液位自動控制裝置設(shè)計 [文檔在線提供].doc

1徐淑華教授點(diǎn)評：該設(shè)計以單片機(jī)為核心，采用電容式傳感器和電磁閥構(gòu)成閉環(huán)的液位自動控制系統(tǒng)；并采用RS232總線組成主從分布式系統(tǒng)，實現(xiàn)了題目所規(guī)定的各項功能?？傮w設(shè)計方案合理，傳感器選用及其預(yù)處理電路有其特點(diǎn)。所采用的全自動洗衣機(jī)用電容式液位傳感器使用方便，性價比高，測試表明其時間穩(wěn)定性好，精度和分辨率高，從而保證了樣品的控制精度。該設(shè)計中從機(jī)采用了大尺寸高亮度數(shù)碼管，適合分布式液位控制系統(tǒng)的實際使用環(huán)境，選件結(jié)合實際，立意新穎；樣品中所發(fā)揮的掉電保護(hù)、時間顯示、語音報警等功能也是特色。該設(shè)計的樣品實測性能較好，但在論文撰寫、通訊總線選擇等方面尚有缺憾。若選用RS485總線，則更能體現(xiàn)該設(shè)計結(jié)合實際使用環(huán)境的指導(dǎo)思想。液位自動控制裝置海軍航空工程學(xué)院(煙臺)車達(dá)升魏斌吳兵摘要本系統(tǒng)采用分布式微機(jī)控制系統(tǒng)，通過測量傳感器的信號頻率來獲取液面高度。系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，主站和從站都采用以“8051系列單片機(jī)+電容式液面高度傳感器”模式。并通過電磁閥來調(diào)整液面高度，構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)?？赏ㄟ^鍵盤設(shè)定所需液面高度，范圍為025cm，誤差不超過0.3cm。并可實時顯示當(dāng)前液位高度和瓶內(nèi)液體重量以及閥門狀態(tài)。當(dāng)液面超過25cm或液位低于2cm時，可進(jìn)行聲光報警。主從站之間通過RS232C總線構(gòu)成串行通訊星型網(wǎng)絡(luò)。主站可對8個從站進(jìn)行定點(diǎn)或巡回監(jiān)測，查詢各從站的實時狀態(tài)，并可顯示其從站傳輸過來的從站號和液位訊息，并可控制從站液位。并且在巡回檢測時，主站能任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)量、從站號和各從站的液位訊息。當(dāng)收到從站發(fā)來的報警信號后，能聲光報警并顯示相應(yīng)的從站號，可自動調(diào)整從站液位為20cm。從站能夠輸出從站號、液位訊息和報警信號，并且能對主站設(shè)定的液位控制信息相應(yīng)。該系統(tǒng)布局合理，運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度較高，完全達(dá)到了題目基本部分的要求，并基本實現(xiàn)了發(fā)揮部分要求。一、總體方案的設(shè)計1、主站的整體設(shè)計：以單片機(jī)為控制核心，通過液位傳感器實時獲取儲液瓶B的液面高度，并通過顯示器實時顯示液面高度、重量。當(dāng)鍵盤有輸入時，單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入的功2能要求，單片機(jī)通過控制電磁閥1、2來提升或降低液面高度達(dá)到設(shè)定值，根據(jù)題意整體規(guī)劃主站的系統(tǒng)如圖（1）所示。儲液瓶A儲液瓶B電磁閥1電磁閥2單片機(jī)液位檢測傳感裝置和處理裝置鍵盤聲光報警顯示器電磁閥驅(qū)動裝置2電磁閥驅(qū)動裝置1電源圖（1）2、主站和從站整體設(shè)計主從站之間通過RS232C總線構(gòu)成串行通訊網(wǎng)絡(luò)，主站定期查詢液面信息，并對液面信息進(jìn)行控制。主機(jī)處理器GNDRXDTXDGNDTXDRXD1號從機(jī)GNDTXDRXD2號從機(jī)GNDTXDRXD8號從機(jī)圖（2）二、系統(tǒng)模塊的確定和設(shè)計分析題目要求，系統(tǒng)為一個主從式測控系統(tǒng)。由通訊網(wǎng)絡(luò)把主站和多個從站3連成一個系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)可采用RS232C等接口組成。液位監(jiān)測與控制裝置的功能可有多種方案實現(xiàn)，但一般都都由控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測單元單元三部分組成。下面具體論述一下液位監(jiān)測與控制裝置的各個部分模塊的方案確定和設(shè)計。1、檢測元件的選擇（1）傳感器的選擇檢測液面高度有多種元件可選，如超聲波傳感器和電容傳感器等。方案：使用超聲波傳感器。超聲波具有不受被測液體的濃度和導(dǎo)電性能影響的特性，因此精度比較高，但價格比較貴。方案二：使用電容式傳感器。電容式傳感器在測量高頻信號時，精度較高。但要求液位變化速度較為緩慢，而且距離不能太遠(yuǎn)，本題采用的進(jìn)出水管較細(xì)，進(jìn)出水速度合適，由于只要求測量范圍最大為025cm，距離較小，此傳感器正好符合條件，而且該傳感器比較經(jīng)濟(jì)，考慮到液體流速和測量范圍、精度以及價格，故從實用性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮選擇電容式傳感器。我們選擇第二種方案，由于采用了電容式傳感器，所以我們需要對電容信號進(jìn)行采集。（2）電容信號采集方案的選擇和設(shè)計方案：將電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。由于輸出電壓信號比較微弱，采用該方案時，采集信號的靈敏度不高，誤差一般較大，難以控制，而且電壓信號要通過A/D轉(zhuǎn)換后才能被單片機(jī)處理，比較復(fù)雜。原理圖如圖（3）所示：圖（3）方案二：將電容信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。壓感電容傳感器對由液面高度變化引起的水壓變化的檢測靈敏比較高，對由于液位高度的變化而引起的水壓的微小變化，通過傳感器中的壓控電容的變化，得到的輸出的信號的頻率變化非常明顯。4我們通過采集信號的頻率就能得出對應(yīng)的液位的高度，從而通過控制單片機(jī)，來進(jìn)行設(shè)置所對應(yīng)的液面的頻率就能對所要求的高度進(jìn)行任意控制，這樣的系統(tǒng)能滿足題目所要求的基本要求。綜合考慮我們選擇第二個方案，接著我們需要考慮如何將電容信號轉(zhuǎn)換為頻率信號。（3）電容信號處理方案方案：用FPGA來測量頻率。雖然它的測量頻率范圍廣泛，實現(xiàn)簡單，但對信號控制能力比較弱。方案二：傳感器外接一個單片機(jī)來檢測信號頻率。單片機(jī)處理信號操作簡單，對信號處理和控制能力強(qiáng)，能夠達(dá)到題目要求的精度，所以我們采用這種方案，信號處理電路如圖（4）所示。圖（4）經(jīng)過反復(fù)檢測得知在025cm范圍內(nèi)，信號頻率在2325KHz左右，而且經(jīng)過反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)處理的誤差在要求范圍內(nèi)，大約在1mm左右，完全滿足題目要求（小于3mm）。我們設(shè)定單片機(jī)的定時器1記數(shù)，定時器0定時，每秒產(chǎn)生225個定時中斷，單片機(jī)每秒測一次信號頻率。經(jīng)過反復(fù)檢測發(fā)現(xiàn)頻率和液位高度的關(guān)系接近線性，1mm液位變化對應(yīng)著的頻率變化接近7Hz左右，這樣可以通過控制頻率差來控制液面上升或下降。2、鍵盤方案的選擇和設(shè)計5方案：采用矩陣式鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時可降低占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目，缺點(diǎn)為電路復(fù)雜且會加大編程難度。方案二：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目較多，優(yōu)點(diǎn)為電路設(shè)計簡單，且編程相對比較容易。綜合考慮兩種方案及題目要求，考慮到系統(tǒng)資源有限，故采用第一種方案。原理圖如圖（5）所示：圖（5）3、數(shù)碼管顯示器的設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，我們采用四個雙數(shù)碼管串聯(lián)方式，能顯示8位數(shù)字。由于數(shù)碼管的原理圖相同，現(xiàn)就用雙數(shù)碼管原理圖來進(jìn)行說明，如圖（6）所示：圖（6）64、電源設(shè)計由于我們使用的單片機(jī)系統(tǒng)的電源為+5V,所以我們設(shè)計制作+5v穩(wěn)壓電源，其原理圖如圖（7）所示，電磁閥的+24V電源同理可設(shè)計。圖（7）5、聲光報警器的設(shè)計+5VTG19012TG29013C14732.2k47kVD2VD1330CED1100k330V1V2圖（8）當(dāng)液面高度大于25cm或小于2cm時，單片機(jī)發(fā)出信號使V2出現(xiàn)高電平，觸發(fā)蜂鳴器報警裝置，蜂鳴器發(fā)出響聲，其原理圖如圖（8）所示。6、電磁閥的驅(qū)動裝置的設(shè)計電磁閥驅(qū)動電路由光電隔離器件TLP521-4和達(dá)林頓驅(qū)動電路組成。光電隔離器件把TTL電平的來自8051單片機(jī)的I/O管腳的控制信號轉(zhuǎn)換成電平為24V左右的控制信號，再經(jīng)過達(dá)林頓驅(qū)動后控制電磁閥的閉合和斷開，為了吸收電磁閥閉合時的反向尖峰電流，電路中還使用了兩個二極管。電磁閥的驅(qū)動裝置的原理圖如圖（9）所示：7CONOUT0CONOUT1+24VD11N4007U1TLP521-4A12345678161514131211109D21N4007+24VU2ULN2803COM10IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77IN88OUT118OUT217OUT316OUT415OUT514OUT613OUT712OUT811+24VCON0R11KR21KCON1R34.7KR44.7KVCCVCC圖（9）四、系統(tǒng)軟件設(shè)計1、主程序流程設(shè)置外設(shè)掃描鍵盤設(shè)置夜面校準(zhǔn)查詢初始化CPUTIME傳感器板電磁閥驅(qū)動數(shù)碼管完成圖（10）2、頻率測量子程序8（1）、頻率測量的原理介紹根據(jù)實際測量，傳感器輸出的液面高度信號是一個23k左右的頻率信號，液面高度每1mm的變化，對應(yīng)頻率有7Hz的增減。為了準(zhǔn)確測量這個頻率，使用了8051單片機(jī)的兩個定時器，其中定時器1工作在計數(shù)模式，定時器0工作在定時模式，定時間隔為1s，在這1s的間隔內(nèi)定時器1計數(shù)傳感器來自的脈沖跳沿數(shù)，這樣就能夠準(zhǔn)確測量出實際頻率來。（2）、頻率測量子程序流程圖：初始化定時器0、1設(shè)置定時器0初值啟動定時器0、1復(fù)位定時器1、0重新開始計數(shù)讀取定時器1的計數(shù)值等待計時器1SYESNO設(shè)置定時器0工作模式為定時設(shè)置定時器1工作模式為計數(shù)準(zhǔn)備定時1s圖（11）五、實驗結(jié)果與分析經(jīng)過大量的實驗，觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果的誤差滿足題目要求。液面變化控制精度在1mm左右，并能夠?qū)崟r顯示其液面高度、瓶中液體重量，達(dá)到題目要求。9六、收獲和總結(jié)經(jīng)過緊張的四天三夜的奮力拼搏，與小組其他成員通力協(xié)作，團(tuán)結(jié)互助，終于完成了實驗項目。首先，我代表我們小組全體成員感謝主持本次競賽的主委會和全體評審老師以及我們的輔導(dǎo)老師，謝謝你們給了我們一個提高自己和展現(xiàn)自己的舞臺，讓我們在以后的人生中更加自信和堅定