儲(chǔ)水罐液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)

儲(chǔ)水罐液位計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)生姓名_____________________________

學(xué)號(hào)_____________________________

學(xué)院名稱_____________________________

專業(yè)名稱_____________________________

指導(dǎo)教師_____________________________

2023年6月7日

目錄

1.儲(chǔ)水罐液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理......................................................4

1.1本設(shè)計(jì)任務(wù)和重要內(nèi)容.....................................................4

1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)..............................................................4

1.1.2重要內(nèi)容..............................................................1

2.系統(tǒng)模型建立.................................................................1

2.1系統(tǒng)構(gòu)成..................................................................2

2.2系統(tǒng)工作原理.............................................................2

2.3系統(tǒng)模型.................................................................3

3.硬件選擇....................................................................6

3.1液體壓力傳感器選擇.......................................................6

3.2水泵選擇.................................................................7

3.3微控制器日勺選擇...........................................................8

3.3.180C51電源............................................................8

3.3.280C51時(shí)鐘............................................................9

3.3.380C51控制線..........................................................9

3.3.480C51I/O接口.........................................................9

3.4A/D轉(zhuǎn)換器選擇...........................................................10

4.硬件電路設(shè)計(jì)...............................................................12

4.180C51單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì).................................................12

4.1.1時(shí)鐘電路.............................................................12

4.1.2復(fù)位電路.............................................................12

4.2水泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)........................................................13

4.2.1繼電器電路...........................................................13

4.2.2雙向晶閘管過零調(diào)功調(diào)速原理...........................................14

4.2.3過零檢測(cè)電路.........................................................15

4.2.4雙向晶閘管觸發(fā)電路...................................................16

4.3數(shù)碼管電路..............................................................17

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)...............................................................17

5.1軟件設(shè)計(jì)流程圖..........................................................17

5.2軟件主函數(shù)..............................................................18

5.3軟件水泵控制程序........................................................20

6.結(jié)論.......................................................................23

參照文獻(xiàn)......................................................................24

附錄..........................................................................25

附錄1..........................................................................................................................................25

附錄3..........................................................................................................................................34

附錄4..........................................................................................................................................36

1.儲(chǔ)水罐液位系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1本設(shè)計(jì)任務(wù)和重要內(nèi)容

1.1.1設(shè)計(jì)任務(wù)

本設(shè)計(jì)重要研究水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水位報(bào)警，水位實(shí)時(shí)顯示。在

2min內(nèi)到達(dá)并穩(wěn)定在1m水位高度，并且偏差在土10%。

1.1.2重要內(nèi)容

被控系統(tǒng)為一儲(chǔ)水罐C系統(tǒng)如圖1-1所示，儲(chǔ)水罐內(nèi)為清水，下部設(shè)有出水管，流量

記為Q2。儲(chǔ)水罐通過水泵將清水池內(nèi)的清水補(bǔ)入罐內(nèi)，流量記為Q1,清水池內(nèi)的水位可

視為固定值2米（即在儲(chǔ)水罐補(bǔ)水過程中液位不變化）。已知儲(chǔ)水罐的截面積A=1平方米,

高度H=2米，規(guī)定控制目的液位高度為1米。

當(dāng)水箱水位低于1m時(shí)，啟動(dòng)水泵，從清水池抽水供應(yīng)給儲(chǔ)水罐；當(dāng)水箱水位高于1m

時(shí)水泵自動(dòng)停止；當(dāng)水箱水位高于1.8m時(shí)外部報(bào)警燈自動(dòng)點(diǎn)亮，手動(dòng)復(fù)位控制系統(tǒng)。

a

圖1-1儲(chǔ)水罐系統(tǒng)

2,系統(tǒng)模型建立

2.1系統(tǒng)構(gòu)成

儲(chǔ)水罐液位系統(tǒng)口勺原理圖如圖2-1所示。此系統(tǒng)由清水池，儲(chǔ)水罐，直流水泵，微控

制器，液體壓力傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。

清水池在此設(shè)計(jì)中屬于理想狀態(tài)，即水位高度不變；

直流水泵選用TPH2T6K型號(hào)，220V離心式水泵，此水泵工作效率為50〃//H；

微控制器選用Atmel企業(yè)生產(chǎn)的89C51單片機(jī)；

液體壓力傳感器選用PT500-500液體壓力傳感器；

A/D轉(zhuǎn)換器則選用ADC08088位精度轉(zhuǎn)換器。

圖2-1儲(chǔ)水罐液位系統(tǒng)的原理圖

2.2系統(tǒng)工作原理

此系統(tǒng)由液體壓力傳感器測(cè)出儲(chǔ)水罐液位壓力，以()~2()mA電流形式輸入到一種I25Q

電阻上，A/D轉(zhuǎn)換器采樣電阻兩端電壓，然后輸入微控制器80C51,微控制器8OC51通過

處理判斷水位高度進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理，并控制數(shù)碼管顯示目前水位高度。系統(tǒng)工作流程圖如

圖2-2o

圖2-2儲(chǔ)水罐液位系統(tǒng)工作流程圖

2.3系統(tǒng)模型

此系統(tǒng)是一種經(jīng)典的一階系統(tǒng)。儲(chǔ)水罐相稱于一種流體容器，由物質(zhì)守恒可以得到:

Q」Q+QMU(2.1)

式中Qin——表達(dá)流入儲(chǔ)水罐的）水量;

Q表達(dá)儲(chǔ)水罐中保留的水量;

Qo

Ul表達(dá)流出儲(chǔ)水罐的I水量。

假設(shè)A是儲(chǔ)水罐的橫截面積，h為儲(chǔ)水罐中水位口勺高度則（2.1）可寫成:

c*dh?

Q'n=A^+Q-

(2.2)

出水流量取決于儲(chǔ)水罐日勺流量系數(shù)，儲(chǔ)水罐的I液位高度，儲(chǔ)水罐的I出水口面積，和重

力常數(shù)。即：

Qou.=(2.3)

式中Cd——表達(dá)儲(chǔ)水罐出口的流量系數(shù);

a——表達(dá)儲(chǔ)水罐日勺出水口面積;

g----表達(dá)重力常數(shù)（9.8m/s2）o

結(jié)合（2.2）,（2.3）我們能得到

Q『A*a廊

(2.4)

假設(shè)Qin是個(gè)常數(shù)則出水流量將到達(dá)一種穩(wěn)態(tài)值Q向二Q。，水位高度也將能到達(dá)一種

恒定值。

=ca2

Q0d7A(2.5)

我們假設(shè)Qm有個(gè)小的擾動(dòng)值，我們能得到:

KQin=Qin-Q()(2.6)

同步液位高度也將會(huì)有小時(shí)擾動(dòng):

3h=h-4(2.7)

將（2.6）、（2.7）帶入（2.4）我們可以得至IJ：

A房+Cdaj2(Mz+4)=bQin+Q。

(2.8)

應(yīng)用泰勒級(jí)數(shù)將（2.8）線性化，泰勒級(jí)數(shù):

。一1))2

2

dx"2!(2.9)

取泰勒級(jí)數(shù)第一級(jí)得到:

/3)-/(尤0卜60。(x-%)

(2.10)

或者(2.11)

將（2.8）用（2.11）線性化后得到:

A處1Q。劭=也

2%

dt(2.12)

對(duì)（2.12）進(jìn)行拉普拉斯變換，我們可以得到:

/?(s)I

2〃(S)AS+QO/24

(2.13)

帶入數(shù)據(jù)可得:

力⑸1

2“(s)5+0.1(2.14)

電機(jī)的電氣方程:

La—=Uu-iara-C“Q(/)(2.15)

dt

電機(jī)口勺機(jī)械方程:

^1=T-Ti.(2.16)

dt

式中G——表達(dá)電機(jī)電勢(shì)系數(shù);

七一一表達(dá)電樞電阻;

Ua----表達(dá)電樞電壓；

表達(dá)電樞電流;

La表達(dá)電樞電感;

表達(dá)折算到軸上口勺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

T——表達(dá)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;

TL——表達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩;

將(2.15)、(2.16)式進(jìn)行拉式變換可以得到轉(zhuǎn)速和輸入電壓的傳遞函數(shù):

(2.17)

電機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式:

C二30生二理

兀nN

TGD2R

Im=-----------

375CC

G?=—Ce

71

TLa

Il=—

Ra

得出該電機(jī)口勺傳遞函數(shù)為:

30.139

0.000163s2+0.0173s+1

由上式我們可以得到此液位系統(tǒng)日勺框圖如圖2-3

圖2-3儲(chǔ)水罐液位系統(tǒng)框圖

3.硬件選擇

3.1液體壓力傳感器選擇

本設(shè)計(jì)中儲(chǔ)水罐日勺高度液位高度最高為2M,根據(jù)尸=夕液劭，可算出在此設(shè)計(jì)中最大壓

強(qiáng)為19.6Kpa。可選擇壓力傳感器量程為0—20Kpa,最終選用了PT500-500液體壓力傳感

器，PT500-500采用高精度高穩(wěn)定性電阻應(yīng)變計(jì)做為變送器日勺感壓芯片，選進(jìn)的貼片工藝,

配套帶有零點(diǎn)、滿量程賠償，溫度賠償?shù)母呔群透叻€(wěn)定性放大集成電路。重要技術(shù)規(guī)定

如表3-1所示。

表3-1PT500-500液體壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)參數(shù)值

被測(cè)介質(zhì)!氣體、液體及蒸氣

量程-100KPa-20Kpa?60Mpa?150Mpa間任意可選

輸出0?20mA（二線制）

綜合精度±0.1%FS（量程60Mpa以上）、±0.25%FS、±0.5%FS

供電!12?36VDC

絕緣電阻>1000MQ/100VDC

負(fù)載電阻最大800c

介質(zhì)溫度-20?85℃、-20?150℃、-20?2009、-20?300℃（可選）

環(huán)境溫度-20?85℃

相對(duì)濕度;0-95%RH

過載能力150%FS

響應(yīng)時(shí)間<10mS

電氣連接不銹鋼防水密封端子、四芯航空接插件、赫絲曼接頭等

此液體壓力傳感器完全可以滿足控制日勺規(guī)定，選擇此傳感器重要由于：供電規(guī)定12?

36VDC,電壓范圍廣，輸出0?20mA原則電信號(hào)，以使A/D采集。

3.2水泵選擇

此設(shè)計(jì)中應(yīng)用了TPH2T6K離心式單相交流水泵，其技術(shù)參數(shù)如表3-2。此水泵采用單

相交流電，易于控制，流量5O"/H=0.83〃P/min,在兩分鐘內(nèi)可以到達(dá)規(guī)定。

表3-2TPH2T6K離心式單相交流水泵技術(shù)參數(shù)

技術(shù)參數(shù)參數(shù)值

工作電壓；220V

工作頻率!50HZ

流量50m3/H

揚(yáng)程i55m

進(jìn)出口徑!25cm

馬達(dá)轉(zhuǎn)速2900RPM

3.3微控制器的選擇

此設(shè)計(jì)采用ATMEL80C51作為控制芯片。它是在MCS-48系列的基礎(chǔ)上發(fā)展內(nèi)高性能的

8位單片機(jī)。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(jī)

都以它為關(guān)鍵，因此本設(shè)計(jì)采用的關(guān)鍵芯片是8051單片機(jī)。CPU是它的關(guān)鍵設(shè)備，從功能上

看,CPU包括兩個(gè)部分:運(yùn)算器和控制器，它執(zhí)行對(duì)輸入信號(hào)的分析和處理。每片80c51包括:

一種8位的微型處理器CPJ；128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM；4KB片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM；四個(gè)

8位并行的1/0接口P0-P3,每個(gè)接口既可以輸入，也可以輸出；兩個(gè)定期器/記數(shù)器；五

個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一種全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路,

但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高容許振蕩頻率是12MHZ0以上各個(gè)部分通過內(nèi)部總

線相連接。

整個(gè)系統(tǒng)電控部分以ATMEL企業(yè)的8051為關(guān)鍵芯片，控制信號(hào)采集、處理、輸出三

個(gè)過程。這種芯片內(nèi)置4KR0M,由于系統(tǒng)規(guī)定控制線較多，假如采用8031外置三PROM程序

控制構(gòu)造，則導(dǎo)致控制線不夠，而8051卻可以運(yùn)用PO、P2口作控制總線，大大簡(jiǎn)化了硬

件構(gòu)造，并可以直接控制LED數(shù)據(jù)顯示，以便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和維護(hù)，使整個(gè)系統(tǒng)的通用性和智

能化得到了很大日勺提高。

目前簡(jiǎn)介下在此設(shè)計(jì)中用到H勺引腳L引腳圖如圖3-1所示。

單片機(jī)的40個(gè)引腳大體可分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。

3.3.180C51電源

VCC-芯片電源，接+5V；

VSS-接地端;

3.3.280C51時(shí)鐘

XTAL1.XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。

3.3.380C51控制線

?ALE/PROG:地址鎖存容許/片內(nèi)EPROM編程脈沖

ALE功能：用來鎖存P0口送出日勺低8位地址

PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。

?PSEN:外ROM讀選逍信號(hào)。

?RST/VPD:復(fù)位/備用電源。

RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。

VPD功能：在Vcc掉電狀況下，接備用電源。

?EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。

EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。

Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp°

3.3.480c51I/O接口

?P0口（39腳?32腳）：P0.0?P0.7統(tǒng)稱為P0口。當(dāng)不接外部存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O接口

時(shí)，它可作為準(zhǔn)雙向8位輸入/輸出接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0

口為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。

?P1口（1腳?8腳）：P1.0?P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。對(duì)于MCS

-52子系列單片機(jī)，P1.0和P1.1尚有第2功能：P1.0口用作定期器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)

脈沖輸入端T2；P1.1用作定期器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。對(duì)于EPROM編程和

進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P0口接受輸入日勺低8位地址。

?P2口（21腳?28腳）：P2.0?P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。當(dāng)接有

外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過256個(gè)字節(jié)時(shí)，P2口用于高8位地址

總線送出高8位地址。對(duì)于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P2口接受輸入的8位地

址。

?P3口（1（）腳?17腳）：P3.0?P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般日勺準(zhǔn)雙

向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，并且P3口日勺每一條引腳均可獨(dú)立定義為

第1功能時(shí)輸入輸出或第2功能。

U1-U1

1S—>XTAL1P0.0/AD0

P01/AD12610

P0.2/AD2INOCLOCK<

18，276

XTAL2P0.3/AD3IN1START

P0.4/AD428

IN2

P05/AD517

19P0.6/AD6IN3EOC

RSTP0.7/AD72IN4

321

or2r.cU//AoAIN5OUT1

P2.1/A9420

IN6OUT2

29______________________________________P2.2/A10519

303PSENP2.3/A11IN7OUT3

ALEP2.4/A12OUT418

EA-P2.5/A13258

P2.6/A14ADDAOUT5

P2.7/A1524ADDRClJT615

12314

P1.0P3.0/RXDADDCOUT7

P1.1P31/TXD2217

3P12P3.2J1NT0"ALEOUT8

4

PI.3PSS^NTI-

P1.4P3.4/T0S12

P1.5P3.5/T1VREF(+)

:izPI.6P3.6/WR"16VREF(-)OE9

P1.7P3.7/RD-

?0Q51....................................................................ADC0808

圖3-180C5I單片機(jī)引腳圖圖3-2ADC0808引腳圖

3.4A/D轉(zhuǎn)換器選擇

本設(shè)計(jì)采用ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器，ADCO8O8是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路

開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次迫近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和

單片機(jī)直接接口。

ADC0808轉(zhuǎn)換器引腳圖如圖3-2所示

ADC0808轉(zhuǎn)換器引腳簡(jiǎn)介:

?INO?IN7：8路模擬量輸入端。

?OUT1-OUT8：8位數(shù)字量輸出端。

?AL：:地址鎖存容許信號(hào)，輸入，高電平有效。

?START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一種正脈沖(至少10()ns寬)使其啟動(dòng)(脈

沖上升沿使08()8復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換)。

?EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一種高電平(轉(zhuǎn)換期間一

直為低電平)。

?OE：數(shù)據(jù)輸出容許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一種高

電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。

?CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。規(guī)定期鐘頻率不高于640KHZ。

■VREF(+)和VREF(-)：參照電壓輸入端。

?Vcc：主電源輸入端5V。

?GND：接地。

?ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中日勺一路，通道選

擇表如表3-3所示。

?注意事項(xiàng)：輸出端out8為最低位outl為最高位，與單片機(jī)連接是要注意。

表3-3通道選擇

ADDCADDBADDA選擇的通道

000IN0

00IINI

010IN2

011IN3

100IN4

101IN5

110IN6

111IN7

4.硬件電路設(shè)計(jì)

4.180C51單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)

4.1.1時(shí)鐘電路

80C51用內(nèi)部振蕩電路，這時(shí)需要XTAL1、XTAL2來外接石英晶振和微調(diào)電容，如

圖4-1所示。外接石英晶振為12MHZ,兩個(gè)電容為30PF為起振電容。

“I?C1C2..

一T*30pF.30pF.

<TEXT>-

>XTAL1

E

CRYSTAL?

vcte-XTAL2

圖4-180C51夕卜部時(shí)鐘電路

4.1.2復(fù)位電路

80c51單片機(jī)有一種復(fù)位引腳RST,高電平有效。在時(shí)鐘電路工作后來，當(dāng)外部電路

使得RST端出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上日勺高電平，系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位。復(fù)位方

式有兩種：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。本設(shè)計(jì)選用按鈕復(fù)位，由于碰到特殊狀況系統(tǒng)出錯(cuò)，可

以及時(shí)復(fù)位保證系統(tǒng)損失減到最低。復(fù)位電路如圖4-2所示。

C3

................................................<TEXT>.......................................EA

圖4-28OC51按鈕復(fù)位電路

4.2水泵驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

4.2.1繼電器電路

由于本設(shè)計(jì)中用到的I是單相交流水泵用的I220V交流電屬于強(qiáng)電范圍，不能直接與單

片機(jī)連接因此采用了繼電器來充當(dāng)開關(guān)。繼電器電路如圖4-3所示。

繼電器的觸發(fā)電路應(yīng)用了光耦隔離，當(dāng)單片機(jī)日勺P2.2口輸出控制低電平時(shí),光耦輸入

端導(dǎo)通，使得光耦內(nèi)部三極管導(dǎo)通，通過R4,R3電阻分壓后使得Q1基極電壓變高，使

得Q1導(dǎo)通,從而使得繼電器工作。其中D1是為了消耗繼電器中線圈中掉電后的剩余電流。

4.2.2雙向晶閘管過零調(diào)功調(diào)速原理

本設(shè)計(jì)中應(yīng)用雙向晶閘管對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速控制，根據(jù)

P=TXG(4.1)

式中P——表達(dá)電功率KW；

T——表達(dá)外部阻力矩Nrn；

。——表達(dá)角速度rad?s-lo

當(dāng)外部狀況不變即T保持不變時(shí)，在規(guī)定期間內(nèi)電功率的變化將導(dǎo)致角速度H勺變化，

因此調(diào)電功就可到達(dá)調(diào)速向目的。

可控硅過零控制波形見圖4-5o可以看出，過零調(diào)功通過的工作電壓是完整的正弦波

形，過零導(dǎo)通且過零截止c過零調(diào)功方式就是通過在給定的時(shí)間內(nèi)變化加在負(fù)載上H勺交流

正弦波個(gè)數(shù)來調(diào)整負(fù)載功率的一種控制措施。

T蟆電壓/V

圖4-5雙向晶閘管過零控制信號(hào)波形圖

4.2.3過零檢測(cè)電路

過零檢測(cè)電路的最終目的是實(shí)現(xiàn)當(dāng)50HZ日勺交流電壓通過零點(diǎn)時(shí)取出其脈沖。本設(shè)計(jì)

中用兩個(gè)光耦實(shí)現(xiàn)脈沖的檢測(cè)，如圖4-6所示。交流電源經(jīng)R7后加到兩個(gè)反并聯(lián)H勺二極

管上，在交流電源的I正、負(fù)半周，U2中二極管和U8中二極管輪番導(dǎo)通，從而使U1中三

極管和U8中三極管也輪音導(dǎo)通，在導(dǎo)通期間光耦的5號(hào)輸出引腳輸出低電平，只有在交

流電源過零的瞬間，兩個(gè)二極管均截止，5號(hào)引腳輸出高電平，因此5號(hào)引腳得到周期為

10msH勺脈沖信號(hào)，再將此信號(hào)通過7407邏輯門進(jìn)行整流，從而得到圖4-5中過零脈沖。

電路總R7的大小選用與索取的光耦觸發(fā)電流有關(guān)，本設(shè)計(jì)中采用60()。電阻。

圖4-6過零檢測(cè)電路圖

4.2.4雙向晶閘管觸發(fā)電路

本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了光耦對(duì)雙向晶閘管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電路如圖4-7所示。此電路的工作原理

是：?jiǎn)纹瑱C(jī)響應(yīng)顧客的I參數(shù)設(shè)置，在I/O口輸出一種高電平，經(jīng)反向器反向后，送出一種

低電平，使光電耦合器導(dǎo)通，同步觸發(fā)雙向可控硅，使工作電路導(dǎo)通工作。R5為觸發(fā)限流

電阻，R6為雙向晶閘管門極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力。在本設(shè)計(jì)中負(fù)載是水泵

屬于感性交流負(fù)載，這樣會(huì)使得雙向可控硅承受的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電壓，也許擊穿并

且燒壞晶閘管，因此雙向晶閘管兩極間并聯(lián)一種RC阻容吸取電路，實(shí)現(xiàn)晶閘管的過電壓

保護(hù)。各個(gè)電阻和電容值均為光耦推薦電路中值未加改動(dòng)。

在給定日勺時(shí)間內(nèi)水泵得到的功率為：

P=-UI

N(4.2)

式中P-----表達(dá)負(fù)載得到的功率；

n一一表達(dá)給定期間內(nèi)雙向晶閘管導(dǎo)通H勺正弦波的個(gè)數(shù)；

N一一表達(dá)給定期間內(nèi)正弦波的總個(gè)數(shù);

U一—表達(dá)不加雙向晶閘管時(shí)負(fù)載得到H勺電壓有效值;

I一一表達(dá)不加雙向晶閘管時(shí)負(fù)載得到日勺電流有效值。

由(4.2)式可以看出只要N,U,I為定值，只要變化n就可以抵達(dá)調(diào)速日勺目日勺。

4.3數(shù)碼管電路

本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了7SEG-MPX2-CC8段式共陰極雙數(shù)碼管，段碼引腳接入80C51的P1

口，位選兩條線分別接單片機(jī)日勺P2A0,P2Al口。在本設(shè)計(jì)中采用了數(shù)碼管日勺動(dòng)態(tài)顯示，

運(yùn)用了人日勺視覺暫留效應(yīng)C

5,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1軟件設(shè)計(jì)流程圖

本系統(tǒng)程序重要有AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)碼管顯示模塊、PI調(diào)整模塊、報(bào)警燈控制模塊、

電機(jī)控制模塊構(gòu)成。工作流程如圖5-1所示。

圖5-1主程序工作流程圖

5.2軟件主函數(shù)

根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)出軟件的主程序如下:

voidmain()

ik=0;

el=0;

kp=2;

ki=4;

initdingshi();〃中斷初始化

st=O;

while(l)

(

ad();//AD初始化

if(getdata>=230)//判斷與否水位超過1.8米假如超過

{〃打開報(bào)警燈否則關(guān)閉報(bào)警燈

lamp=0;

kg=O;

)

else

lamp=1;

if(gctdata<127)//判斷數(shù)位與否低于1米假如低于打開繼電器,

kg=O;〃并設(shè)定雙向晶閘管導(dǎo)通次數(shù)

EX1=1;〃外部中斷1容許位打開

y=100-(100*uk)/127;

1

else

kg=l；

)

)

5.3軟件水泵控制程序

水泵控制程序是在外部中斷1、定期器0共同配合下進(jìn)行的，他們實(shí)現(xiàn)了在1秒內(nèi)控

制通過雙向晶閘管半波個(gè)數(shù)，從而精確控制水泵轉(zhuǎn)速。外部中斷1每10MS觸發(fā)一次，而

定期器0要定期1S后才執(zhí)行任務(wù)，因此時(shí)序問題很重要。時(shí)序流程圖如圖5-2所示。詳細(xì)

程序如下：

voiddingshi()interrupt1〃定期器0定期50MS中斷程序

(

TH0=(65536-50000)/256;

TL0=(65536-50000)%256;

w十十；

while(w==20)〃當(dāng)至ljIS時(shí)打開外部中斷1

(

EX1=1;

w=0;

}

voidwaibu()interrupt2〃外部中斷1,產(chǎn)生雙向晶閘管觸發(fā)脈沖，打開定期器0

TR()=1;

ET()=1;

chufa=l;

delay(8);

chufa=();

dclay(8);

x++;

if(x二二y)〃當(dāng)過零脈沖抵達(dá)調(diào)整數(shù)時(shí)關(guān)掉外部中斷1并

〃關(guān)閉晶閘管觸發(fā)脈沖

(

chufa=l;

x=0;

EX1=0;

}

圖5-2中斷時(shí)序流程圖

6.結(jié)論

本系統(tǒng)重要簡(jiǎn)介了水體的液位檢測(cè)控制，簡(jiǎn)介了8051單片機(jī)在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)

用，簡(jiǎn)介了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖，本設(shè)計(jì)還采用了液體壓力傳感器來對(duì)液位口勺

信號(hào)采集，運(yùn)用數(shù)碼管來進(jìn)行信號(hào)口勺輸出顯示,我設(shè)計(jì)1內(nèi)硬件系統(tǒng)的構(gòu)造簡(jiǎn)化,系統(tǒng)精度高,

具有良好的人機(jī)交互功能，并設(shè)有液位報(bào)警燈，有問題立即就能發(fā)現(xiàn)，減小損失。通過自動(dòng)

調(diào)整控制液位并實(shí)現(xiàn)水體內(nèi)液位報(bào)警。液位控制在設(shè)定值上正常運(yùn)行不需要人工干預(yù)，操

作人員勞動(dòng)強(qiáng)度小。

采用單片機(jī)設(shè)計(jì)出的工業(yè)水位控制器，可以針對(duì)水位的不一樣狀態(tài)和不一樣外界條件

進(jìn)行控制,水位運(yùn)行穩(wěn)定、控制品質(zhì)良好、控制效果明顯改善;同步大大提高了控制系統(tǒng)口勺

抗干擾能力,保證了工業(yè)水體液位方面作業(yè)口勺穩(wěn)定運(yùn)行?？刂蒲b置具有成本低、抗干擾能力

強(qiáng)、控制性能好等長(zhǎng)處，且系統(tǒng)硬、軟件維護(hù)簡(jiǎn)樸以便。

本系統(tǒng)采用雙向晶閘管控制水泵，電路簡(jiǎn)樸，實(shí)用性強(qiáng)，控制精確。本設(shè)計(jì)在雙向晶

閘管驅(qū)動(dòng)電路方面準(zhǔn)備用MOC3041過零保護(hù)光耦合器，最終由于在PROTUES中仿真一

直報(bào)錯(cuò)?，最終沒有找到處理措施，最終用了一般的NPN型光耦合器替代，增長(zhǎng)了雙向晶

閘管口勺工作承擔(dān)。

參照文獻(xiàn)

[1]JohnWiley&Sons,Ltd.MicrocontrollerBasedAppliedDigitalControl[M].ThcAtrium,SouthernGate,

Chichester,WestSussexPO198SQ,England.JohnWiley&SonsLtd.2023.

⑵謝維成楊加國.單片機(jī)原埋與應(yīng)用及C5I程序設(shè)計(jì)[M].第二版.北京.北京國馬印刷廠.2023-7.

[3]樊月珍.江發(fā)潮.基于AT89C51H勺交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[EB/OL].北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院網(wǎng)

站.20232023-6.

[4]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].第五版.北京?科學(xué)出版社.2023?

[5J余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)要教程[M].第三版,北京.高等教育出版社.2023.

附錄

附錄1

系統(tǒng)程序：

#include<reg5l.h>

#includc<intrins.h>

#includc<math.h>

#dcfincucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitwl=P2人0;//數(shù)碼管位選1

sbitw2=P2A1;//數(shù)碼管位選2

sbitst=P3A0;//ADC0808啟動(dòng)信號(hào)

sbiteoc=P3Al;//ADC0808轉(zhuǎn)換標(biāo)志位

sbitdian=PU7;〃數(shù)碼管點(diǎn)口勺控制I/OM

sbitkg=P2人2;〃繼電器控制位

sbitchufa=P2人3;〃雙向晶閘管觸發(fā)控制位

sbitlamp=P2A4;//報(bào)警燈控制位

ucharkp,ki,uk,pk,ik;//PID系數(shù)定義

uintgetdata;

uinttemp;

uintqd=127;//IM位置

floate,el,e2,yk;//PID中間量

intzkb,w=(),t=(),p=(),x=0,y=2();〃變量定義

uchardispbuf[3]={0,0,0);〃數(shù)碼管緩沖數(shù)組

ucharcodetable[l={〃段碼

0x3f,0x06,0x5b,0x4f,

0x66,0x6d,0x7d,0x07,

0x7f,0x6f,0x77,0x7c,

0x39,0x5e,0x79,0x71);

voiddelay(uchari)〃lus定期

(

while(i—)

_nop_();

)

voidled();

voidpi();

voidad();

voidinitdingshi();

voidmain()

(

ik=0;

el=0;

kp=0.8;

ki=1.5;

initdingshi();//中斷初始化

st=();

while(l)

{

ad();//AD初始化

if(getdata>=230)〃判斷與否水位超過1.8米假如超過

(〃打開報(bào)警燈否則關(guān)閉報(bào)警燈

lamp=0;

kg=O;

1

else

lamp=l;

if(gctdata<127)//判斷數(shù)位與否低于I米假如低于打開繼電器,

kg=O;〃并設(shè)定雙向品閘管導(dǎo)通次數(shù)

EX1=1;〃外部中斷1容許位

y=100-(100*uk)/127;

if(y>100);

y=l()();

)

else

(

kg=l；

}

voidad()//AD初始化子程序

(

if(p==5)〃每25MS進(jìn)行采集一次

{

st=l;〃啟動(dòng)AD

dclay(l);〃滿足觸發(fā)時(shí)間

sl=0;

whilc(coc==0);〃等待采集完畢

delay(l);

getdata=P();〃采集數(shù)據(jù)存到變量中

temp=(getdata*4/51);//將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換

dispbuf[l]=temp/10;

dispbuf[O]=temp%1();

p=0;〃將計(jì)時(shí)變量清零

pi()；//PI處理

)

led();〃數(shù)碼管顯示

I

voidinitdingshi()〃中斷初始化程序

(

TMOD=Oxll;〃定期器1,定期器0選擇16位定期方式

1T1=1;〃外部中斷1為邊緣觸發(fā)方式

TH0=(65536-50000)/256;〃定期器0定期初始化50MS

TL0=(65536-50000)%256;

TH1=(65536-5000)/256;//定期器1定期初始化5Ms

TLl=(65536-5000)%256;

TR1=1;〃啟動(dòng)定期器1

EA=1;〃中斷打開

ET1=1;〃定期器1溢出中斷容許位

)

voidled()〃數(shù)碼管顯示子程序

(

P1=table[dispbuf[1]];