
比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施的性价比较高。
因此大规模的使用仍受到经济上的限制。
但是，从长远来看，随着自动化技术的改进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。
水箱控制系统仍然有大规模推广的前景[6]。
我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的所有领域中，水箱是必不可少的部件，即使是发达国家也不例外。
它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。
随着我国嵌入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的水箱控制仍然通过专职的人员进行控制。
随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间[7]。
越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力。
一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已经积累了很多的经验，奠定了基础，进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国研究人员已经克服很多困难，并在不断摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超越发达国家的技术水平，这是发展趋势[8]。
1.3水箱液位控制系统研究发展方向
纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。
这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了[9]。
不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。
据统计，我国的单片机年容量已达3亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。
所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。
1.4红外遥控技术的发展
红外线遥控是目前使用很广泛的一种通信和遥控技术。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也被纷纷采用。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅安全可靠而且能有效地隔离电器干扰。
红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟，它是把红外线作为载体的遥控方式。
由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响临近的无线电设备。
采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，同时也比较经济，因此它在日常工作生活中的应用越来越广泛[10,11]。
2系统总体功能概述
本系统以AT89C51作为核心控制部件，可看作检测装置与控制执行两个方面。
检测装置由液位传感器、A/D转换芯片、数码管和蜂鸣器来完成液位的检测、显示和超限报警。
液位检测芯片LM1042外接的热阻探针温度的变化依赖于周围材料的热阻的大小，而空气和液体的热阻大小有很大差别，从而可以根据探针在液体中的深度不同时电阻的不同检测出液位的深度信息，由LM1042内部转换电路网络转换为与液位成线性关系的电压信号，再由8位逐次逼近型A/D转换芯片ADC0809将模拟信号转换为数字信号，实现液位信息的输入，AT89C51从ADC0809读取液位信息后进行数据处理和超限判断，随后将处理过的数据输出到数码管进行液位静态显示，若液位超限则由单片机驱动蜂鸣器和指示灯报警。
在控制执行方面，有自动与手动模式可选择。
自动模式下，通过单片机自动判断液位的状况，输出电信号控制继电器的闭合，实现对水泵的控制；手动模式下，由人工通过红外遥控器输出信号到单片机来完成对水泵的控制，同时也可对液位报警阈值进行修改，以适应不同的用户需求。
图2.1液位控制系统结构框图
液位传感器对水位高度百分比（0%～100%）进行采样、量化后，输出0～10V的直流电压。
再经过信号处理电路将这一直流模拟量转换为8位的并行数字量，送入单片机进行处理。
在单片机中将输入的8位数字量进行量化数为100的量化处理，并根据这一量化将水位高度控制转化为对状态00～99的控制，其中状态00对应0%、状态01对应1%、…状态99对应99%。
根据这一对应关系，设置两个初始水位控制点，分别为：
20、80。
图2.2给水结构图
3硬件电路设计
3.1电源电路设计
本系统供电为市电AC220V，经变压器T1降为交流18V，经整流桥整流后得到脉动直流电压18V，再分别经三端稳压器LM7805、LM7815得到VCC（+5V）、+15V,其中电解电容C1、C3起滤波作用，C2、C4是旁路电容，起抑制干扰的作用。
电源电路如图3.1所示。
图3.1电源电路
3.2信号采集模块
3.2.1传感器电路设计
传统的液位检测通过设检测点来完成对液位的检测。
通常，由于受检测点物理体积的影响，液位检测点的数目有限，从而影响了后续电路控制的精度。
传感器是一种能感受被测物体物理量并将其转化为便于传输或处理的电信号的装置，在现代科技领域中，传感器得到了广泛应用，各种信息的采集离不了各种传感器，传感器的基本功能在于能感受外界的各种“刺激”并做出迅速反映。
本设计传感器由液位检测专用集成芯片LM1042和一组热探针组成，实现液位信号到电压信号的转换。
LM1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体的液面高度，它能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或重复测量，所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路都集成在LM1042芯片内部。
此外该芯片还可采用其他传感器信号或线性输入作为输入信号[12-15]。
LM1042芯片的主要特点如下；
●集成有热阻探针的控制电路；
●可单次测量或重复测量；
●具有探针短路、开路检测功能；
●电源或控制输入端具有50V的瞬态电压保护电路；
●电源范围7.5~18V；
●内部有电源调节器；
●可在-40℃—+80℃的工作温度范围内工作[16]。
传感器电路如图3.2所示。
在传感器电路中，7脚和10脚是用于探针2的调整，由于本系统只用到探针1，故只需将7脚和10脚接地即可；1脚是热阻探针输入端；5脚是探针故障检测端；6脚是电源端；3，4脚分别接PNP管的发射极和集电极用于给探针提供200mA的固定电流；16脚为模拟电压输出端，输出与液位成正比的模拟电压；12,13脚用来调整探针的测量周期；9,14脚外接两个电容作为探针的记忆电容，记忆探针的电压值。
3.2.2A/D转换器电路设计
通过对传感器的选择，可知由传感器输出的水位高度信号是0～10V的直流电压。
在设计中，可以通过采样、保持电路对这一信号进行处理，将模拟信号转换为多个采样点信号。
但这种处理方法由于受电路规模和采样精度的影响，不可能对水位信号做出精确的处理，近而也无法对电机、水位高度显示和报警做出精确的控制。
因此，在本设计中采用集成芯片ADC0809对0～10V的直流电压进行处理，可提高转换精度和控制精度。
图3.2传感器电路
在本设计中采用ADC0809和AT89C51直接连接,如图3.3所示，START和ALE互连可使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作。
START启动信号由AT89C51的
和单片机P0.7经或门产生，START上正脉冲启动ADC0809工作，ALE上正脉冲使ADDA，ADDB和ADDC的地址得到锁存，以选中IN0路模拟电压输入A/D转换器。
本设计只有一路模拟信号输入，所以ADDA，ADDB和ADDC共同接地。
本设计中AT89C51是采用中断方式和ADC0809传送A/D转换后的数字量，EOC线经过反相器和AT89C51的
线相连。
为了给OE线分配一个地址，把AT89C51的
和P0.7经或门和OE相连。
平时，因P0.7为高电平，从而使OE处于低电平封锁状态。
在响应中断后，使OE变为高电平，从而打开三态输出锁存器，让CPU提取A/D转换后的数字量。
ADC0809所需时钟可以由AT89C51的ALE信号提供。
AT89C51的ALE信号通常是每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的1/6。
本设计中AT89C51主频是12MHz，则ALE信号频率为2MHz，若ALE上的信号经触发器二分频到ADC0809的CLOCK输入端，则可获得1MHz的A/D转换脉冲。
当然，ALE上的脉冲会在MOVX指令的每个机器周期内至少出现一次，但通常情况下影响不大。
图3.3A/D转换器电路图
3.3核心芯片电路设计
3.3.1单片机AT89C51
单片机是把微型计算机主要部分集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。
单片机AT89C51由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时/计数器、中断控制功能等均集成在一块芯片上，片内各功能通过内部总线相互连接起来[17,18]。
1.单片机AT89C51主要特性
●8位CPU
●内置4K字节可重复编程Flash
●寿命：
1000写/擦循环
●全静态工作：
0HZ-24HZ
●三级程序存储器锁定
●128*8位内部RAM
●32根可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源，2个中断优先级
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
2.管脚说明：
图3.4AT89C51的引脚图
Vcc:
供电电压
Vss:
接地
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，他可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLISH进行校验时，P0输出源码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平时，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLISH进行校验时，P1口作为第八地址接受。
P2口位一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给地址“1”时，他利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出器特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLISH编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是八个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接受输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3口管脚备选功能:
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时，地址所存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLISH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定是目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器是，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高，如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在有外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部存储器时，这两次有效的/PSEN信号讲不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时，则在此期间外部存储器（0000H-FFFFH），不管内部是否有程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁存为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）.
XTAL1:
反响放大振荡器的输入及内部时钟工作电路的输入
XTAL2:
来自反响振荡器的输出。
I/O口引脚：
a:
P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用；
b:
P1口，8位准双向I/O口
c:
p2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；
d:
P3口，8位准双向I/O口，双功能复用[19-21]。
3.3.2单片机最小系统设计
系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。
引脚XTAL1和XTAL2分别是振荡器的高增益反相放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C16和C17构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以使AT89C51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。
通常，OSC的输出时钟频率FOSC为0.5～16MHz，典型值为12MHz或11.0592MHz。
电容C16和C17可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调FOSC的目的。
根据情况本设计中选择12MHz的晶振，补偿电容选择30pF左右的瓷片电容。
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
在89C51中RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上[22-24]。
采用手动按键复位方式，当复位键按下后，复位端通过电阻R8与VCC接通，电容迅速放电，使RST引脚为高电平：
当复位键弹起后，+5V电源通过1kΩ电阻对电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲，复位脉冲的高电平宽度大于2个机器周期，即可实现复位。
复位电路虽然简单，但其作用非常重要。
一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功。
初步检查可用示波器探头监视引脚，按下复位键，观察是否有足够幅度的波形输出（瞬时的），还可以通过改变复位电路阻容值进行试验。
图3.5单片机最小系统电路图
3.3.3单片机引脚具体控制
P1口用于接LCD八个数据端口，P2口用于接收模数转换器信号，P0口用于输出报警和控制信号。
P0.6：
输出蜂鸣器报警信号。
P0.5：
液位高报警指示灯输出信号。
P0.4：
液位正常指示灯输出信号。
P0.3：
液位低报警指示灯输出信号。
P0.2：
LCD寄存器选择输出信号。
P0.1：
LCD读写输出信号。
P0.0：
水泵电机控制电路输出信号。
P3.0：
LCD使能端输出信号。
P3.2：
红外遥控接收芯片输入信号。
3.4红外遥控模块电路设计
红外遥控电路分为两大模块，分别是红外线发射模块和红外线接收模块。
遥控器为控制信号的发出装置，遥控器发射的红外信号经红外接收处理传给单片机，接收电路使用一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用[25,26]。
红外线发射模块基于红外编码芯片HT6221构成红外线发射电路：
红外线接收模块选用AT89C51单片机为微处理器和一体化红外接收头HS0038构成红外线接收系统。
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作。
发射部分包括键盘矩阵、编码调制、红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
3.4.1红外遥控发射电路
当遥控器的某个按键按下，其内部的信号发射器产生遥控编码脉冲，这些指令信号由调制电路调制成38kHz的信号，经调制后输出，最后由驱动电路驱动红外发射器件（D）串行输出红外遥控信号。
红外线遥控器上的发射端用了455kHz的晶振，经过整数分频，分频系数为12，即455kHz/12=37.9≈38kHz。
当然也有一些工业用的遥控系统，采用36kHz、40kHz、或56kHz等的载波信号。
因红外遥控器的控制距离约为10米远，要达到这个指标，其发射的载波频率（38kHz）要求十分稳定，而晶振频率就十分稳定，所以专业厂家的遥控器全部采用晶振的38kHz作为遥控器的载波发送信号。
遥控器按键对应系统功能如表4.1所示。
3.4.2红外遥控接收电路
该模块使用一体化红外接收头HS0038，其电路如图3.7所示。
电解电容C3为去耦电容，DATA即解调信号的输出端，直接与单片机的P3.2口相连。
红外接收头采用一体化接收器HS0038，其解调频率38kHz。
当HS0038接收到38kHz的红外脉冲信号时输出为低电平，反之则输出高电平。
有红外编码信号发射时，输出为检波整形后的方波信号，并直接提供给单片机。
图3.6红外遥控发射电路设计图
按键
功能
按键
功能
CH
系统休眠
EQ
蜂鸣器测试
>||
系统启动
6
阈值1（40/60）
CH+
阈值+
7
阈值2（30/70）
CH-
阈值-
8
阈值3（20/80）
表4.1遥控器按键对应系统功能表
图3.7红外遥控接收电路设计图
3.5液位报警模块
为更好的适应生产生活用水需求，避免出现“空箱”和“溢水”现象，液位失去控制而造成严重后果，在超出或低于警戒水位时，报警信号直接由单片机给出。
当高于水箱上限液位（80%）时，蜂鸣器报警且红灯亮
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