畢業設計（論文）開題報告畢業設計（論文）題目： 基于單片機的液位控制系統設計 學 院： 化工自動化學院 學 號： 1201 專業班級： 101 學生姓名： 指導教師： 20年 月 7日一、課題基本情況1. 課題的來源及選題的依據隨著我國的國民經濟與生活水平的發展，各個行業對自動化的需求也日益增加，為減少污染、節約資源，單片機的控制技術得到了廣泛的應用。無論是在工業生產中，還是在其他行業，水都是人們生活中不可或缺的資源，大部分都會使用到水箱，水箱里的水位控制就是最重要的問題了，以前都會有專門的人看管，既浪費人力、財力，又不能準確的判斷水位高低。所以以單片機控制水箱的水位就得到了廣泛應用。在工農業生產以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的水位進行自動控制。比如自動控制冰箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術要求不同、精度不同，但是基本的控制原理可以歸納為一般的反饋控制方式，他們的主要區別在于檢測水位的方式、反饋方式、以及控制器上的區別。目前我國在單片機測量和控制裝置研究、生產、應用中，取得了很大的成績，總結了很多經驗，但是各行業仍處于發展期，經調查，更多科研研究在這方面開展的工作更看重的是理論和算法，數年來這方面的研究的論文較多，但著重生產實際的很少。本論文將致力于改善這一狀況，解決生產生活所可能遇到的普遍性問題，為設計者提供參考。2. 國內外的研究動態及水平一些發達國家在單片機新型系統研究、制造和應用上，已積累了很多經驗，奠定了基礎，進入了國際市場。我國在新型測控裝置與系統研究、制造、應用和經驗上，與其他發達國家相比還存在差距，但是我國的研究人員已經克服很多困難，并在不斷地摸索中前進，有望在相關領域趕上甚至超過發達國家的技術水平，這是發展趨勢。液位測量的方法比較多，依據測量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型。1.接觸式測量法接觸式測量法是指測量用傳感器直接與容器內存儲液體相接觸，從而獲得測量參數的方法。(1)人工檢尺法利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，這種方法具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優點，但人為讀數誤差大、無法實現自動檢測和操作。(2)電參數測量法常見的有電阻法、光電法、測重法、電容法、浮標法及聲光電的反射回波法等。2.非接觸式測量法非接觸式測量法包括超聲波法、調制型光學法、微波法等。其特點是測量手段并不采用浮子之類的固態物，而是利用聲、光、射線、磁場等的能量。液位傳感器不和被測介質接觸，不受被測介質影響，也不影響被測介質，故適用范圍廣泛。特別是接觸式測量裝置不能適用的特殊場合，如高粘度、強腐蝕性、污染性強，易結晶的介質。下面簡單介紹超聲波法和微波法的測量原理。(1)超聲波法：換能裝置將電功率脈沖轉換為超聲波，射向液面，經液面反射后再由換能器將該超聲波轉換為電信號，超聲波法可用于多液面的測量。 (2)微波法：微波通過天線輻射出去，經液面反射后被天線接收，然后由二次電路計算發射信號與接收信號的時間差得出液位。3. 本課題的目的及意義隨著計算機技術、測量技術和控制技術的高速發展，越來越多的先進測量控制設備、技術和方法在自動測量控制領域中得到了廣泛的應用。在工業生產中，有許多需要對容器內的介質進行液位控制的地方，使其高精度的保持在給定的數值。液位控制一般指對某一液位進行調節控制，使其達到所要要求的精度。液體的液位控制是近年來新開發的一項新的技術，它是自動控制、微型計算機軟件、硬件等幾項技術緊密結合的產物。本設計以水塔供水為模型，鑒于單片機液位控制裝置的重復性好、功耗低、測量準確、使用壽命長等特點，設計以單片機為基礎的液位控制系統，具有實時液位測量監控數據處理等功能。4. 預期目標單片機自問世以來，性能不斷地提高和完善，體積小、速度快、功率低的特點使它的應用領域日益廣泛。一般，工業控制系統的工作環境差，干擾性強，利用單片機控制就能克服這些缺點，因此單片機在控制領域得到廣泛的應用，使用單片機控制液體的水位是個很好的選擇。基于51單片機的液位控制系統既滿足系統精度的要求，同時具有可靠性。如果仍然使用人工的方式，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保障，因此必須進行自動化控制系統的改造。從而實現提供足夠的水量、平穩的水壓的自動控制有設計低成本、高實用價值的控制器。由于自動化技術在礦企業的廣泛應用，水位自動控制技術越來越頻繁地進入到自動控制系統設計者的視線。本課題的水位控制技術采用液位傳感器和壓力傳感器對液位高度和壓力進行實時監控；預期目標是：當水位和壓力超出規定范圍時，系統能夠自動調整水位和水壓，使其落在規定的范圍內；當水位和水壓低于規定范圍時，就控制水泵工作抽水，使水塔內的水位和水壓上升，到達規定高度。而達到不用人工專門去控制即可使水位保持在一定范圍內的目的。二、課題設計擬采用方法和手段 對于水位進行控制的方式有很多，而應用較多的主要有兩種，一種是使用簡單的機械式控制裝置進行控制，一種是復雜的控制器控制方式。兩種方式的實現如下。 （1）簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優點是結構簡單、成本低廉。但是存在問題是精度不高，不能進行數值顯示，另外也很容易引起誤動作，且只能單獨控制。（2）復雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器，把出口壓力變成標準工業電信號的模擬信號，經過多路切換、A/D變換成數字信號傳送到單片機，經單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調節參量來控制其輸出電壓變化，以達到控制水箱水位的目的。針對上述兩種控制方式，以及綜合考慮設計需達到的性能要求。本設計選擇第二種控制方式，并加以改進。最終形成的控制方案如圖1所示，利用單片機作為控制核心，設計一個對供水箱水位進行監控的系統。根據監控對象的特征，要求實時檢測水箱的水位高度，并與開始預設值進行比較，由單片機控制固態繼電器的開斷進行水位的調整，最終達到液位的與設定值。檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水，檢測值若低于下限設定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現場實時顯示測量值，從而實現對水箱水位的監控。水壓檢測電路水位檢測電路報警設備AT89C51抽水水泵數碼管顯示電路排水水泵輸出驅動電路AD0809轉換器鍵盤輸入圖1.單片機液位控制系統框圖 本系統由單片機AT89C51、數碼管顯示器、報警器、鍵盤、傳感器和其它基本外圍電路組成。要求：對液位傳感器采集的液位信息進行放大、A/D轉換等處理，并設計其前端數據采集與相應的輸出控制硬件電路，完成相應的單片機軟件控制設計。液位信息經傳感器采集后送入單片機，單片機進行控制并送到數碼管顯示，可用鍵盤輸入需要控制液位的上、下限。1. 硬件電路設計水位控制系統的硬件主要由AT89C51單片機，水位檢測電路，水壓檢測傳感器(變送器)，報警電路，數碼管顯示電路，輸出驅動電路，排水電動機控制電路，鍵盤輸入電路，抽水電動機控制電路，AD0809轉換器等組成。1.1 單片機(1)單片機的功能和特點 單片機采用由ATMEL公司生產的雙列40腳AT89C51芯片，芯片引腳如下圖2所示。其中，P0口用于A/D轉換和顯示；P1口連接鍵盤；P2口用于控制電磁閥；P3口用于報警以及AD轉換控制，下面具體介紹各個接口的功能。圖2.8051單片機引腳圖P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。P3口：P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。(2)單片機的工作過程單片機自動完成賦予它的任務的過程，也就是單片機執行程序的過程，即一條一條執行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機執行的各種操作作用的命令的形式寫下來，這是在設計人員賦予它的指令系統所決定的，一條指令對應著一種基本操作；單片機所能執行的的全部任務，必須把要解決的問題編成一系列的指令（這些指令必須是選定單片機能識別和執行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預先存放在具有存儲功能的部件存儲器中。存儲器由許多存儲單元（最小的存儲單元）組成，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執行，每一個存儲單元也必須被分配到唯一的地址號，該地址號成為存儲單元的地址，這樣只要知道了存儲單元的地址，就可以找到這個存儲單元，其中存儲的指令就可以被取出，然后再被執行。程序通常是順序執行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機在執行程序時要把這些指令一條一條取出并執行，必須有一個部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計數器PC（包含在CPU中），在開始執行程序時，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執行的命令，PC在中的內容就會自動增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執行。1.2 A/D轉換電路(1) ADC0809的內部邏輯結構A/D轉化電路在控制器中起主導作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為單片機能處理的數字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方法編制A/D轉換程序。在接線時先經過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，然后輸入A/D轉換器。ADC0809的引腳圖如圖3所示。ADC0809芯片為28引腳為雙列直插式封裝，對ADC0809主要信號引腳的功能說明如下：圖3. ADC0809引腳圖START轉換啟動信號。START上升沿時，復位ADC0809；START下降沿時啟動芯片，開始進行A/D轉換。CLK時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500KHZ的時鐘信號。EOC轉換結束信號。EOC=0，正在進行轉換；EOC=1，轉換結束。使用中該狀態信號即可作為查詢的狀態標志，又可作為中斷請求信號使用。OE輸出允許信號。用于控制三態輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數據。OE=0，輸出數據線呈高阻；OE=1，輸出轉換得到的數據。A/D轉換器的主要技術指標分別是：分辨率和轉換速率。分辨率表示輸出數字量變化一個相鄰數碼所需輸入模擬電壓的變化量。 1.3數碼管顯示和鍵盤電路圖4.鍵盤電路數碼管顯示電路和鍵盤電路一起設計，數碼管顯示電路由四位一體共陽極數碼管及其驅動三極管組成，分為動態顯示和靜態顯示，為了系統的優化和省電，本設計采用動態顯示。鍵盤在單片機應用系統中是一個很關鍵的部件，它能實現向單片機系統輸入數據、發送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。考慮到本設計實際需要的按鍵較少，故采用獨立式鍵盤接口電路。它是將每個獨立按鍵按一對一的方式直接接到單片機的I/O口上，通過程序掃描查詢方式實現與單片機系統交互的。在程序查詢方式下，通過I/O端口讀入按鍵狀態，當有按鍵按下時，相應的I/O端口變為低電平，而未被按下的按鍵在上拉電阻作用下為高電平，這樣通過讀I/O口的狀態判斷是否有按鍵按下。圖中，S2S5便是控制顯示用的按鍵。其作用就是通過按動它們實現對高低警戒液位的設置。具體來說，S3、S4分別實現數字的增一與減一，S2、S5則作為高低警戒液位的模式選擇和確認鍵。2. 軟件設計主程序包括系統初始化函數、按鍵函數、水位監測和電動機控制函數以及水壓檢測函數。統主程序的功能主要是完成對單片機的初始化，設置警戒液位的上下限，實時顯示液位值以及鍵盤掃描等工作。主要的程序流程分為如下幾個部分。該模塊在系統上電開機時將系統端口、數據存儲區、標志位、指針、地址等賦予有含義的值。圖5. 主程序流程圖三、完成課題所需條件根據本課題所擬定的設計方法和手段，首先系統需要經過硬件設計和軟件設計兩個基本步驟后，然后經過測試，觀察實驗仿真結果是否滿足本設計的要求和目的，如果出現錯誤要及時查找出錯的地方，并且通過查找資料，以適當的方法修改系統出現的錯誤；在沒有錯誤的情況下，可以由實驗仿真的情況，根據設計原理圖設計出實物，之后不斷檢驗系統會不會出現不穩定、故障等其他錯誤，之后優化系統設計。具體具體所需條件如下。根據設計要求和目的，查找所需的硬件設備，例如單片機、ADC0809轉換器、7端數碼管顯示器等。然后在proteus仿真軟件上找到所需的硬件設備，通過查找相關資料和學習，準確連接各個設備，如果仿真不順利，可以稍微修改硬件設計，但是大致上硬件設計要符合要求和滿足目的。在連接好硬件設備之后，需要在keil軟件上編寫仿真程序，可以查閱相關書籍和知識，鞏固單片機匯編語言知識，使自己的編程思維更加適合編寫單片機程序。編寫程序時，需要保證編寫程序正確，邏輯合理，然后在proteus仿真軟件上加載，進行仿真測試。通過仿真測試，檢驗設計想法是否合理，檢查設計功能是否可以實現。所以這一步是最關鍵的，它不僅關乎設計最后成果的好壞，而且也是最困難的一步，綜合了硬件和軟件設計，因此反復修改錯誤是必不可少的。修改完成和測試通過后，需要與老師和同學討論改進方法，以便真正的設計出實物。將設計好的仿真控制系統付諸實際。購買實際的硬件設備，通過實際動手操作，檢驗系統能否真正的工作。這一步是對上一步完成仿真設計的超越，需要動手能力和耐心，將硬件設備焊接在PCB板上，由PC機下載程序到實際的單片機中，在開啟單片機構成的液位控制系統后，通過加校驗信號給控制系統，完成最終測試。 四、課題進度安排第1周 了解課題，著手準備深入課題所需資料和相關知識第2周 擬定設計方案，撰寫開題報告和外文翻譯第3周 查找資料，深入理解硬件設備第4周 設計檢測液位和水壓電路第5周 設計ADC轉換電路第6周 設計鍵盤顯示電路第7周 設計單片機驅動電機電路第8周 根據硬件設計，在proteus軟件畫出硬件圖第9周 查閱文獻，進行軟件邏輯框圖設計第10周 根據軟件邏輯框圖，在keil軟件中學習編寫程序第11周 設計液位檢測程序第12周 設計水壓和AD轉換程序第13周 設計鍵盤顯示程序第14周 設計驅動電機程序第15周 將所有程序進行編譯和測試第16周 檢查最后仿真測試結果，找到改進措施第17周 準備答辯第18周 答辯五、參考文獻1 蔡黎一種基于單片機的水位控制系統設計J儀器儀表用戶，2007，14（4）：44-452 陳霞，白小軍基于單片機的液位監控系統J武漢理工大學學報，2007，29（3）：3-63 陳新昌，王萬章單片機在水位控制中的應用J信息科技，2006（24）：89-90,944 胡漢才單片機原理及接口技術M北京：清華大學出版社，20025 JennSen Leu,Papamarcou A.On Estimating the Spectral Exponent of Fractional Brow nine Motion J.IEEE Trans. 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