基于单片机的水箱液位控制系统设计

1、本科生毕业设计 （申请学士学位） 论文题目基于单片机的水箱液位控制系统设计 作者姓名 自动化 指导教师 2013年6月 日 摘要1 Abstract 1 1绪论2 1.1水箱水位控制系统研究背景及意义2 1. 2水箱水位控制系统国内外研究现状3 1. 3基于单片机的水箱液位控制系统设计过程3 2单片机的水箱液位控制系统的软件设计3 2. 1程序概要设计3 2.2系统程序原理4 2.2.1系统流程框图及主程序4 2.2.2自动模式子程序原理及流程框图4 3水箱水位控制系统的调试5 3. 1水箱水位控制系统组成5 3. 1. 1交流变频调速5 3. 1.2水箱系统组成6 3.1.3压阻式压力传感器

2、原理7 3.1.4单片机对电动机的控制8 3.2调试结果9 结论11 参考文献11 附录13 致谢16 滁州学院本科毕业设汁 基于单片机的水箱液位控制系统设计 扌商 要：大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件。它的性能的好坏，工作质量的优良与否 对生产有着巨大的影响，尤其关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行 操作的，这样的人工操作方式给水箱的控制和监控带来了很大的弊端。 本系统以8051单片机为核心控制水箱的水位。由压力传感器输出的检测信号，进入单片机的模 拟量输入口。然后由单片机对检测信号与给圧值进行比较和运算，得到输出控制信号。通过单片机 控制交流变频器从而控制

3、交流电机。通过水泵直接调节水箱的液位，直到达到设立水位。 关键词：单片机：水位；控制 Design of control system of water level based on Single chip microcomputer Abstract： Large water tanks are a lot of companies essential to the production process of parts. The quality of its performance, the quality of work fine or not has a great influence

4、 on the production, especially the safety of production. In the past, many of the tanks are operated by the staff,the manual mode of operation has brought great disadvantages to control and monitor the water tank. The designof the system use the single-chip microcomputer control technology with 8051

5、 single-chip microcomputer as the core control of the water level of the water tank Detection signal output from the pressure sensor, analog input into the single chip.Then the MCU of the detection signal to compare the value and operation.The single-chip microcomputer get the output control signal.

6、 Through the single-chip microcomputer to control AC frequency converter and AC motor. Liquid level directly regulating water tank through a water pump, until it reaches the set water level. Keywords: Single chip microcomputer; Level:Control 滁州学院本科毕业设计 1绪论 1.1水箱水位控制系统研究背景及意义 在工农业生产中，常常需要控制液体水位。随着国家工

7、业的迅速发展，水位控制技术被广泛应 用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氮、液化天然气及液体二 氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷：在发电厂、炼钢厂中, 保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、髙、低压加热器水位等，是设备安全 运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行水位控制的实验装豊。 大型水箱是很多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有 着巨大的影响，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水箱操作是由相应的人员进行操作的, 这样的人工方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，时刻

8、监控水箱的环境，夜间的监控等等，操 作员稍有疏忽，或者简易的监则器件损坏，将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的 人身安全等。所以，对水箱控制，如果能够使用精密的而且完全会严格按照生产规定运行的自动化 系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能石省资源并能有效提高生产效率。 从水资源节约方而考虑，以往的人工控制在很多情况下，造成资源不必要的浪费，大部分原因 是水箱内部水位没有及时的反馈信息到操作员，从而使控制上有一左的延迟，从而造成了水量过多 或者没能及时补水而导致资源的浪费或生产出现异常。而对水箱水位的监控以及自动化的引入可以 很好的改善补水过多和及时补水的情况，可以很好的节约资

9、源有效的降低成本。 单片机，一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分，它的诞生使众多自动化控制系 统得以实现。80C51以它功能强大，设计简单，制适廉价，支持指令集较多。所以应用到众多嵌入 式系统开发中。 因此，基于80C51单片机的水箱水位控制系统研究有着重要的意义。 水位控制一般指对某一水位进行控制调肖，使其达到所要求的控制精度。液体的水位自动控制, 是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物, 工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制，危机控制有以下明显优势： （1）直观而集中的显示运行参数，能显示水位状态。 （2）在运行中可以随时方便的

10、修改各种各样的运行参数的控制值，并修改系统的控制参数，可 以方便的改变水位的上限、下限。 （3）具有水体控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界而，操作人员在监控计算机上 能根据控制效果及时修改运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提髙生产过程的实时性、 安全性。 综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机在一块芯片上集 成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来，性能不断提髙 和完善，体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般工业控制系统的工作环境 差，干扰强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领

11、域得到广泛的应用，使用单 滁州学院本科毕业设计 片机控制水箱水位是很好的选择。 1 2水箱水位控制系统国内外研究现状 目前，水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂、煤炭、钢铁等大型企业领域，它以自身的自 动化控制系统的安全优势，已经慢慢深入到一些民用水箱产品。但是目前阶段，它的成本还很高。 比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱，从硬件的设计和铺设，对于民用化产品实施 的性价比较髙。因此大规模的使用仍受到经济上的限制。但是，从长远来看，随着自动化技术的改 进和硬件成本的降低，以及人们对资源浪费的重视。水箱控制系统仍然有大规模推广的前景。 我国仍然处于生产型发展中国家，所有几乎在能源相关的

12、所有领域中，水箱是比不可少的部件, 即使是发达国家也不例外。它性能的优良与否关系直接关系到企业的生产安全和效益。随着我国嵌 入式技术的发展，我国控制系统技术已经达到国际水平，但是在中小型企业以及民用产品，大量的 水箱控制任然通过专职的人员进行控制。随着我国单片机开发技术的逐渐成熟，以及单片机生产成 本的下降，基于单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间工。而且越 来越多的水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员，将控制系统成为水箱设计的一部 分，以提高自身产品的安全性能和科技含量来提髙产品在市场中的竞争力。 1.3基于单片机的水箱液位控制系统设计过程 1T系统设计

13、结构图 由检测变送元件输出的检测信号，进入单片机的模拟量输入口，然后由单片机对检测信号与给 定值进行比较和运算，得到输出控制信号。单片机在过程控制中：一是作为控制器与参数监测元件、 变送器及执行机构组成一个直接数字控制系统从而控制水泵，实现水位的调卩，使水位稳左在设立 的值：二是依靠串行口 C0M1数拯通讯与计算机连接，实现计算机数据采集与显示。 2单片机的水箱液位控制系统的软件设计 2. 1程序概要设计 本系统程序开发，使用的语言给汇编语言。程序实现当水位处于LG（高）、LD（低）或LDD（低低） 时，报警信号输出，判断泵水方式（自动或手动）。当水位到达规定容量时，停止泵水。在次程序中, 低

14、电平为有效（即0为有效），高电平为无效（即1为无效）。 滁州学院本科毕业设计 2. 2系统程序原理 2. 2.1系统流程框图及主程序 主程序要实现的是，对数据的初始化，并且判断用戸是使用自动模式还是手动模式，根据用户 的具体需求：若用户选择自动模式，则程序调用自动化子程序：若用户选择手动模式，则程序调用 手动子程序。 图2-1主程序流程圉 系统主程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV Pl, #FFH : Pl P3 口初始化置 1 MOV P3, #FFH JNB Pl. 3 , AUT:若手动在自动位巻，跳到自动模式子程序 AJMP MEN:

15、否则转到手动模式子程序 END 2.2.2自动模式子程序原理 自动模式子程序运行的前置条件是，系统开始运行，并且用户选择使用自动化控制模式。自动 模式子程序首先判断水位是否高LG,若水位高于指标，则运行水位高报警”程序，并返回主程序。 若水位不高，则判断水位是否低LD,若水位低，则试运行“水位低报警”程序。然后判断水位是否 低于LDD：若水位没有达到LDD的指标，则试判断Ml是否开启”,若没有开启,则开启Ml;若Ml 开启”则判断“M2是否开启”，若“M2开启”,则程序运行停止M2”程序;若“M2没有开启”,则 试程序运行“延迟1分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。若水位达到水位LDD的指标，

16、则运行“水 位低低报警”，然后程序判断“Ml是否开启”，若“Ml未开启”则运行“Ml开启”程序：若“Ml开 启”则程序判断“M2是否开启”，若M2未开启”则运行“M2开启”程序，若M2开启”,则运行 滁州学院本科毕业设汁 “延迟一分钟”，一分钟后程序“返回主程序”。 其程序控制如下所示： ORG OOOOH AJMP MAIN ORG 0060H MAIN： MOV Pl, #FFH :Pl P3 口初始化itl MOV P3, #FFH JNB Pl. 3 , AUT :若手动在自动位置，跳到自动模式子程序 AJMP MEN :否则转到手动模式子程序 END AUT： NOP :空命令 JN

17、B Pl. 2 , LG :水位高-LG JB Pl. b LD :水位没低-LD CLR P3. 1 :水位低报警 JB P1.0, LDD :水位未低低-LDD CLR P3.0 :水位低低报警 JNB Pl. 6, Y1 :Ml已启动-Y1 CLR Pl. 4 :否则启动Ml Y1： JNB Pl. 7 ,Y2 :M2已启动-丫2 CLR Pl. 5 :否则启动M2 Y2： ACALL DELAY :延时1分钟 AJMP AUT :返回自动模式 LDD： JNB Pl. 6 ,Y3 :单独运行Ml （LDD水位LD） CLR Pl. 4 Y3： JB Pl. 7, Y2 SETB Pl.

18、 5 AJMP Y2 LG： CLR P3.2 :水位髙报警 LD： AJMP MAIN :返回主程序 3水箱水位控制系统的调试 3.1水箱水位控制系统组成 3.1.1交流变频调速 该硬件调试中变频器选取三菱FR-S520S-0.4K型。三菱变频器是利用电力半导体器件的通断作 滁州学院本科毕业设计 用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。三菱变频器主要采用交一直一交方式（VVVF变频 或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、 电压均可控制的交流电源以供给电动机。三菱变频器的电路一般由整流、中间直流环肖、逆变和控 制4个部分组成。整流部分为三相桥

19、式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出 为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 工作原理：（1）主回路：电抗器的作用是防止三菱变频器产生的髙次谐波通过电源的输入回路 返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据三菱变频器的容量大小来决左是否需要加电抗器： 滤波器是安装在三菱变频器的输出端，减少三菱变频器输出的髙次谐波，当三菱变频器到电机的距 离较远时，应该安装滤波器。虽然三菱变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路 器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照三菱变频器的容疑进行选择。可以用三菱变频 器本身的过载保护代替热继电器。（2）控制回路

20、：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障 时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。 在现代工业控制系统中，多采用微机或者PLC控制技术，在系统设计或者改造过程中，一泄要 注意三菱变频器对微机控制板的干扰问题。在采用三菱变频器后，产生的传导和辐射F扰，往往导 致控制系统工作异常，因此需要采取下述必要措施： （1）良好的接地。电机等强电控制系统的接地线必须通过接地汇流排可靠接地，微机控制板的 屏蔽地，应单独接地。对于某些干扰严重的场合，建议将传感器、I/O接口屏蔽层与控制板的控制地 相连。 （2）给微机控制板输入电源加装EMI滤波器、共模电感、髙频磁环等，可以有效抑制传

21、导干扰。 另外，在辐射干扰严重的场合，如周囤存在GSM、或者小灵通基站时，可以对微机控制板添加金属 网状屏蔽罩进行屏蔽处理。 （3）给三菱变频器输入端加装EMI滤波器，可以有效抑制三菱变频器对电网的传导干扰，加装 输入交流和直流电抗器，可以提髙功率因数，减小谐波污染，综合效果好。 （4）对模拟传感器检测输入和模拟控制信号进行电气屏蔽和隔离。因为三菱变频器一般都有多段 速设左、开关频率虽输入输岀，可以满足要求。如果非要用模拟量控制时，建议一泄采用屏蔽电缆, 并在传感器侧或者三菱变频器侧实现远端一点接地。如果干扰仍旧严重，需要实现DC/DC隔离措施。 可以采用标准的DC/DC模块，或者采用对v/f

22、转换光隔离，再采用频率设左输入的方法。 此模块的主要作用是控制电机向水箱中注水，并且根据设苣的参数控制电动机的转速使水箱水 温达到预设的目标。 3. 1.2水箱系统组成 被控对象包括上水箱、下水箱、复合加热水箱以及管道。调肖器主要有模拟调节器（含比例P 调节、比例积分PI调节、比例微分PD调节、比例积分微分PID调节）、位式调节器、智能仪表调右 器、PLC控制器、单片机控制、计算机控制等。在本设计中用到的是上下水箱、模拟调节器、单片 机控制。 执行器模块主要是磁力驱动泵。 滁州学院本科毕业设计 图3-1系统组成圉 变送器模块主要有流量变送器（FT）、液位变送器（LT1, LT2）、压力变送器（

23、PT）等。变送器 的零位、增益可调，并均以标准信号DC0-5V输出。系统的结构组成如图3-1所示，被控对象的供水 有两路：一路是由磁力泵1从储水箱中抽水，通过阀1再经阀3向上水箱供水、经阀4向下水箱供 水；另一路是磁力泵2从储水箱中抽水，分别通过阀2经阀9向上水箱供水、经阀10向下水箱供水。 每个水箱的出水口均经过线性化处理，上水箱的水通过阀6流到下水箱，在上水箱中安装了压力传 感器（PT、LT1）,用于检测压力、液位的大小。 3.1.3压阻式压力传感器原理 压阻式压力传感器如图3-2是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻 式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变

24、化的其他物理量（如液位、加速度、重量、 应变、流量、真空度）的测量和控制。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形，使载流子从一个 能谷向另一个能谷散射，引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使 硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅 的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化 则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50100倍。 圧阻式压力传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的 周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻

25、式压力传感器又称为固态压力传感器，它不同于粘 贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一 而是与被测压力连通的髙压腔，另一而是与大气连通的低压腔。硅膜片一般设计成周边固支的圆形, 滁州学院本科毕业设计 直径与厚度比约为2060。在圆形硅膜片（N型）定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥，其中两条 位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶 而的一定方向上扩散制作电阻条，两条受拉应力的电阻条与列两条受压应力的电阻条构成全桥。 在本设计中压力传感器主要是检测水箱压力大小，通过压力传感器将压力转化成液位从而判断 水

26、箱液位的髙度。压力传感器将信号传给单片机，通过单片机控制电机，从而达到调巧水位的目的。 图3-2压阻式传感器结构组成 3. 1.4单片机对电动机的控制 （1）、C8051用于控制电动机时的输入输出端口设宜 在I/O 口 P。、Pl、P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。某些内部资源与I/O引 脚相连接时.必须通过交叉开关控制寄存器xBRo、xBRl、xBR2进行设置。设置交叉开关控制寄存器 XBR。、xBRl. xDR2的作用是：确左被选择的资源。这些被选择的资源分配到哪些I / O引脚上去， 则由交叉开关优先表根据排列的优先顺序来确定。 （2）、电动机控制中的模/数转换在C8051中的

27、实现 ADC可编程窗口检测器在电动机控制应用中非常有用。它不停地、自动地将ADc输岀与用户 编程的极限值进行比较。并在检测到越限条件时通知系统控制器。 （3）、电动机控制中的PW卫和测频在C8051中的实现 在有刷和无则直流电动机的控制中.需要使用脉宽调制（P岬）技术，通过调节PwM信号的占空 比来实现调速。因此，PwM波发生器在直流电动机的控制中是不可缺少的。此外，电动机控制中还 经常需要对输出的频率信号进行测频。 c8051单片机有PwM功能和捕捉功能。这些功能都包含在一个称为可编程计数器列阵PcA当中。 PcA除了有內也功能和捕捉功能外，还有比较功能和高速输出功能。 单片机在本设il中主

28、要是接收来自压力传感器输岀的检测信号，进入单片机的模拟量输入口。 滁州学院本科毕业设汁 然后由单片机对检测信号与给立值进行比较和运釦 得到输岀控制信号。通过单片机控制交流变频 器从而控制交流电机。通过水泵直接调节水箱的液位，直到达到设泄水位。 3. 2调试结果 (1) 、按照应用需要所设计的电路图连接试验台电路如图3-3所示 图3-3系统调试连接图 (2)、根据水位控制系统要求将KP设置为40； Ki设置为10： Kd设置为0如图3-4所示 图3-4上位机参数设置图 滁州学院本科毕业设汁 （3）、启动电机后，电机向复合水箱注水，通过液位变送器将液位检测信号送至单片机模块 GK-03,再用单片机

29、模块输出的模拟信号控制交流变频器，进而控制电机的转速，从而形成一个闭 环系统，实现水位自动控制。 （4）、水位开始上升，在上位机中可以看到实时的曲线变化如图3-5所示。 （5）、当水箱内的水位达到预设的4cm左右后电机就会随着水位的变化通过单片机控制电机动 作实时调节水箱的水位，在上位机的监控软件上可以看到水位的实时变化曲线如图3-6,由图中曲 线可知水位通过水位控制系统的调节最后趋于稳能的预设值。 圉3-6水位趋于稳定实时监控图 10 滁州学院本科毕业设汁 （6）通过单片机的水位控制系统的调右使得水位结果稳泄在为4.01cm,基本达到预设值如图 3-7所示。. 图3-7实际结果图 结论 在本

30、次的半业论文是基于单片机的水箱控制系统，主要核心就是80C51单片机。通过这次设讣, 我综合运用大学四年所学知识去分析和解决问题，我深刻的了解和掌握了单片机的控制原理和设汁 方法。不仅加深和回顾了但单片机等专业知识而且积累到单片机控制技术在实际中的经验。 由于自身缺少在实践设计的经验，所以在这次的设计中我自身也发现了很多不足的方而，从论 文的本身的方面的结构到具体设计中駛件设计知识和经验的不足使得设讣和论文存在的很多的问 题，但是我的导师的细心指导下，经过前后多次的修改和完善，最终完成了毕业设计的任务。单片 机控制技术领域是一个有着非常潜力和前景的专业技术，我相信通过这次毕业论文的设计，不仅加

31、 深和掌握了这一专业技术，而且也提髙了自己的专业能力和综合素质，为我的大学生涯画下一个完 整的句号。 参考文献 1李萍.51系列单片机丛书AT80C51单片机原理、开发与应用实例M.北京：中国电力出版社, 2008:47 2秦获辉.科技英语（电子类）Ml.陕西:西安电子科技大学出版社，2005:98 3杨兴瑶，张益淸等.新编实用电子电路500列M.武汉：化学工业岀版社，2006:107 11 滁州学院本科毕业设计 4 朱殿栋.数字电路设计实用手册M.北京：电子工业出版社，2003:144 5 郭勇，余小平，髙嵩等.电子系统综合设北京：北京大学岀版社，2007:196 6 公茂法，马宝甫，孙晨等

32、.单片机人机接口实例M.北京：北京航空航天大学，2007:273 7 姜学东，曲金龙.嵌入式系统控制系统研究M.电力电子技术，2003； 38 8 陈建勇.MCS-51实用汇编子程序设计M.哈尔滨工业大学出版社，2006： 69 9 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.高等教冇出版社，2006： 94 10 杨辉先.单片机原理及应用M.北京：人民邮电出版社出版，2006： 72 11 张俊谟.单片机中级教程M.北京：北京航空航天大学出版，2000： 70 12 张毅刚，彭喜元，董继成.单片机原理及应用M.北京：髙等教冇出版社,2003： 55 13 李书旗,沈金荣.液位测量传感器系统的设计与实

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37、源 变频磁力泵(电机) 固态继电器 上位机监控软件 串行通讯接口 (2)、软件设计总程序 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0060H MAIN: MOV Pl, #FFH ;Pl P3 口初始化置1 MOV P3, #FFH JNB Pl. 3 AVT AJMP MEN :若手动在自动位置，跳到自动模式子程序 :否则转到手动模式子程序 END AUT： NOP （空命令） JNB P1.2 , LG JB Pl. 1 LD , CLR P3. 1 JB P1. 0, LDD CLR P3.0 JNB 3. 1P1.6, Y1 CLR P1. 4 Y1:JNB Pl. 7 ,Y2 ;水位高一LG ;水位没低一-LD ;水位低报警 ;水位未低低LDD :水位低低报警 ;Ml已启动一Y1 :否则丿吕动 :M2已启动一-Y2 CLR P1. 5