液位控制系統(tǒng)設(shè)計

本文主要設(shè)計了一種液位控制器，它以8051作為控制器，通過8051單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等硬件系統(tǒng)和軟件設(shè)計方法，實現(xiàn)具有液位檢測報警和控制雙重功能，并對液位值進行顯示。本系統(tǒng)是基于單片機的液位控制，在設(shè)計中主要有水位檢測、按鍵控制、水位控制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)液位控制。主要用水位傳感器檢測水位，用六個控制按鍵來實現(xiàn)按健控制，用三位7段LED顯示器來完成顯示部分，用變頻器來控制循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換把這些信號送入單片機中。把這些信號與單片機中內(nèi)部設(shè)定的值相比，以判斷單片機是否需要進行相應(yīng)的操作，即是否需要開啟補水泵或排水泵，來實現(xiàn)對液面的控制，從而實現(xiàn)單片機自動控制液面的目的。本設(shè)計用單片機控制，易于實現(xiàn)液位的控制，而且有造價低、程序易于調(diào)試、一部分出現(xiàn)故障不會影響其他部分的工作、維修方便、等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：8051單片機；模數(shù)轉(zhuǎn)換；水位控制；自動控制TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言 3\o"CurrentDocument"1.1課題背景 3\o"CurrentDocument"1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 3\o"CurrentDocument"1.3使用單片機實現(xiàn)水體液位控制的優(yōu)點 4\o"CurrentDocument"2系統(tǒng)硬件設(shè)計 6\o"CurrentDocument"2.1核心芯片8051單片機 6\o"CurrentDocument"2.2液位傳感器設(shè)計 9\o"CurrentDocument"2.4ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器 13\o"CurrentDocument"2.5鍵盤及顯示接口 16\o"CurrentDocument"2.6自動報警電路 17下列二種情況發(fā)生系統(tǒng)報警。 181） 當水位達到上限極限水位時報警，水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；.....182） 當水位達到下限極限水位時報警，水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警 18\o"CurrentDocument"3系統(tǒng)軟件的設(shè)計 193.1軟件設(shè)計流程圖 19致謝 231前言1.1課題背景液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進行液位控制，使之高精度地保持在給定的數(shù)值，如在建材行業(yè)中，玻璃窯爐液位的穩(wěn)定對窯爐的使用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。液位控制一般指對某一液位進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。液體的液位的自動控制，是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù),它是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物,工程作業(yè)采用的是微機控制和原有的儀表控制，微機控制有以下明顯優(yōu)勢：1） 直觀而集中的顯示各運行參數(shù)，能顯示液位狀態(tài)。2） 在運行中可以隨時方便的修改各種各樣的運行參數(shù)的控制值，并修改系統(tǒng)的控制參數(shù),可以方便的改變液位的上限、下限。3） 具有水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性綜合以上的種種優(yōu)點可以預(yù)見采用計算機控制系統(tǒng)是行業(yè)的大勢所趨。單片機是在一塊芯片上集成了一片微型計算機所需的CPU、存儲器、輸入、輸出等部件。單片機自問世以來,性能不斷提高和完善，體積小、速度快、功耗低的特點使它的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。一般,工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境差，干擾強，利用單片機控制就能克服這些缺點，因此單片機在控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，使用單片機控制液體液位是很好的選擇。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀目前我國在單片機測控裝置研究、生產(chǎn)、應(yīng)用中，取得了很大的成績，總結(jié)了很多經(jīng)驗，但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期，經(jīng)調(diào)查，更多科研究所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法，數(shù)年來這方面的研究的論文較多，著重生產(chǎn)實際的很少。在上海，新型的單片機測控裝置與系統(tǒng)研究的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚，在生產(chǎn)過程中需要新型的測控裝置與系統(tǒng)，因此在不斷的努力研究與開發(fā)。上海的工程技術(shù)研究人員更著重的是生產(chǎn)實際研究，對理論、算法和成果的論文較少；深圳在研制新型的測控裝置與系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就，盡管與其他國家比較尚有差距，但是，深圳的高校、研究院所的最大的特點就是實際，與生產(chǎn)實際應(yīng)用項目無關(guān)的問題基本不去考慮，主要考慮選取什么材料，測控什么物理量，優(yōu)點是什么，與機器設(shè)備的通訊接口等等。一些發(fā)達國家在單片機新型系統(tǒng)研究、制造和應(yīng)用上，已積累了很多經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ),進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統(tǒng)研究、制造、應(yīng)用和經(jīng)驗上，與其他發(fā)達國家相比還存在差距，但是我國的研究人員已經(jīng)克服很多困難，并在不斷的摸索中前進，有望在相關(guān)領(lǐng)域趕上甚至超過發(fā)達國家的技術(shù)水平，這是發(fā)展趨勢。1.3使用單片機實現(xiàn)水體液位控制的優(yōu)點使用單片機實現(xiàn)水體液位控制具有較高的實用價值和穩(wěn)定性好等特點。采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器測量水位，可有效保證水位的自動控制，能更好地對水體水位進行自動化控制，避免了工作人員在現(xiàn)場進行檢測操控，方便了人員對液位系統(tǒng)的控制，控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；單片機不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，應(yīng)用前景廣，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)給水系統(tǒng)的自動控制與調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)濟運行。本文就是采用8051單片機為核心芯片的一種水體水位控制系統(tǒng)，具有較高的實用價值和優(yōu)越性。本系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)相比大大降低了使用成本，提高了控制運行速度。根據(jù)仿真模擬運行的結(jié)果表明，該系統(tǒng)能很好的運行，將液位控制在給定的范圍內(nèi)，對過高和過低進行安全報警，穩(wěn)定性能好，容易操作和控制，保證了生產(chǎn)的正常進行。1.4系統(tǒng)的總體研究方案本設(shè)計是采用8051單片機為核心芯片，及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng)，在用液位傳感器測液位的同時，CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài)，并用3位七段LED顯示示液位高度,檢測液位數(shù)據(jù)，實施報警安全提示，當水體液位低于用戶設(shè)定的值時，系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設(shè)定值時，系統(tǒng)自動關(guān)閉水泵或打開排水泵。1.4.1系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采用高亮二極管和光敏三級管所組成的液位傳感器對液面進行控制，通過四對傳感器分別安裝在現(xiàn)場的四個不同的位置，由上至下測量水體的液位值，。并把這四個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809傳到單片機中，在通過3位七段LED顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報警安全提示。用LED顯示是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長等特點，根據(jù)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開、關(guān)水泵，需要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機。本設(shè)計主要運用了液位傳感器測液位,第三章將著重介紹。1.4.2系統(tǒng)軟件總體方案水位檢測是通過四對由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實時對水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水閥控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開始加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。本系統(tǒng)所使用的傳感器性能穩(wěn)定，測量準確，大大簡化現(xiàn)場安裝，具有較高的性價比，有較大的工程應(yīng)用價值，而且利用計算機與組態(tài)軟件技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對水體液位進行的簡易方便的操縱，可以準確得控制水泵進行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要，操作簡單，經(jīng)濟效益好。其次，水體控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修運行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價格的下降，工業(yè)以及其他方面的微機控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。1.4.3設(shè)計的研究進程本設(shè)計第二章對系統(tǒng)進行硬件分析，主要介紹了本設(shè)計所使用的核心芯片8051,重要對其端口進行介紹，介紹其功能與用途，還介紹了液位傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC0809、執(zhí)行設(shè)備、LED顯示和報警裝置，介紹了他們的原理、結(jié)構(gòu)和電路連接，另外我著重介紹了本設(shè)計所使用的傳感器，因為傳感器的性能在整個系統(tǒng)中起著非常重要的作用，尤其對檢測精確度起著重要的作用。第三章我介紹了整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計。2系統(tǒng)硬件設(shè)計廣泛的液位控制系統(tǒng)包括對水體的液位，壓力等的控制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹液位的控制。液位控制是利用由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器，把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出數(shù)字信號，輸出接口接LED進行顯示，實現(xiàn)液位的報警和鍵盤的顯示與控制；下圖即是液位控制系統(tǒng)：由上圖可觀察到傳感器通過對液面進行測量，輸出模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過8051單片機的運算控制，在通過LED進行顯示，通過報警裝置進行報警，報警顯示之后再通過對閥門的開啟實現(xiàn)對水體的液位進行調(diào)節(jié)控制，閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。2.1核心芯片8051單片機計算機芯片MCS-51是一個電腦晶片,英特爾公司生產(chǎn)系列。它是在MCS-48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展的高性能的8位單片機。所出的系列產(chǎn)品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的單片機都以它為核心，所以本設(shè)計采用的核心芯片是8051單片機。CPU是它的核心設(shè)備，從功能上看,CPU包括兩個部分:運算器和控制器，它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。整個系統(tǒng)電控部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置4KEPROM，因為系統(tǒng)要求控制線較多，如果采用8031外置EPROM程序控制結(jié)構(gòu)，則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LED數(shù)據(jù)顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試和維護，使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。

系統(tǒng)的原理是采用液位式傳感器測量液體的液位值，通過單片機的轉(zhuǎn)換與分析在LED上顯示及輸出控制；根據(jù)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位決定是否進行開關(guān)水泵，以及是否到達危險高、低水位，需要關(guān)閉閥門。P10P00,P11P01P12P02P10P00,P11P01P12P02P13P03.P14P04P15P05.P16P06P17P078051INT1P20INTOP21P22T1P23TOP24—P25EA/VPP26P27,X1X2RESETRXD—TXDRDWR ALE/P PSEN17功-t^31191815*813口12口個■2■3■4■5■6■39■38■37■3655■34■33■32%■22■23■24■25■27■28圖2-2 8051引腳圖上圖是8051的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM抄寫程序時，接+5V電源。Pin19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。本設(shè)計采用外部時鐘電路，外接晶振和電容組成振蕩器。輸入輸出(I/O)引腳：Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳,Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳。在對單片機設(shè)計中，P0口作為程序存儲器擴展口，且是擴展并行輸入/輸出接口的接口，另外也作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸口，P2口為程序存儲器擴展口的高八位地址總線口，P1口為輸入/輸出口。Pin9:RESET/VpdM位信號復(fù)用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H,其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表2-1寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)ACC00HB00HPSW00HSP07H07H00HTH000HDPL00HTL000HIPxxx00000BTH100HIE0x00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxB8051的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位，見圖2-3。此外，RESET/Vd還是一復(fù)用腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失，此設(shè)計采用自動復(fù)位電路。圖2-3復(fù)位電路Pin30:ALE/或當訪問外部程序器時，ALE（地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。如果單片機是EPROM，在編程其間,prog將用于輸入編程脈沖。Pin29:晌當訪問外部程序存儲器時,此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。在編程時，EA/VpM還需加上21V的編程電壓。2.2液位傳感器設(shè)計在液體液位控制系統(tǒng)中，傳感器的選擇是非常重要的，傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,它的性能直接影響到整個檢測系統(tǒng)，對檢測精確度起著重要的作用。傳感器的種類很多，有溫度傳感器，加速度傳感器，光學傳感器，壓力傳感器的，本設(shè)計主要采用的是由高亮二級管和光敏三級管所組成的光電傳感器來對液位進行控制，在把檢測的電信號通過ADC0809輸入到單片機進行分析，在由LED進行顯示和鍵盤控制，實行對液位的報警。光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，它可以檢測出其接收到的光強的變化。早期的用來檢測物體有無的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個校準鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源。這些小而堅固的白熾燈傳感器就是今天光電傳感器的雛形。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。我采用的是四對高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器，這種液位傳感器如下圖

由圖2-4可知，液位傳感器的主要元件是高亮二極管和光敏三極管，它們都屬于光電元件，光電元件主要采用的是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)分外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。我們知道，光電效應(yīng)的原理是PN結(jié)加反向電壓時，反向電流的大小取決于P區(qū)和N區(qū)中少數(shù)載流子的濃度，無光照時P區(qū)中少數(shù)載流子（電子）和N區(qū)中的少數(shù)載流子（空穴）都很少，因此反向電流很小。但是當光照PN結(jié)時，只要光子能量h大于材料的禁帶寬度，就會在PN結(jié)及其附近產(chǎn)生光生電子、空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子濃度大大增加，它們在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場作用下定向運動，分別在兩個方向上渡越PN結(jié)，使反向電流明顯增大。如果入射光的照度變化，光生電子，空穴對的濃度將相應(yīng)變動，通過外電路的光電流強度也會隨之變動，光電效應(yīng)的原理就是光電二極管的原理，光敏二極管就把光信號轉(zhuǎn)換成了電信號，它是最簡單的光學元件。而光敏三極管有兩個PN結(jié)，因而可以獲得電流增益，它比光敏二極管具有更高的靈敏度，也是把光信號轉(zhuǎn)化成電信號。其結(jié)構(gòu)如圖2-11所示。光敏三級管是由高亮二極管進行發(fā)光的，高亮二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體器件。它的原理和光敏二極管相似，也是產(chǎn)生光電效應(yīng)。只不過原理正好相反，當有電流導體內(nèi)部產(chǎn)生光電流，照射在PN結(jié)上，在內(nèi)部產(chǎn)生光電流，它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器。模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系。而我設(shè)計的液位傳感器的主要組成光敏三級管就是屬于模擬式光電傳感器。通過吸收高亮二極管的光來測量液位的高度，在轉(zhuǎn)化成光電流傳到模擬傳感器ADC0809中。NPNNPN基本電路基本電路基本電路基本電路a）結(jié)構(gòu)示可）精品wor圖）^基本電路）基本電路

圖 b2a光敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖 b基本電路當光敏三極管按圖2—8的形式進行電路連接時，它的集電結(jié)反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置。無光照時僅有很小的穿透電流流過，當光線通過透明窗口照射集電結(jié)時，和光敏二極管的情況相似，將使流過集電結(jié)的反向電流增大，這就造成基區(qū)中正電荷的空穴的積累，發(fā)射區(qū)中的多數(shù)載流子（電子）將大量注人基區(qū)，由于基區(qū)很薄，只有一小部分從發(fā)射區(qū)注入的電子與基區(qū)的空穴復(fù)合，而大部分電子將穿過基區(qū)流向與電源正極相接的集電極，形成集電極電流IC。這個過程與普通三極管的電流放大作用相似，它使集電極電流IC是原始光電流的（l+B）倍。這樣集電極電流IC將隨入射光照度的改變而更加明顯地變化。光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如下圖光電傳感器框圖：xi xxi x2 x3a)圖2-10光電傳感器框圖光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖2-12所示。圖中，中1是光源發(fā)出的光信號，中2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。光電傳感器設(shè)計靈活，形式多樣，在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。水位檢測是通過四對高亮二極管和光敏三極管分別安裝在四個不同的位置，由上至下四個輸出端口分別接單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，實時對水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出高電平；當水位低于此光敏三極管的位置時，其輸出端口就向單片機輸出低電平。由上至下的第一個位置為水位上限報警線，即當水位高于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥有可能出故障；第二個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，控制系統(tǒng)會自動關(guān)閉加水電磁閥，停止加水；第三個位置是自動加水線，即當水位低于此位置時，控制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，開水加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，開水房控制系統(tǒng)就會自動報警，提醒工作人員注意，加水電磁閥可能出故障。2.3光電式傳感器的基本特性1）光譜特性在入射光照度一定時，光敏晶體管的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種光敏晶體管只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性，見圖2-11。由曲線可以看出，當入射光波長增加時，相對靈敏度要下降，這是因為光子能量太小，不足以激發(fā)電子一空穴對。當人射光波長太短時，光波穿透能力下降，光子只在半導體表面附近激發(fā)電子一空穴對，卻不能達到PN結(jié)，因此相對靈敏度也下降。從曲線還可以看出，不同材料的光敏晶體管，光譜峰值波長不同。硅管的峰值波長為0.95左右，錯管的峰值波長為1.55左右。由于錯管的暗電流比硅管大，因此錯管性能較差。因此在探測可見光或赤熱物體時，多采用硅管。但對紅外光進行探測時，采用錯管較為合適。2） 伏安特性光敏三極管在不同照度下的伏安特性，就象普通三極管在不同基極電流下的輸出特性一樣，如圖2-11所示。在這里改變光照就相當于改變一般三極管的基極電流，從而得到這樣一簇曲線。3） 光電特性它指外加偏置電壓一定時，光敏晶體管的輸出電流和光照度的關(guān)系。一般說來，光敏二極管光電特性的線性較好，而光敏三極管在照度小時，光電流隨照度增加較小，并且在光照足夠大時，輸出電流有飽和現(xiàn)象。這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時都下降的緣故。4） 溫度特性溫度的變化對光敏晶體管的亮電流影響較小，但是對暗電流的影響卻十分顯著，如圖7.2.10所示。因此，光敏晶體管在高照度下工作時，由于亮電流比暗電流大得多，溫度的影響相對來說比較小。但在低照度下工作時，因為亮電流較小，暗電流隨溫度變化就會嚴重影響輸出信號的溫度穩(wěn)定性。在這種情況下，應(yīng)當選用硅光敏管，這是因為硅管的暗電流要比錯管小幾個數(shù)量級。同時還可以在電路中采取適當?shù)臏囟妊a償措施，或者將光信號進行調(diào)制，對輸出的電信號采用交流放大，利用電路中隔直電容的作用，就可以隔斷暗電流，消除溫度的影響。5） 頻率特性光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特性。如圖2-12所示。減少負載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，錯光敏三極管的頻響比硅管小一個數(shù)量級。圖2-11光敏晶體管的光譜特性硅光敏晶體 9管 21錯光敏晶體

管硅光敏晶體 9管 21錯光敏晶體

管232100101X5001x250

05 1.0 1.55 1.0 1.5i(Pm)2.0圖2-12光敏三極管的伏安特性 T20lx光電傳感器的敏感范圍遠遠超過了電感、電容、磁力、超聲波傳感器的敏感范圍。此外，光電傳感器的體積很小，而敏感范圍很寬，加上機殼有很多樣式，幾乎可以到處使用。最后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，光電傳感器在價錢方面可以同用其他技術(shù)制造的傳感器競爭。2.4ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器A/D是把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，把由傳感器傳來的液位控制的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后再通過8051單片機的分析處理進行LED顯示和液位和壓力的報警。2.4.1D/A轉(zhuǎn)換基本原理D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應(yīng)用系統(tǒng)后向通道典型應(yīng)用技術(shù)之一。它涉及了D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇參考電壓源的配置、數(shù)字輸入碼與模擬輸出電壓的極性等問題，而其中最核心的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇與應(yīng)用問題。D/A轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個用二進制表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對應(yīng)于二進制的每一位，產(chǎn)生一個相應(yīng)的電流，而這個電流的大小正比于相應(yīng)的二進制位的權(quán)°D/A轉(zhuǎn)換器主要由三部分構(gòu)成，即加權(quán)電阻解碼網(wǎng)、受輸入數(shù)字量控制的電子開關(guān)組和由運算放大器構(gòu)成的電流轉(zhuǎn)換器。電子開關(guān)組受輸入二進制數(shù)據(jù)D7?DO控制，當某一位為“1”時，則電子開關(guān)閉合，基準電壓Vin接電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，使某一支路電阻上有電流流過。當某一位為“0”時，則電子開關(guān)斷開，該支路電阻上無電流流過。加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各支路的電阻值與二進制數(shù)據(jù)D7?DO的“權(quán)”相對應(yīng)，“權(quán)”大的電阻值小，“權(quán)”小的電阻值大。因此各支路的電流不僅決定于輸入數(shù)字量的值（0或1），還決定于“權(quán)”，各支路的電流如下：I=―^^=20―-D0 28-R 28-R0TOC\o"1-5"\h\zV VI=^e-D=2i-f-D27 -R 1 28-R 1I=^fD=21^f-D26 -R 2 28-R 2V VI=^re-D=23-f-D25-R3 28-R3VVI=i^D=24-f-D24-R4 28-R4VV

.I=^e-D=25—^.D23-R5 28-R5VV

.I=—?^D=26—?^-D22.R6 28-R6VV

.I=i^D=27-f-D21-R7 28-R7因此，總電流為lout：I=I+1+1+1+I什I可甘/+建*■齒為S4I=Vref.X2iD(2-4)out 0 1 2 3 4out50617暗?R=0 5i6 72.R i該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有：

V—(2-5)V=-RI=_寸*2iD=_E0(2-5)i=0其中其中V<V< Eg寸,N=Z2iD(2-6)i=0E0?,N=Z2iD（2—6）i=0由式（2-6）看出，盡管使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，但對于D/A轉(zhuǎn)換器的輸入輸出來說是等效的。就8位D/A轉(zhuǎn)換器而言，每一數(shù)字輸入位所代表的輸出模擬量是其相鄰的2倍，這樣就組成二進制數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換器。D/A轉(zhuǎn)換芯片的主要性能指標如下：1） 分辨率。表征D/A轉(zhuǎn)換器對微小輸入量的敏感程度，通常用數(shù)字量的數(shù)位表示，如8位、12位、14位等。分辨率為10位的D/A轉(zhuǎn)換器，表示它可以對滿量程的1/1024的增量做出反應(yīng)。2） 相對精度。在滿刻度己校準的前提下，在整個刻度范圍內(nèi)，對于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個ISB來表示和該偏差相對滿刻度的百分比表示。3） 轉(zhuǎn)換時間。數(shù)字變化量是滿刻度時，達到終值土LSB/2所需要的時間，通常為幾十納秒至幾微秒。4） 非線性誤差。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為0.1%?0.03%。其工作過程是：比較開始時，首先對二進制計數(shù)器（輸出鎖存器）的最高位置“1”，然后進行轉(zhuǎn)換、比較判斷。若模擬輸入Uin大于Ui，比較器輸出為1，則使輸出鎖存器的最高位保持為1。然后對較低的位依次按照該辦法進行比較和調(diào)整，無論哪種情況，均應(yīng)繼續(xù)比較下一位，直到最末位為止。此時D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入（輸出鎖存器內(nèi)容）即為對應(yīng)模擬輸入信號的數(shù)字量。將此數(shù)字量輸出就完成了A/D轉(zhuǎn)換過程。這種方法好比用天平稱一個物體的重量，第一次放最大的砝碼，若不合適，就改放小一號的，依次類推。一旦天平指示砝碼太重說明剛才放進去的那個應(yīng)當取走，顯然對于n位的轉(zhuǎn)換器，總共需要重復(fù)這種過程n次。2.4.2ADC0809轉(zhuǎn)換芯片本開發(fā)系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換實驗硬件主要是由ADC0809轉(zhuǎn)換芯片和四個可變電位器組成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在（O?5）V，最大不可調(diào)誤差小±1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴度低以及在長期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點。ADC0809芯片的引腳圖如圖2-6所示。由圖2-6可看芯片主要是由一個8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路模擬輸入選通開關(guān)、地址鎖存及譯碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。為實現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過地址譯碼鎖存器選通所要開通的8路模擬通道中的一路開關(guān)，將模擬信號送入A/D轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待CPU來取，取后由CPU啟動新一次的地址譯碼，重復(fù)以上完成新一次的A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。下圖為ADC0809芯片的引腳圖。*2728-X*2728-X-2-4■1612IN-0msb2-12-2IN-12-32-4IN-22-52-6IN-32-7 clsb2-8IN-4ADC0809EOCIN-5ADD-AIN-6ADD-BADD-CIN-7ALEref(-)ENABLESTARTref(+)CLOCK'212019■188-■14610圖2-6ADC0809芯片的引圖ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個帶有模擬開關(guān)樹組的256電阻分壓器，以及一個逐次逼近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。由于多路開關(guān)的地址輸入部分能夠進行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計算機接口。Title精品word精品word文檔皿心 19J灑7File: E:\曹德寶22\BACKl2 32.5鍵盤及顯示接口顯示部分我采用三位7段LED顯示器，LED顯示器是單片機應(yīng)用中最常用的輸出部件，它是由若干發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)光，不同組合的二極管導通，就能顯示出各種字符。用LED是因為它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長的特點。LED(發(fā)光二極管)最早出現(xiàn)在19世紀60年代，現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設(shè)備上看到這些二極管作為指示燈來用。LED就是一種半導體元件，其電氣性能與普通二極管相同，不同之處在于當給LED通電流時，它會發(fā)光。由于LED是固態(tài)的，所以它能延長傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小，且比白熾燈傳感器更可靠。不像白熾燈那樣，LED抗震動抗沖擊，并且沒有燈絲。另外，LED所發(fā)出的光能只相當于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。在微型機系統(tǒng)中，LED常用的顯示方法有兩種。一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)顯示。所謂的靜態(tài)顯示是由單片機一次輸出后就能顯示后就能保持，直到下次送新的顯示模式為止。這種顯示占用機少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。這種顯示器顯示方式的每一個七位顯示器需要一個八位輸出控制，我的設(shè)計就是采用的就是靜態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示就是單片機定時的對顯示器進行掃描。這種方法中，顯示器件分時工作，每次只能有一個器件顯示，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺到所有的器件都“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是使用硬件少，因而價格低，但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就立刻停止顯示。動態(tài)顯示的亮度與導電電流有關(guān)，也與點亮時間和間隔時間比例有關(guān)。鍵盤是有若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片機輸入設(shè)備，通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，來實現(xiàn)簡單的人機對話。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。非編碼鍵盤有并行接口掃描和串聯(lián)接口掃描，我采用的是串行接口，它的組成是由移位寄存器74LS164和六個鍵組成，74LS164是一個14位腳的寄存器，集成電路芯片，由8051串行接口的TXD端輸出列掃描信號到74LS164的1、2引腳，鍵閉合信號則用端口P3.3、P3.4、P3.5輸入8051單片機，由8051單片機的TXD引腳輸出移位時鐘脈沖到74LS164的時針輸入端(CLK)。還有非前者用軟件來識別和產(chǎn)生代碼，后者則用鍵盤來識別，鍵盤處理程序?qū)崿F(xiàn)對鍵盤的管理，顯示具體見下圖。

圖2-7LED顯示器2.6自動報警電路B下列二種情況發(fā)生系統(tǒng)報警。1） 當水位達到上限極限水位時報警，水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警;2） 當水位達到下限極限水位時報警，水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警12

圖2-8自動報警電路的接線圖Title AASize Number RevisionA4Date:File:24-Jun-2007C:\DocumeSheetofDate:File:24-Jun-2007C:\DocumentsandSettings\Administrator\DrOW?加波大圖曹德寶大iftdb3系統(tǒng)軟件的設(shè)計該系統(tǒng)硬件系統(tǒng)完全，但系統(tǒng)的運算與控制必須靠軟件支持，系統(tǒng)硬件組態(tài)完后，根據(jù)I/O地址分配和功能要求便可以進行軟件編程。軟件編程是系統(tǒng)完成控制的一個重要部分。系統(tǒng)軟件程序主要完成初始化工作，輸入輸出控制，子程序主要完成數(shù)據(jù)采集處理的功能包括采集的液位數(shù)據(jù)與給定的液位值的比較，是否需要報警，以及處理完成顯示部分與調(diào)節(jié)閥的信號輸出。在該系統(tǒng)的軟件部分的設(shè)計中，第一部分主要是對流程圖的介紹，其中包括了對水位的檢測，對補水泵的控制開和關(guān)，以及補水泵是否正常工作的報警。通過對水體液位進行的簡易方便的操縱，可以準確得控制水泵進行添加水或放水以適應(yīng)工作的需要，并可防止故障的發(fā)生；第二部分是系統(tǒng)工作程序的編程內(nèi)容，由于全部編程部分較多，只取最重要的水位檢測主程序段。本程序段主要實現(xiàn)啟動ADC0809轉(zhuǎn)換器，并從A/D轉(zhuǎn)換器采集信號的功能。3?1軟件設(shè)計流程圖本軟件流程圖設(shè)計簡易合理，方便易于操控，能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行控制，水位運行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善;同時大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)的穩(wěn)定運行。下圖即為軟件設(shè)計流程圖圖4-1軟件設(shè)計流程圖3.2水位檢測的主程序本控制系統(tǒng)采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此軟件程序較簡單，整個軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測主程序。這是程序運行的主要程序段，主要實現(xiàn)啟動ADC0809轉(zhuǎn)換器，并從A/D轉(zhuǎn)換器采集信號，SHUICPM:MOVA,P1ANLA,#0FHMOV30H,#0FH;00001111CJNEA,30H,AAA1SETBP2.0SETB20H.1;setb水位狀態(tài)標志位AJMPOUT2AAA1:MOV30H,#0EH;00001110CJNEA,30H,AAA2SETBP2.0CLR20H.1

AJMPOUT2AAA2:MOV30H,#0CH ;00001100CJNEA,30H,AAA3CLR20H.1CLRp2.0AJMPOUT2AAA3:MOV30H,#08H ;00001000CJNEA,30H,AAA4CLRP2.0CLR20H.1AJMPOUT2AAA4:MOV30H,#00H;00000000CJNEA,30H,AAA5setbP2.0SETB20H.1AJMPOUT2AAA5:SETB20H.2RETOUT2:CLR20H.2RETBAOJING:JB20H.3,OUT6MOVA,20HMOV30H,#00HCJNEA,30H,OUT5AJMPOUT6OUT5:SETBP3.6JB20H.4,OUT9SETBP0.1OUT10:JB20H.2,OUT11SETBP0.2OUT12:JB20H.1,OUT13SETBP0.3OUT14:JB20H.0,OUT15SETBP0.4OUT16:RETOUT6:CLRP3.6RET

OUT9:OUT11:OUT9:OUT11:OUT13:OUT15:AJMPOUT10CLRP0.2AJMPOUT12CLRP0.3AJMPOUT14CLRP0.4AJMPOUT164結(jié)論本系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測控制，介紹了8051單片機和其它一些單片機在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，本設(shè)計還采用了多種傳感器來對液位的信號采集，利用LED來進行信號的輸出顯示，我設(shè)計的硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,系統(tǒng)精度高，具有良好的人機交互功能，并設(shè)有液位報警和閥門失靈等故障報警，有