液位檢測與控制試驗系統(tǒng)設計[共8頁]

1、液位檢測與控制試驗系統(tǒng)設計1.發(fā)展現(xiàn)狀：液位檢測在許多控制領域已較為普遍,各種類型的液位檢測裝置也不少,按原理分有浮力式、壓力式、超聲波式、差壓式、電容式等,這各種方法都根據(jù)其需要設計完成,其結構、量程和精度各有特色, 適用于各自的場合, 但都是基于固定液箱液位檢測而設計。市面上也有現(xiàn)成的液位計,有投入式、浮球式、彈簧式等,絕大多數(shù)價格驚人。“水是生命之源”,不僅人們生活以及工業(yè)生產經常涉及到各種液位和流量的控制問題,例如飲料、食品加工,居民生活用水的供應,溶液過濾,污水處理,化工生產等多種行業(yè)的生產加工過程, 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要維持合適的高度,太滿容易溢出造成浪費,過少則無

2、法滿足需求。因此,需要設計合適的控制器自動調整蓄液池的進出流量,使得蓄液池內液位保持正常水平,以保證產品的質量和生產效益。這些不同背景的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制問題。因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下,采用適合的方法對液位進行檢測、控制,能收到很好的生產效果。高老師也進行了多次的實驗得出了一些相關的數(shù)據(jù),水箱液位控制系統(tǒng)的設計應用非常長廣泛,可以把一個復雜的液位控制系統(tǒng)簡化成一個水箱液位控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。所以就選擇了該題目的設計。由于液位檢測應用領域的不同,性能指標和技術要求也有差異,但適用有效的測量成為配合的發(fā)展趨勢,隨著電子技術及計算機技術的發(fā)展,液位

3、檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢,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,提高生產過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術應用的普及、可靠性的提高及價格的下降,液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應用。所以,我們在此設計了這個簡易的監(jiān)測系統(tǒng),一方面,節(jié)省了大量的經濟開支；另一方面,讓我們對監(jiān)測系統(tǒng)有了更加深刻、透徹的了解,不僅增加了我們的感性認識,還促進了我們對于系統(tǒng)各個部分的深刻分析,從傳感器選型到整個系統(tǒng)的建立,我們都投入其中,并為之努力著。2.設計目的：此次設計的思想來源于高中生活的一段經歷：

4、高中時期,由于供水設施的技術水平有限,下課后,當?shù)蜆菍拥乃奚峒w用水時,高樓層的宿舍一般都接不到水。為了防止我們日常用水的短缺,我們一般選擇在用水不是很緊張的中午午睡時,或是晚上熄燈以后往儲水的水桶里接滿水,以備隨時使用。所以,為了解決這個問題,我們可以設計一個自動監(jiān)測液位的裝置,并由單片機來控制舵機的開斷。液位傳感器隨時監(jiān)測水箱的液位情況,并根據(jù)液位的不同,控制舵機的開斷。當液位低于一定值時,單片機控制變頻器,進而驅動舵機,使供水閥打開至最大；當液位達到水箱總高度的80%時,單片機控制變頻器,進而驅動舵機使流速減??；當液位高于一定值時,單片機控制舵機,關緊舵機,停止儲水。3.關鍵詞：AT89

5、S52、液位傳感器、調節(jié)閥、變頻器、水泵4.實驗目的：通過設計液位檢測系統(tǒng),進一步了解各種過程器件的各種性能特征以及使用的場合與條件,更加清楚地知道各種儀表在自動化過程控制中的應用。通過本次獨立的完成系統(tǒng)設計培養(yǎng)一種嚴密、整體的思維能力,以及獨立完成各種工作的能力。5.實驗要求：（1）上位水箱通過水泵供水,通過變頻器控制舵機的轉速；（2） 通過查閱相關設備手冊或上網查詢,選擇液位傳感器、調節(jié)器、調節(jié)閥、變頻器、水泵等設備（包括設備名稱、型號、性能指標等）；（3）設備選型要有一定的理論計算；（4）用所選設備構成實驗系統(tǒng),畫出系統(tǒng)結構圖；（5）列出所能開設的實驗,并寫出實驗目的、步驟、要求。6.實

6、驗步驟：6.1系統(tǒng)結構設計一個完整的檢測控制系統(tǒng)框圖如下：被控對象變送器調節(jié)器執(zhí)行器顯示打印一、6.1.1控制方案本設計是采用8051單片機為核心芯片,及其相關硬件來實現(xiàn)的水箱液位控制系統(tǒng),使用液位傳感器測液位,CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài),并LCD顯示示液位高度,檢測液位等數(shù)據(jù),實施報警安全提示,當水箱液位低于用戶設定的值時,系統(tǒng)自動打開泵上水,當水位到達設定值時,系統(tǒng)自動關閉舵機。水位檢測是通過四對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,實時對水箱里的水位進行檢測。當水位到達某一光敏三極管

7、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,加水舵機有可能出故障；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)會自動關閉加水舵機,停止加水；第三個位置是自動減速加水線,即當水位高于此位置時,控制系統(tǒng)會自動調節(jié)舵機角度,加水速度減慢；第四個位置是水位下限報警線,即當水位低于此位置時,系統(tǒng)就會自動報警,提醒工作人員注意,加水舵機可能出故障,舵機角度達到最大,自動加大流速控制。6.1.2、系統(tǒng)總體框圖單片機液位傳感器LC

8、D、工作顯示變頻器舵機6.2硬件設計6.2.1 硬件設計概要系統(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水箱內四個不同的位置,由上至下測量水箱液位值,。并把這四個液位狀態(tài)通過模數(shù)轉換器ADC0809傳到單片機中,在通過1602顯示器顯示出液位的四種狀態(tài)及報警安全提示。用LCD顯示是因為它具有顯示清晰、亮度高、可顯示漢字、界面人性化等特點,根據(jù)當前的液位值和用戶設定的水位決定是否進行開、關舵機及舵機開的角度的大小,需要是否開啟和關閉驅動閥門的電動機。系統(tǒng)按效用可以劃分為以下幾個模塊：（1） 電源模塊：將變壓器輸出的+24V電源轉換為系統(tǒng)正常工作

9、使用的+5V電源,采用雙電源工作。一路給光電式傳感器供電,成為傳感器電源；另一路給光電式傳感器之外的所有電路供電,如：單片機、LCD顯示裝置、工作指示、按鍵等,稱為主電源。（2） 數(shù)據(jù)采集與處理模塊：該模塊以51單片機為核心,通過液位傳感器收集檢測信號,通過計算得到液位值。同時控制整個系統(tǒng)的運行,包括：系統(tǒng)初始化、傳感器初始化、采集并處理傳感器測量得到的液位值、工作指示及測量結果顯示、參數(shù)設定等。（3） 人機交互模塊：包括工作指示、LCD顯示。工作指示為5個LED燈管,包括主電源指示,傳感器電源指示、運行指示、數(shù)據(jù)傳輸指示、系統(tǒng)運行異常指示。LCD顯示實現(xiàn)當前液面位置顯示、不同效用狀態(tài)下內容顯

10、示。這些都保證了用戶能夠簡單快捷的設定、使用和維護傳感器,提高用戶的操作體驗。下圖是水箱液位控制系統(tǒng)?？刂茍?zhí)行裝置MCULCD顯示報警裝置傳感器圖2-1水箱液位控制系統(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)轉換器把輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號,通過8051單片機的運算控制,在通過LCD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)對水箱的液位進行調節(jié)控制,閥門的驅動設備是舵機。6.2.2 硬件選型（一）核心芯片8051單片機 圖5-1單片機管腳圖整個系統(tǒng)控制部分以ATMEL公司的8051為核心芯片,控制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內置4K

11、EPROM,因為系統(tǒng)要求控制線較多,如果采用8031外置EPROM程序控制結構,則造成控制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作控制總線,大大簡化了硬件結構,并可以直接控制鍵盤參數(shù)輸入、LCD數(shù)據(jù)顯示,方便現(xiàn)場調試和維護,使整個系統(tǒng)的通用性和智能化得到了很大的提高。內部結構及效用五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)； 一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口,用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信； 片內振蕩器和時鐘產生電路,石英晶體和微調電容需要外接。最高振蕩頻率為12Mhz。我們可以將相應的PID調節(jié)程序寫入8051單片機的程序存儲器,將設定值由鍵盤輸入到單片機后,與傳感器采

12、集的值進行比較后執(zhí)行相應的調節(jié)程序。8051實現(xiàn)的結構框圖如下：（二）液位傳感器在水箱液位控制系統(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)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,它通常由敏感元件和轉換元件組成,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。方案一：電容式傳感器：其計算復雜,轉換電路復雜,需使用555振蕩電路來完成頻率的轉換、液位的測量。對于接地電容傳感器,普通的被動屏蔽（防護罩連接地面）是不合適的,因為電纜的附加電容與電容器的電容同時存在,而且電纜的附加電容能夠遠大于

13、由于環(huán)境條件引起的傳感器的電容。為了減少這種附加電容的影響,接地電容式傳感器一般采用有緣屏蔽技術連接到接口電路,價格昂貴,技術要求較高。方案二：使用發(fā)光二極管和光敏三極管傳感器,不但檢測電路及原理都相對簡單,更為重要的是,其為數(shù)字式傳感器,可將檢測液位信號轉換為高低電平,易于與主控制器單片機相連,進行相應控制。尤其是報警控制,使用蜂鳴器即可,硬件電路設計簡單易懂,故障排除方便,易于實現(xiàn)系統(tǒng)報警控制。因此,本設計主要采用的是由高亮二級管和光敏三級管所組成的液位傳感器來對液位進行控制, 在把檢測的電信號輸入到單片機進行分析,這個設計的重點是液位的控制,所以下面我要對液位傳感器進行設計。采用的是四對

14、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。（三）變頻器的選擇方案一：直流電機調速范圍廣,過載、啟動轉矩大,易于控制,可靠性高,調速時的能量損耗小,但是一般用在調速較高的場所。方案二：步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響,線性關系不好,只有周期性的誤差而無累積誤差,除此之外,控制簡單。方案三：舵機結構緊湊、易安裝調試、控制簡單、大扭力,是位置伺服電機,但是舵機適用于那些需要角度不斷變化并能夠保持的控制系統(tǒng)。

15、綜上所述：選用方案三用舵機進行控制容器的開啟。圖5-3ADC0809管腳圖（四） ADC0809A/D轉換器圖5-4自動報警電路 ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及與微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件,其轉換方法為逐次逼近型。在A/D轉換器內部含有一個高阻抗斬波穩(wěn)定比較器,一個帶有模擬開關樹組的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。 AD轉換電路在控制器中起主導作用,用它將傳感器

16、輸出的模擬電壓信號轉換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位AD轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉換程序。圖6是AD轉換部分原理圖,在接線時先經過運算放大器和分壓電把傳感器輸出的電流信號轉換成電壓信號,然后輸入到AD轉換器。DA轉換器則采用DAC0832.（五）調節(jié)閥調節(jié)閥又稱控制閥,它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。調節(jié)閥由執(zhí)行機構和閥（調節(jié)機構）組成。執(zhí)行機構是將控制信號轉換成相應的動作來控制閥內截流件的位置或其他調節(jié)機構的裝置。信號或驅動力可以為氣動、電動、液動或這三者的任意組合。 閥是調節(jié)閥的調節(jié)

17、部分,它與介質直接接觸,在執(zhí)行機構的推動下,改變閥芯與閥座之間的流通面積,從而達到調節(jié)流量的目的。分類：以壓縮空氣為動力源的調節(jié)閥稱為氣動調節(jié)閥；以電為動力源的調節(jié)閥則為電動調節(jié)閥。這兩種是用得最多的調節(jié)閥。此外,還有液動調節(jié)閥、智能閥、調節(jié)閥等。電動調節(jié)閥與氣動調節(jié)閥的對比電動調節(jié)閥優(yōu)點是結構簡單,應用范圍廣,調節(jié)過程可控性好,行程準確。缺點是可能產生電火花,或者靜電火花。氣動調節(jié)閥的優(yōu)點是動作迅速,能夠快速的完成調節(jié)命令,且安全,不會產生電火花。但缺點是控制復雜,造價高,結構復雜。所以調節(jié)上大多都使用的是電動閥,但是在某些要求快速關啟的關路上和油管,易燃易爆氣體,化工危險品管路上還是使用氣

18、動閥。且因為單片機直接輸出電氣信號,根據(jù)整個系統(tǒng)設計的需要電動調節(jié)閥更為合適。（六）水泵定義：通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機的機械能變?yōu)橐后w能量從而達到抽送液體目的的機器統(tǒng)稱為泵。分類：根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類型。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量；葉片泵是利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量,有離心泵、軸流泵和混流泵等類型。工作原理：1 、容積式泵: 利用工作腔容積周期變化來輸送液體。 2 、葉片泵 : 利用葉片和液體相互作用來輸送液體選擇：實驗設計中要求水箱高度為600mm,離地200mm,設備離地30mm,所以最大吸程應大于600+20

19、0-30=770mm,根據(jù)這一要求及其它電器、安全等要求,選擇ASP系列的水泵,如下圖所示：6.2.3 硬件電路設計系統(tǒng)原理圖及其說明(一)報警電路下列四種情況發(fā)生系統(tǒng)報警：1)當水箱達到上限極限水位時報警,箱內的水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；圖2-3復位電路2) 當水箱達到下限極限水位時報警,箱內的水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警； （二） 復位電路8051的復位方式可以是自動復位,也可以是手動復位,見圖2-3。此外,RESET/Vpd還是一復用腳,Vcc掉電期間,此腳可接上備用電源,以保證單片機內部RAM的數(shù)據(jù)不丟失, 此設計采用自動復位電路。（三） 鍵盤顯示電路 鍵盤顯示電路主要

20、是實現(xiàn)液位設定值的輸入和顯示實時液位的效用。鍵盤接口及其軟件的設計任務主要包括：是否有鍵按下的檢測并判斷鍵值,有操作則進行延時去消抖,并根據(jù)鍵值計算出調整量送執(zhí)行機構開啟進水或排水閥,進行一系列的動作處理和執(zhí)行。本系統(tǒng)采用4行4列的16鍵行列式鍵盤,占用單片機P1口的8個端口。顯示采用12864液晶顯示當前液位測量值。原理圖7 軟件設計7.1軟件設計思想水位檢測是通過四對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,實時對水箱里的水位進行檢測。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

21、,具有較高的性價比,有較大的工程應用價值,而且利用計算機與組態(tài)軟件技術對水箱進行自動控制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：通過對水箱的液位進行有效控制,實現(xiàn)了在無人條件下,水箱自動儲水的效用。7.2軟件流程圖：開始系統(tǒng)各模塊初始化（如1602等）液位傳感器監(jiān)測液位液位達到設定值1值開啟舵機,將舵機達到最大角度即180度液位達到水箱液位80%液位達到設定值2值將舵機調到90度關閉舵機,將舵機調到0度是是是否否結束1602顯示液位等信息液位達到設定值3報警8 系統(tǒng)調試系統(tǒng)整體裝置如下系所示：8.1分模塊調試 首先調試各個模塊：蜂鳴器、液位傳感器、液晶和舵機,其中蜂鳴器的效用是能夠清晰、良好的將需放

22、的聲音釋放出來；液位傳感器和液晶是連在一起調試的,主要實現(xiàn)液晶正確顯示監(jiān)測液位信息；舵機模塊的調試主要是運行程序觀看舵機轉動的角度。每一個模塊調試無誤后將所有模塊聯(lián)合在一起。8.2整體調試 將系統(tǒng)的各個模塊聯(lián)合在一起,系統(tǒng)調試,并在容器內加上水,使系統(tǒng)運行,觀看液晶及水的流速及蜂鳴器的發(fā)音現(xiàn)象,液晶顯示正確的液位信息。9設計總結雖然這是一個簡易的系統(tǒng),但是具體著手去做這個實驗發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)非常復雜,特別是在元器件的選型、具體細節(jié)的實施及其參數(shù)的設定方面,不知道如何下手,經過幾天的分析討論,才有了一些認知。所以在這次在報告中水箱液位控制系統(tǒng)的理論分析有可能存在不合理的地方,以后會多多注重這方面的訓

23、練,好好努力的。本系統(tǒng)主要介紹了水箱的液位檢測控制,紹了8051單片機和其它一些單片機在水箱控制系統(tǒng)中的應用,介紹了它們的引腳和在系統(tǒng)中的電路圖,本設計還采用了傳感器來對液位的信號采集,利用LCD來進行信號的輸出顯示,我設計的硬件系統(tǒng)的結構簡化,系統(tǒng)精度高,具有良好的人機交互效用,并設有液位報警和閥門失靈等故障報警,有問題立即就能發(fā)現(xiàn)。液位控制在設定值上正常運行不需要人工干預,操作人員勞動強度小。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,本控制系統(tǒng)采用的是控制,采用單片機設計出的工業(yè)水箱控制器,能夠針對汽包水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行控制,汽包水位運行穩(wěn)定、控制品質良好、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)水箱的穩(wěn)定運行。控制裝置具有成本低、抗干擾能力強、控制性能好等優(yōu)點,且系統(tǒng)硬、軟件維護簡單方便,尤其適用于工業(yè)控制現(xiàn)場,具有良好的應用前景。10 心得體會在液位控制系統(tǒng)設計過程中,王老師給了我們細致的指導,特別是有關于原理的敘述,設計的可行性,以及設計的難度的準確的分析和把握,使我們能在有限的時間中完成設計,使我們