液位檢測與控制試驗系統(tǒng)設(shè)計

/液位檢測和限制試驗系統(tǒng)設(shè)計1.發(fā)呈現(xiàn)狀：液位檢測在許多限制領(lǐng)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，這各種方法都依據(jù)其須要設(shè)計完成，其結(jié)構(gòu)、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(shè)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(chǎn)經(jīng)常涉及到各種液位和流量的限制問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應(yīng)，溶液過濾，污水處理，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程，通常要運用蓄液池。蓄液池中的液位須要維持合適的高度，太滿簡潔溢出造成奢侈，過少則無法滿足需求。因此，須要設(shè)計合適的限制器自動調(diào)整蓄液池的進出流量，使得蓄液池內(nèi)液位保持正常水平，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)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限制問題。因此液位是工業(yè)限制過程中一個重要的參數(shù)。特殊是在動態(tài)的狀態(tài)下，接受適合的方法對液位進行檢測、限制，能收到很好的生產(chǎn)效果。高老師也進行了多次的試驗得出了一些相關(guān)的數(shù)據(jù)，水箱液位限制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用特殊長廣泛，可以把一個困難的液位限制系統(tǒng)簡化成一個水箱液位限制系統(tǒng)來實現(xiàn)。所以就選擇了該題目的設(shè)計。由于液位檢測應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動限制成為其今后的發(fā)展趨勢，限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)控計算機上能依據(jù)限制效果剛好修運行參數(shù)，這樣能有效地削減工人的乏累和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、平安性。隨著計算機限制技術(shù)應(yīng)用的普及、牢靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機限制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。所以，我們在此設(shè)計了這個簡易的監(jiān)測系統(tǒng)，一方面，節(jié)約了大量的經(jīng)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相識，還促進了我們對于系統(tǒng)各個部分的深刻剖析，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(shè)計目的：此次設(shè)計的思想來源于中學生活的一段閱歷：中學時期，由于供水設(shè)施的技術(shù)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?nèi)粘Ｓ盟亩倘?，我們一般選擇在用水不是很驚惶的中午午睡時，或是晚上熄燈以后往儲水的水桶里接滿水，以備隨時運用。所以，為了解決這個問題，我們可以設(shè)計一個自動監(jiān)測液位的裝置，并由單片機來限制舵機的開斷。液位傳感器隨時監(jiān)測水箱的液位狀況，并依據(jù)液位的不同，限制舵機的開斷。當液位低于確定值時，單片機限制變頻器，進而驅(qū)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，單片機限制變頻器，進而驅(qū)動舵機使流速減?。划斠何桓哂诖_定值時，單片機限制舵機，關(guān)緊舵機，停止儲水。3.關(guān)鍵詞：AT89S52、液位傳感器、調(diào)整閥、變頻器、水泵4.試驗?zāi)康模和ㄟ^設(shè)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運用的場合和條件，更加清楚地知道各種儀表在自動化過程限制中的應(yīng)用。通過本次獨立的完成系統(tǒng)設(shè)計培育一種嚴密、整體的思維實力，以及獨立完成各種工作的實力。5.試驗要求：（1）上位水箱通過水泵供水，通過變頻器限制舵機的轉(zhuǎn)速；（2）通過查閱相關(guān)設(shè)備手冊或上網(wǎng)查詢，選擇液位傳感器、調(diào)整器、調(diào)整閥、變頻器、水泵等設(shè)備（包括設(shè)備名稱、型號、性能指標等）；（3）設(shè)備選型要有確定的理論計算；（4）用所選設(shè)備構(gòu)成試驗系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；（5）列出所能開設(shè)的試驗，并寫出試驗?zāi)康摹⒉襟E、要求。6.試驗步驟：6.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計一個完整的檢測限制系統(tǒng)框圖如下：被控對象變送器被控對象變送器調(diào)整器執(zhí)行器顯示打印6.1.1限制方案本設(shè)計是接受8051單片機為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的水箱液位限制系統(tǒng),運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),實施報警平安提示,當水箱液位低于用戶設(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，開水閥限制系統(tǒng)就會自動報警，提示工作人員留意，加水舵機有可能出故障；其次個位置是自動停止加水線，即當水位高于此位置時，限制系統(tǒng)會自動關(guān)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，限制系統(tǒng)會自動調(diào)整舵機角度，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，提示工作人員留意，加水舵機可能出故障，舵機角度達到最大，自動加大流速限制。6.1.2、系統(tǒng)總體框圖單片機單片機液位傳感器LCD、工作顯示變頻器舵機Ⅹ6.2硬件設(shè)計6.2.1硬件設(shè)計概要系統(tǒng)的原理是接受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限制,通過四對傳感器分別安裝在水箱內(nèi)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(zhuǎn)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)及報警平安提示。用LCD顯示是因為它具有顯示清楚、亮度高、可顯示漢字、界面人性化等特點，依據(jù)當前的液位值和用戶設(shè)定的水位確定是否進行開、關(guān)舵機及舵機開的角度的大小,須要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機。系統(tǒng)按功能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(zhuǎn)換為系統(tǒng)正常工作運用的+5V電源，接受雙電源工作。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全部電路供電，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)采集和處理模塊：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。同時限制整個系統(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(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)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)運行異樣指示。LCD顯示實現(xiàn)當前液面位置顯示、不同功能狀態(tài)下內(nèi)容顯示。這些都保證了用戶能夠簡潔快捷的設(shè)定、運用和維護傳感器，提高用戶的操作體驗。下圖是水箱液位限制系統(tǒng)。限制限制執(zhí)行裝置MCULCD顯示報警裝置傳感器圖2-1水箱液位限制系統(tǒng)由上圖可視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單片機的運算限制，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(diào)整限制,閥門的驅(qū)動設(shè)備是舵機。6.2.2硬件選型（一）核心芯片8051單片機圖5-1單片機管腳圖圖5-1單片機管腳圖整個系統(tǒng)限制部分以ATMEL公司的8051為核心芯片，限制信號采集、處理、輸出三個過程。這種芯片內(nèi)置4KEPROM，因為系統(tǒng)要求限制線較多，假如接受8031外置EPROM程序限制結(jié)構(gòu)，則造成限制線不夠；而8051卻可以利用P0、P2口作限制總線，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)，并可以干脆限制鍵盤參數(shù)輸入、LCD數(shù)據(jù)顯示，便利現(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。內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能五個中斷源的中斷限制系統(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和微機之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容須要外接。最高振蕩頻率為12Mhz。我們可以將相應(yīng)的PID調(diào)整程序?qū)懭?051單片機的程序存儲器，將設(shè)定值由鍵盤輸入到單片機后，和傳感器采集的值進行比較后執(zhí)行相應(yīng)的調(diào)整程序。8051實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如下：（二）液位傳感器在水箱液位限制系統(tǒng)中,傳感器的選擇是特殊重要的,傳感器是能感受規(guī)定的被測量,并依據(jù)確定的規(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,它的性能干脆影響到整個檢測系統(tǒng),對檢測精確度起著重要的作用。傳感器的種類許多,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：其計算困難，轉(zhuǎn)換電路困難，需運用555振蕩電路來完成頻率的轉(zhuǎn)換、液位的測量。對于接地電容傳感器，一般的被動屏蔽（防護罩連接地面）是不合適的，因為電纜的附加電容和電容器的電容同時存在，而且電纜的附加電容能夠遠大于由于環(huán)境條件引起的傳感器的電容。為了削減這種附加電容的影響，接地電容式傳感器一般接受有緣屏蔽技術(shù)連接到接口電路，價格昂貴，技術(shù)要求較高。方案二：運用發(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潔，更為重要的是，其為數(shù)字式傳感器，可將檢測液位信號轉(zhuǎn)換為凹凸電平，易于和主限制器單片機相連，進行相應(yīng)限制。尤其是報警限制，運用蜂鳴器即可，硬件電路設(shè)計簡潔易懂，故障解除便利，易于實現(xiàn)系統(tǒng)報警限制。因此，本設(shè)計主要接受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限制,在把檢測的電信號輸入到單片機進行分析,這個設(shè)計的重點是液位的限制,所以下面我要對液位傳感器進行設(shè)計。接受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(diào)速范圍廣，過載、啟動轉(zhuǎn)矩大，易于限制，牢靠性高，調(diào)速時的能量損耗小，但是一般用在調(diào)速較高的場所。方案二：步進電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變更的影響，線性關(guān)系不好，只有周期性的誤差而無累積誤差，除此之外，限制簡潔。方案三：舵機結(jié)構(gòu)緊湊、易安裝調(diào)試、限制簡潔、大扭力，是位置伺服電機，但是舵機適用于那些須要角度不斷變更并能夠保持的限制系統(tǒng)。綜上所述：選用方案三用舵機進行限制容器的開啟。圖5-3ADC0809管腳圖（四）ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器圖5-3ADC0809管腳圖圖5-4自動報警電路ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及和微型計算機兼容的限制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次靠近型。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，以及一個逐次靠近型寄存器。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器限制，可以在8個通道中隨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，所以它易于和微型計算機接口。圖5-4自動報警電路AD轉(zhuǎn)換電路在限制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該限制器接受CMOS工藝制造的逐步靠近式8位AD轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在運用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制AD轉(zhuǎn)換程序。圖6是AD轉(zhuǎn)換部分原理圖，在接線時先經(jīng)過運算放大器和分壓電把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后輸入到AD轉(zhuǎn)換器。DA轉(zhuǎn)換器則接受DAC0832.

（五）調(diào)整閥調(diào)整閥又稱限制閥，它是過程限制系統(tǒng)中用動力操作去變更流體流量的裝置。調(diào)整閥由執(zhí)行機構(gòu)和閥（調(diào)整機構(gòu)）組成。執(zhí)行機構(gòu)是將限制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動作來限制閥內(nèi)截流件的位置或其他調(diào)整機構(gòu)的裝置。信號或驅(qū)動力可以為氣動、電動、液動或這三者的隨意組合。閥是調(diào)整閥的調(diào)整部分，它和介質(zhì)干脆接觸，在執(zhí)行機構(gòu)的推動下，變更閥芯和閥座之間的流通面積，從而達到調(diào)整流量的目的。分類：以壓縮空氣為動力源的調(diào)整閥稱為氣動調(diào)整閥；以電為動力源的調(diào)整閥則為電動調(diào)整閥。這兩種是用得最多的調(diào)整閥。此外，還有液動調(diào)整閥、智能閥、調(diào)整閥等。電動調(diào)整閥和氣動調(diào)整閥的對比電動調(diào)整閥優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡潔，應(yīng)用范圍廣，調(diào)整過程可控性好，行程精確。缺點是可能產(chǎn)生電火花，或者靜電火花。氣動調(diào)整閥的優(yōu)點是動作快速，能夠快速的完成調(diào)整叮囑，且平安，不會產(chǎn)生電火花。但缺點是限制困難，造價高，結(jié)構(gòu)困難。所以調(diào)整上大多都運用的是電動閥，但是在某些要求快速關(guān)啟的關(guān)路上和油管，易燃易爆氣體，化工緊急品管路上還是運用氣動閥。且因為單片機干脆輸出電氣信號，依據(jù)整個系統(tǒng)設(shè)計的須要電動調(diào)整閥更為合適。（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：依據(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更來傳遞能量；葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片和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更來輸送液體。2、葉片泵:利用葉片和液體相互作用來輸送液體選擇：試驗設(shè)計中要求水箱高度為600mm，離地200mm，設(shè)備離地30mm，所以最大吸程應(yīng)大于600+200-30=770mm，依據(jù)這一要求及其它電器、平安等要求，選擇ASP系列的水泵，如下圖所示：6.2.3硬件電路設(shè)計系統(tǒng)原理圖及其說明(一)報警電路下列四種狀況發(fā)生系統(tǒng)報警：1)當水箱達到上限極限水位時報警，箱內(nèi)的水位到達上限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；圖2-3復(fù)位電路2)當水箱達到下限極限水位時報警，箱內(nèi)的水位到達下限極限水位時系統(tǒng)發(fā)出報警；圖2-3復(fù)位電路（二）復(fù)位電路8051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/Vpd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)計接受自動復(fù)位電路。（三）鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路主要是實現(xiàn)液位設(shè)定值的輸入和顯示實時液位的功能。鍵盤接口及其軟件的設(shè)計任務(wù)主要包括：是否有鍵按下的檢測并推斷鍵值，有操作則進行延時去消抖，并依據(jù)鍵值計算出調(diào)整量送執(zhí)行機構(gòu)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)接受4行×4列的16鍵行列式鍵盤，占用單片機P1口的8個端口。顯示接受12864液晶顯示當前液位測量值。原理圖7軟件設(shè)計7.1軟件設(shè)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)所運用的傳感器性能穩(wěn)定,測量精確,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,而且利用計算機和組態(tài)軟件技術(shù)對水箱進行自動限制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：通過對水箱的液位進行有效限制，實現(xiàn)了在無人條件下，水箱自動儲水的功能。7.2軟件流程圖：起先起先系統(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(shè)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(shè)定值2值將舵機調(diào)到90度關(guān)閉舵機，將舵機調(diào)到0度是是是否否結(jié)束1602顯示液位等信息液位達到設(shè)定值3報警8系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)整體裝置如下系所示：8.1分模塊調(diào)試首先調(diào)試各個模塊：蜂鳴器、液位傳感器、液晶和舵機，其中蜂鳴器的功能是能夠清楚、良好的將需放的聲音釋放出來；液位傳感器和液晶是連在一起調(diào)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(diào)試主要是運行程序觀看舵機轉(zhuǎn)動的角度。每一個模塊調(diào)試無誤后將全部模塊聯(lián)合在一起。8.2整體調(diào)試將系統(tǒng)的各個模塊聯(lián)合在一起，系統(tǒng)調(diào)試，并在容器內(nèi)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(shè)計總結(jié)雖然這是一個簡易的系統(tǒng)，但是具體著手去做這個試驗發(fā)覺整個系統(tǒng)特殊困難，特殊是在元器件的選型、具體微小環(huán)節(jié)的實施及其參數(shù)的設(shè)定方面，不知道如何下手，經(jīng)過幾天的分析探討，才有了一些認知。所以在這次在報告中水箱液位限制系統(tǒng)的理論分析有可能存在不合理的地方，以后會多多留意這方面的訓練，好好努力的。本系統(tǒng)主要介紹了水箱的液位檢測限制，紹了8051單片機和其它一些單片機在水箱限制系統(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)計還接受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(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，有問題立刻就能發(fā)覺。液位限制在設(shè)定值上正常運行不須要人工干預(yù)，操作人員勞動強度小。該系統(tǒng)硬件系統(tǒng)完全，但系統(tǒng)的運算和限制必需靠軟件支持，本限制系統(tǒng)接受的是限制，接受單片機設(shè)計出的工業(yè)水箱限制器,能夠針對汽包水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行限制,汽包水位運行穩(wěn)定、限制品質(zhì)良好、限制效果明顯改善;同時大大提高了限制系統(tǒng)的抗干擾實力,保證了工業(yè)水箱的穩(wěn)定運行。限制裝置具有成本低、抗干擾實力強、限制性能好等優(yōu)點,且系統(tǒng)硬、軟件維護簡潔便利,尤其適用于工業(yè)限制現(xiàn)場,具有良好的應(yīng)用前景。10心得體會在液位限制系統(tǒng)設(shè)計過程中，王老師給了我們細致的指導，特殊是有關(guān)于原理的敘述，設(shè)計的可行性，以及設(shè)計的難度的精確的分析和把握，使我們能在有限的時間中完成設(shè)計，使我們受益匪淺。首先，自學實