液面自動控制裝置

1、液位自動控制裝置摘要本系統(tǒng)采用分布式微機控制系統(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+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，誤差不超過土0.3 cm。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個從站進行定點或巡 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

2、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，運行平穩(wěn)，控制精度較高，完全達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，單片機根據(jù)鍵盤輸入的功能要求，單片機通過控 制電磁閥1、2來提升或降低液面高度達到設(shè)定值，根據(jù)題意整體規(guī)劃主站的

3、系統(tǒng)如圖（1） 所示。圖（1）單片機儲液瓶A儲液瓶B液位檢測 傳感裝置 和處理裝 置聲光報警顯示器鍵盤電磁閥驅(qū)動裝置2電磁閥驅(qū) 動裝置1電源電磁_閥2電磁_閥12、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 進行控制。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

4、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。方案一：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，本題采用的進出水管較細，進出水速度合適，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，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行

5、采集。（2）電容信號采集方案的選擇和設(shè)計方案一：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。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，來進行設(shè)置所對應(yīng)的液面的頻率就能對所要求的 高度進行任意控制，這樣的

6、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一：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來檢測信號頻率。單片機處理信號操作簡單，對信號處 理和控制能力強，能夠達到題目要求的精度，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)定單片機的定時器1記數(shù)，

7、定時器0定時，每秒產(chǎn)生225個定時中斷，單片機每秒測 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)計方案一：采用矩陣式鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點是當(dāng)按鍵較多時 可降低占用單片機的I/O 口數(shù)目，缺點為電路復(fù)雜且會加大編程難度。方案二： 采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根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。缺點為當(dāng)按鍵較多時占用單片機的I/O 口數(shù)目較多，優(yōu)點為電路設(shè)計簡單，且編程相對比較容易。綜合考慮

8、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)碼管原理圖來進行說明，如圖（6）所示：圖（6）4、電源設(shè)計由于我們使用的單片機系統(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)計當(dāng)液面高度大于25cm或小于2 cm時，單片機發(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

9、光電隔離器件TLP521-4和達林頓驅(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：圖（9）四、系統(tǒng)軟件設(shè)計 1、主程序流程 IN1OUT1 IN2OUT2 IN3OUT3 IN4OUT4 IN5OUT5 IN6OUT6 IN7OUT7IN8CCWOUT8ULN280318CONOUT0CONOUT1馳 DN4007I章D2 1N4007圖（10）2、頻率測量子程序（1）、頻率測量

10、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。為了準確測量這個頻率，使用了 8051單片機的兩個 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)，這樣就能夠準確測量出實際頻率來。（2）、頻率測量子程序流程圖: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，達到題目要求。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

11、通力協(xié)作，團結(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。在教師節(jié)來臨之際，我們?nèi)w成員祝所有評審老師和輔導(dǎo)教員節(jié)日快樂。 回想這四天三夜，短暫而充實，就我個人而言，我在許多方面都有了明顯進步和收獲，無論 是拼搏精神還是團隊精神都是對我一生都是一筆豐富的財富。所以這次競賽無論能否取得好 名次，我都不會有遺憾，我會繼續(xù)發(fā)揚這四天三夜的精神，在以后的日子里更加努力地提高 自己、充實自己。同時，我希望我們在這四天三夜的努力有所肯定，希望我們能站在領(lǐng)獎臺 上。徐淑華教授點評：該設(shè)計以單片機為核心，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。所采用的全自動洗衣機用電容式液位傳感器使用方 便，性價比高，測試