儲水罐液位控制系統(tǒng)設(shè)計

/計算機限制系統(tǒng)課程設(shè)計說明書儲水罐液位限制系統(tǒng)設(shè)計學生姓名學院名稱學號班級專業(yè)名稱指導老師2014年6月3日摘要本文主要設(shè)計了一種液位限制器，它以8051作為限制器，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限制雙重功能，并對液位值進行顯示。本系統(tǒng)是基于單片機的液位限制，在設(shè)計中主要有水位檢測、按鍵限制、水位限制、顯示部分、故障報警等幾部分組成來實現(xiàn)液位限制。主要用水位傳感器檢測水位，用六個限制按鍵來實現(xiàn)按健限制，用三位7段LED顯示器來完成顯示部分，用變頻器來限制循環(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。把這些信號和單片機中內(nèi)部設(shè)定的值相比，以推斷單片機是否須要進行相應的操作，即是否須要開啟補水泵或排水泵，來實現(xiàn)對液面的限制，從而實現(xiàn)單片機自動限制液面的目的。本設(shè)計用單片機限制，易于實現(xiàn)液位的限制，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、修理便利、等優(yōu)點。關(guān)鍵詞8051單片機；模數(shù)轉(zhuǎn)換；水位限制；自動限制目錄1緒論 11.1課題背景 11.2國內(nèi)外探討的現(xiàn)狀 11.3題目說明 21.4系統(tǒng)的總體探討方案 3系統(tǒng)硬件總體方案 31.4.2系統(tǒng)軟件總體方案 32限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和工作原理 42.1結(jié)構(gòu)框圖 42.2工作原理 43系統(tǒng)模型的建立 54系統(tǒng)硬件設(shè)計 74.1微限制器選擇 74.1.180C51電源 74.1.280C51時鐘 74.1.380C51限制線 74.1.480C51I/O接口 84.2A/D轉(zhuǎn)換器選擇 94.3D/A轉(zhuǎn)換的選擇 104.4傳感器和執(zhí)行機構(gòu)選型設(shè)計 11液位限制系統(tǒng) 11液位傳感器設(shè)計 124.580C51單片機外圍電路設(shè)計 13復位電路 13自動報警電路 13振蕩電路 14數(shù)碼管顯示電路 144.6水泵選擇及其電路的設(shè)計 15水泵選擇 154.6.2電機驅(qū)動電路的設(shè)計 155系統(tǒng)軟件的設(shè)計 165.1軟件設(shè)計流程圖 165.2軟件主函數(shù) 175.3電路圖和仿真圖 186結(jié)論 20參考文獻 21附錄 22附錄1 22附錄2 231緒論1.1課題背景液位限制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的限制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多地方須要對容器內(nèi)的介質(zhì)進行液位限制，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)定對窯爐的運用壽命和產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。液位限制一般指對某一液位進行限制調(diào)整，使其達到所要求的限制精度。液體的液位的自動限制，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、自動限制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，工程作業(yè)采納的是微機限制和原有的儀表限制，微機限制有以下明顯優(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、在運行中可以隨時便利的修改各種各樣的運行參數(shù)的限制值，并修改系統(tǒng)的限制參數(shù)，可以便利的變更液位的上限、下限。3、具有水體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疲憊和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、平安性綜合以上的種種優(yōu)點可以預見采納計算機限制系統(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用領(lǐng)域日益廣泛。一般工業(yè)限制系統(tǒng)的工作環(huán)境差、干擾強，利用單片機限制就能克服這些缺點，因此單片機在限制領(lǐng)域得到廣泛的應用，運用單片機限制液體液位是很好的選擇。1.2國內(nèi)外探討的現(xiàn)狀目前我國在單片機測控裝置探討、生產(chǎn)、應用中，取得了很大的成果，總結(jié)了許多閱歷，但是各行業(yè)仍處于發(fā)展期，經(jīng)調(diào)查，更多科探討所在這方面開展的工作更看重的是理論和算法，數(shù)年來這方面的探討的論文較多，著重生產(chǎn)實際的很少。在上海，新型的單片機測控裝置和系統(tǒng)探討的生產(chǎn)基礎(chǔ)較雄厚，在生產(chǎn)過程中須要新型的測控裝置和系統(tǒng)，因此在不斷的努力探討和開發(fā)。上海的工程技術(shù)探討人員更著重的是生產(chǎn)實際探討，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和系統(tǒng)領(lǐng)域也比較有成就，盡管和其他國家比較尚有差距，但是，深圳的高校、探討院所的最大的特點就是實際，和生產(chǎn)實際應用項目無關(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，和機器設(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)探討、制造和應用上，已積累了許多閱歷，奠定了基礎(chǔ)，進入了國際市場。我國在新型測控裝置和系統(tǒng)探討、制造、應用和閱歷上，和其他發(fā)達國家相比還存在差距，但是我國的探討人員已經(jīng)克服許多困難，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題目說明被控系統(tǒng)為一儲水罐。系統(tǒng)如圖1-1所示，儲水罐內(nèi)為清水，下部設(shè)有出水管，流量記為Q2。儲水罐通過水泵將清水池內(nèi)的清水補入罐內(nèi)，流量記為Q1，清水池內(nèi)的水位可視為固定值2米（即在儲水罐補水過程中液位不變更）。已知儲水罐的截面積A=1平方米，高度H=2米，要求限制目標液位高度為1米。圖1-1蓄水罐液位限制系統(tǒng)要求：1、限制系統(tǒng)調(diào)整時間ts≤2分鐘，超調(diào)量≤10%。2、設(shè)計人機接口實時顯示。1.4系統(tǒng)的總體探討方案本設(shè)計是采納8051單片機為核心芯片，及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的水體液位限制系統(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)，實施報警平安提示，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。系統(tǒng)硬件總體方案系統(tǒng)的原理是采納發(fā)光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)及報警平安提示。用LED顯示是因為它具有顯示清楚、亮度高、運用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長等特點。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)水泵，須要是否開啟和關(guān)閉驅(qū)動閥門的電動機。系統(tǒng)軟件總體方案水位檢測是通過四對由發(fā)光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；反之，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，加水電磁閥有可能出故障；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，限制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，起先加水；第四個位置是當水位低于此位置時，限制系統(tǒng)就會自動報警，提示工作人員留意，加水電磁閥可能出故障。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，有較大的工程應用價值。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對水體液位進行的簡易便利的操縱，可以精確得限制水泵進行添加水或放水以適應工作的須要，操作簡潔，經(jīng)濟效益好。其次，水體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疲憊和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、平安性。隨著計算機限制技術(shù)應用的普及、牢靠性的提高及價格的下降，工業(yè)以及其他方面的微機限制必將得到更加廣泛的應用。2限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和工作原理2.1結(jié)構(gòu)框圖將模擬過程限制系統(tǒng)中的限制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的基于計算機的限制系統(tǒng)。水箱液位水箱液位設(shè)定值+反饋值限制器D/A電動閥儲水罐A/D液位傳感器_圖2-1結(jié)構(gòu)框圖2.2工作原理打開電源、啟動抽水泵后，水箱液位起先上升，液位傳感器實時采集液位數(shù)據(jù)，并將所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送至比較器和設(shè)定值（1m）比較，限制器依據(jù)比較結(jié)果輸出相應限制值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后，驅(qū)動限制電動調(diào)整閥開度，從而調(diào)整水箱液位。水位檢測是通過四對由高亮度發(fā)光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，開水閥限制系統(tǒng)就會自動報警，提示工作人員留意，加水電磁閥有可能出故障；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，限制系統(tǒng)會自動接通加水電磁閥，起先加水；第四個位置是水位下限報警線，即當水位低于此位置時，限制系統(tǒng)就會自動報警，提示工作人員留意，加水電磁閥可能出故障。3系統(tǒng)模型的建立此系統(tǒng)是一個典型的一階系統(tǒng)。儲水罐相當于一個流體容器，由物質(zhì)守恒可以得到：式（2.1）式中——表示儲水罐中保留的水量；——表示流入儲水罐的水量； ——表示流出儲水罐的水量。假設(shè)是儲水罐的橫截面積，為儲水罐中水位的高度則式（2.1）可寫成：式（2.2）出水流量取決于儲水罐的流量系數(shù)，儲水罐的液位高度，儲水罐的出水口面積，和重力常數(shù)。即：式（2.3）式中——表示儲水罐出口的流量系數(shù)； ——表示儲水罐的出水口面積； ——表示重力常數(shù)（9.8m/s2）。結(jié)合式（2.2）、式（2.3）我們能得到:式（2.4）假設(shè)是個常數(shù)則出水流量將達到一個穩(wěn)態(tài)值，水位高度也將能達到一個恒定值。式（2.5）我們假設(shè)有個小的擾動值，我們能得到：式（2.6）同時液位高度也將會有小的擾動：式（2.7）將式（2.6）、式（2.7）帶入式（2.4）我們可以得到：式（2.8）應用泰勒級數(shù)將式（2.8）線性化，泰勒級數(shù)：式（2.9）取泰勒級數(shù)第一級得到：式（2.10）將式（2.8）用式（2.10）線性化后得到：式（2.12）對式（2.12）進行拉普拉斯變換，我們可以得到：式（2.13）帶入數(shù)據(jù)可得：式（2.14）電機的電氣方程： 式（2.15）電機的機械方程： 式（2.16）式中——表示電機電勢系數(shù)；——表示電樞電阻；——表示電樞電壓；——表示電樞電流；——表示電樞電感；——表示折算到軸上的轉(zhuǎn)動慣量；——表示電動機電磁轉(zhuǎn)矩；——表示負載轉(zhuǎn)矩； 將式式（2.15）、式（2.16）式進行拉式變換可以得到轉(zhuǎn)速和輸入電壓的傳遞函數(shù)：電機閱歷公式：得出該電機的傳遞函數(shù)為：4系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1微限制器選擇此設(shè)計采納Ateml80C51作為限制芯片。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)計采納的核心芯片是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：運算器和限制器，它執(zhí)行對輸入信號的分析和處理。每片80C51包括：一個8位的微型處理器CPU；128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM；4KB片內(nèi)程序存儲器ROM；四個8位并行的I/O接口P0-P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數(shù)器；五個中斷源的中斷限制系統(tǒng)；一個全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容須要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個部分通過內(nèi)部總線相連接。整個系統(tǒng)電控部分以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4KROM，因為系統(tǒng)要求限制線較多，假如采納8051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LED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?，F(xiàn)在介紹下在此設(shè)計中用到的引腳：單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、限制和I/O引腳。4.1.180C51電源VCC-芯片電源，接+5V；VSS-接地端；4.1.280C51時鐘XTAL1、XTAL2-晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。4.1.380C51限制線ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖ALE功能：用來鎖存P0口送出的低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讀選通信號。RST/VPD:復位/備用電源。RST（Reset）功能：復位信號輸入端。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。4.1.480C51I/O接口P0口（39腳～32腳）：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。當不接外部存儲器和不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時復用口。它分時供應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，可作為準雙向I/O接口運用。對于MCS—52子系列單片機，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部限制端T2EX。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P0口接收輸入的低8位地址。P2口（21腳～28腳）：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的8位地址。P3口（10腳～17腳）：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。引腳圖見圖4-1。圖4-18051引腳圖4.2A/D轉(zhuǎn)換器選擇本設(shè)計采納ADC0808作為A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0808是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的限制邏輯的CMOS組件。它是逐次靠近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機干脆接口。ADC0808轉(zhuǎn)換器引腳介紹（引腳圖見圖4-2）：IN0~IN7：8路模擬量輸入端。OUT1~OUT8：8位數(shù)字量輸出端。AL：:地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0808復位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間始終為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。VREF（+）和VREF（-）：參考電壓輸入端。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路模擬輸入中的一路，通道選擇表如表3-3所示。留意事項：輸出端out8為最低位out1為最高位，和單片機連接是要留意。表4-1通道選擇ADDCADDBADDA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7下圖為ADC0809芯片的引腳圖：圖4-2ADC0809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。4.3D/A轉(zhuǎn)換的選擇D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)是應用系統(tǒng)后向通道典型應用技術(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)字輸入碼和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)換芯片的選擇和應用問題。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)換成相應的模擬量。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的基本方法是對應于二進制的每一位，產(chǎn)生一個相應的電流，而這個電流的大小正比于相應的二進制位的權(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)字量限制的電子開關(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限制，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)各支路的電阻值和二進制數(shù)據(jù)D7～DO的“權(quán)”相對應，“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確定于輸入數(shù)字量的值(0或1)因此，總電流為：該總電流經(jīng)電流轉(zhuǎn)換器后有:其中式(4-1)由式（4-1）看出，盡管運用的網(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、辨別率。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。辨別率為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。2、相對精度。在滿刻度已校準的前提下，在整個刻度范圍內(nèi)，對于任一數(shù)碼的模擬量輸出和它的理論值之差。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)字變更量是滿刻度時，達到終值±LSB／2所須要的時間，通常為幾十納秒至幾微秒。4、非線性誤差。通常給出在肯定溫度下的最大非線性度，一般為0.l％～0.03％。其工作過程是：比較起先時，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、比較推斷。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依據(jù)該方法進行比較和調(diào)整，無論哪種狀況，均應接著比較下一位，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當取走，明顯對于n位的轉(zhuǎn)換器，總共須要重復這種過程n次。4.4傳感器和執(zhí)行機構(gòu)選型設(shè)計液位限制系統(tǒng)廣泛的液位限制系統(tǒng)包括對水體的液位，壓力等的限制，本系統(tǒng)只側(cè)重于介紹液位的限制。液位限制是利用由高亮度發(fā)光二極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)干脆接到單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算限制，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和限制；下圖即是液位限制系統(tǒng)：單片機單片機傳感器報警裝置LED顯示限制執(zhí)行裝置圖4-3基于單片機的液位限制系統(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)整限制，閥門的驅(qū)動設(shè)備是電動機。液位傳感器設(shè)計在液體液位限制系統(tǒng)中，傳感器的選擇是特別重要的，傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并依據(jù)肯定的規(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。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更。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，放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。這些小而堅實的白熾燈傳感器就是今日光電傳感器的雛形。本設(shè)計主要采納的是由高亮度發(fā)光二極管和光敏三級管所組成的光電傳感器來對液位進行限制，在把檢測的電信號通過ADC0809輸入到單片機進行分析，在由LED進行顯示和鍵盤限制，實行對液位的報警。本次設(shè)計采納的是四對高亮度發(fā)光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：圖4-4液位傳感器4.580C51單片機外圍電路設(shè)計4.5.1復位電路80C51單片機有一個復位引腳RST，高電平有效。在時鐘電路工作以后，當外部電路使得RST端出現(xiàn)兩個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平，系統(tǒng)內(nèi)部復位。復位方式有兩種：上電復位和按鈕復位。本設(shè)計選用按鈕復位，因為遇到特別狀況系統(tǒng)出錯，可以剛好復位保證系統(tǒng)損失減到最低。復位電路如圖4-2所示。圖4-580C51按鈕復位電路復位是通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌踔禒顟B(tài)操作，AT89S51單片機在時鐘電路工作以后，在RST端持續(xù)給出兩個機器周期的高電平就可以完成復位操作。復位分為上電復位和按鍵手動復位兩種方式分別如圖2-5，圖2-6。AT89S51單片機復位狀態(tài)見附錄一。自動報警電路下列二種狀況發(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。圖4-6水位報警電路4.5.3振蕩電路單片機時鐘信號有兩種方式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。引腳XTAL1和XTAL2引腳上外接晶振構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖，本限制器采納12MHZ的晶振其電路圖如圖4-8：圖4-7晶振電路4.5.4數(shù)碼管顯示電路顯示部分我采納三位7段LED顯示器，LED顯示器是單片機應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楚、亮度高、運用電壓低、光電轉(zhuǎn)換效能高、壽命長的特點。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，顯示牢靠；缺點是運用元件多，且線路比較困難，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須要一個八位輸出限制，我的設(shè)計就是采納的就是動態(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，仍感覺到全部的器件都“同時”顯示。這種顯示方法的優(yōu)點是運用硬件少，因而價格低，但占用機時多，只要單片機不執(zhí)行顯示程序，就馬上停止顯示。動態(tài)顯示的亮度和導電電流有關(guān)，也和點亮時間和間隔時間比例有關(guān)。數(shù)碼管顯示電路用來顯示液位高度，本文的設(shè)計方法是用兩片74HC573鎖存芯片接單片機的P0口限制數(shù)碼管的位選和斷選，這樣做可以節(jié)約單片機的I/O口。4.6水泵選擇及其電路的設(shè)計4.6.1水泵選擇依據(jù)設(shè)計要求限制系統(tǒng)調(diào)整時間ts≤2分鐘，水泵的選型要考慮調(diào)整時間的限制。由于儲水槽到達液位高度時水槽中水的容量為1000L；查閱相關(guān)資料選擇WKA1300型水泵，參數(shù)如下：表4-2WKA1300型水泵電壓電流流量最大抽水高度處于最大抽水高度時泵的抽水速率（L/min）12V<400mA1.3L/min3m>50024V<240mA1.3L/min3m>5004.6.2電機驅(qū)動電路的設(shè)計本課程設(shè)計所選水泵為WKA1300型微型水泵，此水泵為直流限制，相當于一個直流電機；用單片機限制直流電路通常是通過I/O口輸出PWM波來限制直流電機的轉(zhuǎn)速，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)。目前流行的直流電機驅(qū)動電路是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以很便利實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必需關(guān)斷。當S1、S2導通時，S3、S4關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當S3、S4導通時，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。5系統(tǒng)軟件的設(shè)計軟件編程是系統(tǒng)完成限制的一個重要部分。系統(tǒng)軟件程序主要完成初始化工作，輸入輸出限制，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)和給定的液位值的比較，是否須要報警，以及處理完成顯示部分和調(diào)整閥信號輸出。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，通過對水體液位進行的簡易便利的操縱，可以精確得限制水泵進行添加水或放水以適應工作的須要，并可防止故障的發(fā)生；其次部分是系統(tǒng)工作程序的編程內(nèi)容。5.1軟件設(shè)計流程圖本軟件流程圖設(shè)計簡易合理，便利易于操控，能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行限制，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5-1軟件設(shè)計流程圖5.2軟件主函數(shù)本限制系統(tǒng)采納的是限制，由于模糊限制量的求取是采納查表法，因此軟件程序較簡潔，整個軟件部分較多，現(xiàn)取最重要的水位檢測主程序。依據(jù)流程圖設(shè)計出軟件的主程序如下（見附錄二）：voidmain(){ ik=0;e1=0;kp=2;ki=4;initdingshi();//中斷初始化st=0;while(1){ ad(); //AD初始化if(getdata>=230)//推斷是否水位超過1.8米假如{ //打開報警燈否則關(guān)閉報警燈lamp=0;kg=1; }elselamp=0;if(getdata<127)//推斷數(shù)位是否低于1米假如{ kg=0; //并設(shè)定雙向晶閘管導通次數(shù) EX1=1; //外部中斷1允許位打開 y=100-(100*uk)/127;} else kg=1; }}5.3電路圖和仿真圖P2.2P2.2圖5-2電路圖當水位在1.8m時仿真圖：P2.2P2.2圖5-3水位在1.8m時仿真圖黃燈模擬報警器。當水位位于1.8m時，燈亮即報警，同時閥門開啟放水。當水位在1m時仿真圖：P2.2P2.2圖5-4水位在1m時仿真圖黃燈模擬報警器。當水位位于1m時，燈亮即報警，同時水泵開啟補水。6結(jié)論本系統(tǒng)主要介紹了水體的液位檢測限制，介紹了8051單片機和其它一些單片機在液位限制系統(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(shè)計還采納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，有問題馬上就能發(fā)覺。通過自動調(diào)整限制液位并實現(xiàn)水體的液位報警。液位限制在設(shè)定值上正常運行不須要人工干預，操作人員勞動強度小。采納單片機設(shè)計出的工業(yè)水位限制器，能夠針對水位的不同狀態(tài)和不同外界條件進行限制，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)水體液位方面作業(yè)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，具有良好的應用前景。本系統(tǒng)所采納的傳感器性能穩(wěn)定，測量精確，大大簡化現(xiàn)場安裝，具有較高的性價比，有較大的工程應用價值，而且利用計算機單片機技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)過程進行自動限制有著重要的意義。其優(yōu)越性主要在于：首先，通過對水體液位進行的簡易便利的操縱，可以精確得限制水泵進行添加水或放水以適應工作的須要，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。其次，水體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疲憊和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、平安性。隨著計算機限制技術(shù)應用的普及、牢靠性的提高及價格的下降，工業(yè)以及其他方面的微機限制必將得到更加廣泛的應用。參考文獻[1]王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測和限制技術(shù)[M].成都:四川科學技術(shù)出版社,1986.[2]王驥程.化工過程限制工程[M].北京:化學工業(yè)出版社,1981.[3]王文琦.工業(yè)鍋爐的檢測和限制技術(shù)〔M〕.成都:四川科學技術(shù)出版社,1986.[4]王驥程.化工過程限制工程〔M〕.北京:化學工業(yè)出版社,1981.[5]謝自美.電子線路設(shè)計、試驗和測試[M].華中科技高校出版社，2003.[6]楊國志,王立峰,楊東光,王輝林等.好用電子制作實例[M].福建科學技術(shù)出版社，2000.[7]金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理及用[M].電子工業(yè)出版社，2000.[8]王永平，陳建華.基于S7—200PLC的高性能電熱鍋爐限制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)和傳感器,2002.[9]潘新民,王艷芳微.型計算機限制技術(shù)[M].高等教化出版社，2002.[10]談振藩.自動限制專業(yè)英語[M].哈爾濱工程高校出版社,1999.[11]楊智,明麗萍.21世紀燃氣鍋爐在中國的發(fā)展前景[J].自動化學報,2001.[12]袁希光等.傳感器技術(shù)手冊[M].北京國防工業(yè)出版社,1986.[13]張洪潤,張亞凡.傳感技術(shù)和應用教程[M].清華高校出版社,2005.附錄附錄1寄存器初始狀態(tài)值寄存器初始狀態(tài)值PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0、P1、P2、P30FFHSCON00HIPxxx00000BPCONOxx00000BIEN0Oxx00000BSBUF不定附錄2#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitw1=P2^0;//數(shù)碼管位選1sbitw2=P2^1;//數(shù)碼管位選2sbitst=P3^0;//ADC0808啟動信號sbiteoc=P3^1;//ADC0808轉(zhuǎn)換標記位sbitdian=P1^7;//數(shù)碼管點的限制I/O口sbitkg=P2^2;//繼電器限制位sbitchufa=P2^3;//雙向晶閘管觸發(fā)限制位sbitlamp=P2^4;//報警燈限制位ucharkp,ki,uk,pk,ik;//PID系數(shù)定義uintgetdata;uinttemp;uintqd=127;//1M位置floate,e1,e2,yk;//PID中間量intzkb,w=0,t=0,p=0,x=0,y=20;//變量定義uchardispbuf[3]={0,0,0};//數(shù)碼管緩沖數(shù)組ucharcodetable[]={//段碼0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39