液位检测与控制试验系统设计

/液位检测和限制试验系统设计1.发呈现状：液位检测在许多限制领域已较为普遍，各种类型的液位检测装置也不少，按原理分有浮力式、压力式、超声波式、差压式、电容式等，这各种方法都依据其须要设计完成，其结构、量程和精度各有特色,适用于各自的场合,但都是基于固定液箱液位检测而设计。市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，绝大多数价格惊人。“水是生命之源”，不仅人们生活以及工业生产经常涉及到各种液位和流量的限制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要运用蓄液池。蓄液池中的液位须要维持合适的高度，太满简洁溢出造成奢侈，过少则无法满足需求。因此，须要设计合适的限制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位限制问题。因此液位是工业限制过程中一个重要的参数。特殊是在动态的状态下，接受适合的方法对液位进行检测、限制，能收到很好的生产效果。高老师也进行了多次的试验得出了一些相关的数据，水箱液位限制系统的设计应用特殊长广泛，可以把一个困难的液位限制系统简化成一个水箱液位限制系统来实现。所以就选择了该题目的设计。由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动限制成为其今后的发展趋势，限制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能依据限制效果刚好修运行参数，这样能有效地削减工人的乏累和失误，提高生产过程的实时性、平安性。随着计算机限制技术应用的普及、牢靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机限制必将得到更加广泛的应用。所以，我们在此设计了这个简易的监测系统，一方面，节约了大量的经济开支；另一方面，让我们对监测系统有了更加深刻、透彻的了解，不仅增加了我们的感性相识，还促进了我们对于系统各个部分的深刻剖析，从传感器选型到整个系统的建立，我们都投入其中，并为之努力着。2.设计目的：此次设计的思想来源于中学生活的一段阅历：中学时期，由于供水设施的技术水平有限，下课后，当低楼层的宿舍集体用水时，高楼层的宿舍一般都接不到水。为了防止我们日常用水的短缺，我们一般选择在用水不是很惊惶的中午午睡时，或是晚上熄灯以后往储水的水桶里接满水，以备随时运用。所以，为了解决这个问题，我们可以设计一个自动监测液位的装置，并由单片机来限制舵机的开断。液位传感器随时监测水箱的液位状况，并依据液位的不同，限制舵机的开断。当液位低于确定值时，单片机限制变频器，进而驱动舵机，使供水阀打开至最大；当液位达到水箱总高度的80%时，单片机限制变频器，进而驱动舵机使流速减小；当液位高于确定值时，单片机限制舵机，关紧舵机，停止储水。3.关键词：AT89S52、液位传感器、调整阀、变频器、水泵4.试验目的：通过设计液位检测系统，进一步了解各种过程器件的各种性能特征以及运用的场合和条件，更加清楚地知道各种仪表在自动化过程限制中的应用。通过本次独立的完成系统设计培育一种严密、整体的思维实力，以及独立完成各种工作的实力。5.试验要求：（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器限制舵机的转速；（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调整器、调整阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；（3）设备选型要有确定的理论计算；（4）用所选设备构成试验系统，画出系统结构图；（5）列出所能开设的试验，并写出试验目的、步骤、要求。6.试验步骤：6.1系统结构设计一个完整的检测限制系统框图如下：被控对象变送器被控对象变送器调整器执行器显示打印6.1.1限制方案本设计是接受8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水箱液位限制系统,运用液位传感器测液位，CPU循环检测传感器输出状态,并LCD显示示液位高度,检测液位等数据,实施报警平安提示,当水箱液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭舵机。水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水箱里的水位进行检测。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀限制系统就会自动报警，提示工作人员留意，加水舵机有可能出故障；其次个位置是自动停止加水线，即当水位高于此位置时，限制系统会自动关闭加水舵机，停止加水；第三个位置是自动减速加水线，即当水位高于此位置时，限制系统会自动调整舵机角度，加水速度减慢；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，系统就会自动报警，提示工作人员留意，加水舵机可能出故障，舵机角度达到最大，自动加大流速限制。6.1.2、系统总体框图单片机单片机液位传感器LCD、工作显示变频器舵机Ⅹ6.2硬件设计6.2.1硬件设计概要系统的原理是接受高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行限制,通过四对传感器分别安装在水箱内四个不同的位置，由上至下测量水箱液位值,。并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过1602显示器显示出液位的四种状态及报警平安提示。用LCD显示是因为它具有显示清楚、亮度高、可显示汉字、界面人性化等特点，依据当前的液位值和用户设定的水位确定是否进行开、关舵机及舵机开的角度的大小,须要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。系统按功能可以划分为以下几个模块：（1）电源模块：将变压器输出的+24V电源转换为系统正常工作运用的+5V电源，接受双电源工作。一路给光电式传感器供电，成为传感器电源；另一路给光电式传感器之外的全部电路供电，如：单片机、LCD显示装置、工作指示、按键等，称为主电源。（2）数据采集和处理模块：该模块以51单片机为核心，通过液位传感器收集检测信号，通过计算得到液位值。同时限制整个系统的运行，包括：系统初始化、传感器初始化、采集并处理传感器测量得到的液位值、工作指示及测量结果显示、参数设定等。（3）人机交互模块：包括工作指示、LCD显示。工作指示为5个LED灯管，包括主电源指示，传感器电源指示、运行指示、数据传输指示、系统运行异样指示。LCD显示实现当前液面位置显示、不同功能状态下内容显示。这些都保证了用户能够简洁快捷的设定、运用和维护传感器，提高用户的操作体验。下图是水箱液位限制系统。限制限制执行装置MCULCD显示报警装置传感器图2-1水箱液位限制系统由上图可视察到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算限制，在通过LCD进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的开启实现对水箱的液位进行调整限制,阀门的驱动设备是舵机。6.2.2硬件选型（一）核心芯片8051单片机图5-1单片机管脚图图5-1单片机管脚图整个系统限制部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，限制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，因为系统要求限制线较多，假如接受8031外置EPROM程序限制结构，则造成限制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作限制总线，大大简化了硬件结构，并可以干脆限制键盘参数输入、LCD数据显示，便利现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。内部结构及功能五个中断源的中断限制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机和微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容须要外接。最高振荡频率为12Mhz。我们可以将相应的PID调整程序写入8051单片机的程序存储器，将设定值由键盘输入到单片机后，和传感器采集的值进行比较后执行相应的调整程序。8051实现的结构框图如下：（二）液位传感器在水箱液位限制系统中,传感器的选择是特殊重要的,传感器是能感受规定的被测量,并依据确定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能干脆影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。传感器的种类许多,有温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器的。方案一：电容式传感器：其计算困难，转换电路困难，需运用555振荡电路来完成频率的转换、液位的测量。对于接地电容传感器，一般的被动屏蔽（防护罩连接地面）是不合适的，因为电缆的附加电容和电容器的电容同时存在，而且电缆的附加电容能够远大于由于环境条件引起的传感器的电容。为了削减这种附加电容的影响，接地电容式传感器一般接受有缘屏蔽技术连接到接口电路，价格昂贵，技术要求较高。方案二：运用发光二极管和光敏三极管传感器，不但检测电路及原理都相对简洁，更为重要的是，其为数字式传感器，可将检测液位信号转换为凹凸电平，易于和主限制器单片机相连，进行相应限制。尤其是报警限制，运用蜂鸣器即可，硬件电路设计简洁易懂，故障解除便利，易于实现系统报警限制。因此，本设计主要接受的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器来对液位进行限制,在把检测的电信号输入到单片机进行分析,这个设计的重点是液位的限制,所以下面我要对液位传感器进行设计。接受的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如下图当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。（三）变频器的选择方案一：直流电机调速范围广，过载、启动转矩大，易于限制，牢靠性高，调速时的能量损耗小，但是一般用在调速较高的场所。方案二：步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变更的影响，线性关系不好，只有周期性的误差而无累积误差，除此之外，限制简洁。方案三：舵机结构紧凑、易安装调试、限制简洁、大扭力，是位置伺服电机，但是舵机适用于那些须要角度不断变更并能够保持的限制系统。综上所述：选用方案三用舵机进行限制容器的开启。图5-3ADC0809管脚图（四）ADC0809A/D转换器图5-3ADC0809管脚图图5-4自动报警电路ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及和微型计算机兼容的限制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次靠近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次靠近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器限制，可以在8个通道中随意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于和微型计算机接口。图5-4自动报警电路AD转换电路在限制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该限制器接受CMOS工艺制造的逐步靠近式8位AD转换器芯片ADC0809。在运用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。图6是AD转换部分原理图，在接线时先经过运算放大器和分压电把传感器输出的电流信号转换成电压信号，然后输入到AD转换器。DA转换器则接受DAC0832.

（五）调整阀调整阀又称限制阀，它是过程限制系统中用动力操作去变更流体流量的装置。调整阀由执行机构和阀（调整机构）组成。执行机构是将限制信号转换成相应的动作来限制阀内截流件的位置或其他调整机构的装置。信号或驱动力可以为气动、电动、液动或这三者的随意组合。阀是调整阀的调整部分，它和介质干脆接触，在执行机构的推动下，变更阀芯和阀座之间的流通面积，从而达到调整流量的目的。分类：以压缩空气为动力源的调整阀称为气动调整阀；以电为动力源的调整阀则为电动调整阀。这两种是用得最多的调整阀。此外，还有液动调整阀、智能阀、调整阀等。电动调整阀和气动调整阀的对比电动调整阀优点是结构简洁，应用范围广，调整过程可控性好，行程精确。缺点是可能产生电火花，或者静电火花。气动调整阀的优点是动作快速，能够快速的完成调整叮嘱，且平安，不会产生电火花。但缺点是限制困难，造价高，结构困难。所以调整上大多都运用的是电动阀，但是在某些要求快速关启的关路上和油管，易燃易爆气体，化工紧急品管路上还是运用气动阀。且因为单片机干脆输出电气信号，依据整个系统设计的须要电动调整阀更为合适。（六）水泵定义：通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力,即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。分类：依据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变更来传递能量；叶片泵是利用回转叶片和水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。工作原理：1、容积式泵:利用工作腔容积周期变更来输送液体。2、叶片泵:利用叶片和液体相互作用来输送液体选择：试验设计中要求水箱高度为600mm，离地200mm，设备离地30mm，所以最大吸程应大于600+200-30=770mm，依据这一要求及其它电器、平安等要求，选择ASP系列的水泵，如下图所示：6.2.3硬件电路设计系统原理图及其说明(一)报警电路下列四种状况发生系统报警：1)当水箱达到上限极限水位时报警，箱内的水位到达上限极限水位时系统发出报警；图2-3复位电路2)当水箱达到下限极限水位时报警，箱内的水位到达下限极限水位时系统发出报警；图2-3复位电路（二）复位电路8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2-3。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失,此设计接受自动复位电路。（三）键盘显示电路键盘显示电路主要是实现液位设定值的输入和显示实时液位的功能。键盘接口及其软件的设计任务主要包括：是否有键按下的检测并推断键值，有操作则进行延时去消抖，并依据键值计算出调整量送执行机构开启进水或排水阀，进行一系列的动作处理和执行。本系统接受4行×4列的16键行列式键盘，占用单片机P1口的8个端口。显示接受12864液晶显示当前液位测量值。原理图7软件设计7.1软件设计思想水位检测是通过四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水箱里的水位进行检测。本系统所运用的传感器性能稳定,测量精确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机和组态软件技术对水箱进行自动限制有着重要的意义。其优越性主要在于：通过对水箱的液位进行有效限制，实现了在无人条件下，水箱自动储水的功能。7.2软件流程图：起先起先系统各模块初始化（如1602等）液位传感器监测液位液位达到设定值1值开启舵机，将舵机达到最大角度即180度液位达到水箱液位80%液位达到设定值2值将舵机调到90度关闭舵机，将舵机调到0度是是是否否结束1602显示液位等信息液位达到设定值3报警8系统调试系统整体装置如下系所示：8.1分模块调试首先调试各个模块：蜂鸣器、液位传感器、液晶和舵机，其中蜂鸣器的功能是能够清楚、良好的将需放的声音释放出来；液位传感器和液晶是连在一起调试的，主要实现液晶正确显示监测液位信息；舵机模块的调试主要是运行程序观看舵机转动的角度。每一个模块调试无误后将全部模块联合在一起。8.2整体调试将系统的各个模块联合在一起，系统调试，并在容器内加上水，使系统运行，观看液晶及水的流速及蜂鸣器的发音现象，液晶显示正确的液位信息。9设计总结虽然这是一个简易的系统，但是具体着手去做这个试验发觉整个系统特殊困难，特殊是在元器件的选型、具体微小环节的实施及其参数的设定方面，不知道如何下手，经过几天的分析探讨，才有了一些认知。所以在这次在报告中水箱液位限制系统的理论分析有可能存在不合理的地方，以后会多多留意这方面的训练，好好努力的。本系统主要介绍了水箱的液位检测限制，绍了8051单片机和其它一些单片机在水箱限制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本设计还接受了传感器来对液位的信号采集，利用LCD来进行信号的输出显示,我设计的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报警和阀门失灵等故障报警，有问题立刻就能发觉。液位限制在设定值上正常运行不须要人工干预，操作人员劳动强度小。该系统硬件系统完全，但系统的运算和限制必需靠软件支持，本限制系统接受的是限制，接受单片机设计出的工业水箱限制器,能够针对汽包水位的不同状态和不同外界条件进行限制,汽包水位运行稳定、限制品质良好、限制效果明显改善;同时大大提高了限制系统的抗干扰实力,保证了工业水箱的稳定运行。限制装置具有成本低、抗干扰实力强、限制性能好等优点,且系统硬、软件维护简洁便利,尤其适用于工业限制现场,具有良好的应用前景。10心得体会在液位限制系统设计过程中，王老师给了我们细致的指导，特殊是有关于原理的叙述，设计的可行性，以及设计的难度的精确的分析和把握，使我们能在有限的时间中完成设计，使我们受益匪浅。首先，自学实