1、利用傳感器實現液位控制系統的設計方案目錄內容摘要一 、 前 言 1（一）概述 1（二）發展趨勢 1二、液位控制系統分析 2（一）液位控制系統的工作原理 2（二）液位控制的實現方式21、簡單的機械式控制方式22、復雜控制系統控制方式3三、液位控制系統的設計3（一） 硬件設計3（二）軟件設計71、液位控制系統模型框圖74、 設計方案優缺點對比75、 總結 7內容摘要傳感器技術是現代測量和自動化系統的重要技術之一,從宇宙開發到海底探秘,從生產的過程控制到現代文明生活,幾乎每一項技術都把傳感器技術列為六大核心技術(計算機、通信、激光、半導體、超導體和傳感器) 之一。隨著電子技術、計算機技術和信息技術的

2、發展，工業生產中傳統的檢測和控制技術發生了根本性的變化。液位作為化工等許多工業生產中的一個重要參數，其測量和控制效果直接影響到產品的質量，因此液位控制成為過程控制領域中的一個重要的研究方向。液位控制是工業中常見的過程控制，它對生產的影響不容忽視。該系統利用了常見的芯片，設計并實現了液位控制系統的智能性及顯示功能。電路組成簡單，調試方便，性價比高，抗干擾性好等優點，能較好的實現水位監測與控制的功能。能夠廣泛的應用于工業場所。在本設計中較好的實現了水位監測與控制的功能。液位控制系統是以液位為被控參數的系統， 液位控制一般是指對某控制對象的液位進行控制調節，以達到所要求的液位進行調節，以達到所要求的

3、控制精度。本文將利用兩種傳感器實現液位控制系統, 并研究其可行性及優缺點 .關鍵詞：傳感器；傳感器技術；液位控制系統；單片機；PID;矩陣鍵盤； 直流電機；LCD上位機一、前言傳感器技術是現代測量和自動化系統的重要技術之一,從宇宙開發到海底探秘,從生產的過程控制到現代文明生活,幾乎每一項技術都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術的發展十分重視,如日本把傳感器技術列為六大核心技術（計算機、通信、激光、半導體、超導體和傳感器） 之一。（一）概述壓力傳感器是用于測量液體與氣體的壓強的傳感器。壓力傳感器工作時將壓力轉換為電信號輸出。超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于20kHz 的機

4、械波。超聲波傳感器在工作的時候就是將電壓和超聲波之間的互相轉換，當超聲波傳感器發射超聲波時，發射超聲波的探頭將電壓轉化的超聲波發射出去，當接收超聲波時，超聲波接收探頭將超聲波轉化的電壓回送到單片機控制芯片。二、液位控制系統分析隨著微電子工業的迅速發展，單片機控制的智能型控制系統廣泛應用于電子產品中，為了使我們對單片機控制的智能型控制系統有較深的了解。利用單片機為控制核心，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液位高度，并與開始預設定值做比較，由單片機控制固態繼電器的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值。檢測值若高于上限設定值時，要求報警，斷開繼電器，控

5、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，從而實現對水箱液位的監控。（一）液位控制系統的工作原理壓力傳感器液位控制系統是以單片機芯片為核心，由鍵盤、數碼顯示、AD轉換、傳感器，電源和控制部分等組成。工作過程如下：水箱（水塔）液位發生變化時，引起連接在水箱（水 塔）底部的軟管管內的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內的 空氣氣壓信號后，即把變化量轉化成電壓信號；該信號經過運算放大 電路放大后變成幅度為05 V標準信號，送入AD轉換器，AD轉換 器把模擬信號變成數字信號量，由單片機進行實時數據采集，并進行 處理，根據設定要求控制輸出，同時

6、數碼管顯示液位高度。通過鍵盤 設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統控制系統特點是直 觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。圖1 控制器原理框圖超聲波傳感器液位控制系統，是通過超聲波傳感器采集水位信 息，然后送單片機處理。若當前水位低于設定置，通過電機驅動水泵 繼續注水，電機采用算法控制。水位信息顯示于液晶屏，設定值可通 過鍵盤設置。此方案選擇單片機作為控制核心，通過鍵盤輸入設定水位值。超聲波測距顯示出水位數值，所測得的水位數值在LCD液晶屏上顯示。如果水位低于設定值，則控制中心驅動電機向水箱注水到設定值， 如 果水位低于2厘米，報警器報警。圖2總體系統框圖（二）液位控制的實現方式對于液

7、位進行控制的方式有很多， 而應用較多的主要有2種，一 種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復雜的控制系統控制方式。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。存在問題是精度不高，不能進行數值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現。2、復雜控制系統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，經過前置放大、多路切換、AD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；經由DA變換給調壓變頻調速裝置輸

8、入給定端，控制其輸出電壓變化，來調節電機轉速，以達到控制水箱 液位的目的。PID 控制是在連續生產過程控制中，將偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Derivative)通過線形組合構成控制量，對控制對 象進行控制。對 PID 的常規應用中，三個參數一般是根據現場設備的使用情況或者設備的自身特征來進行確定，也有通過以往控制的經驗來進行調試，這樣可以通過調試來改變三個參數，以便改變控制器的性能，來獲得更好的控制效果。如果一個系統能夠用比較精確的數學模型來進行描述， 這樣的系統就比較適合用PID 算法來進行控制，并且能夠取得比較好的控制效果。PID 控制原理在模

9、擬控制系統中，PID 控制比較常見。下面便是一種原理框圖，簡單地說明了PID 控制的主要原理。從圖中， 可以看出，由控制器和被控制的對象組成了整個系統。PID控制器輸出值圖3 PID原理圖最終形成的方案是壓力傳感器液位系統選擇利用單片機為控制核心，不使用PID控 制，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液位高度，并與開始預設定值做比較，由單片機 控制固態繼電器的開斷進行液位的調整，最終達到液位的預設定值。 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

10、值，從而實現對水箱液位的監控。超聲波傳感器液位系統由單片機及超聲波模塊、直流電機、電機驅動模塊、液晶顯示屏、矩陣鍵盤等構成的液位控制系統。其中超聲 波模塊負責對水位的高度進行測量，并將測量的水位信息傳送到單片 機進行處理，由單片機將之與設定值進行比較得到偏差， 使用PID算 法控制電機抽水。如當前水位低于設定水位，則單片機控制直流電機抽水進入水箱。水位信息實時顯示在LCD12864液晶屏上，直至水位達到設定值為止。設定值可以由矩陣鍵盤輸入。系統中設置了報警系統，如果水位低于2cm,報警系統啟動，提醒設定水位，通過矩陣鍵盤輸入水位信息，確定后，系統將自動注水入水箱，到達設定值則自動停止。 以達到

11、能自動控制水位的要求。測量到的水位亦能送到上位機顯示以及上位機能輸入設定水位。三、液位控制系統的設計隨著計算機技術的發展, 計算機控制技術在過程控制中占有十分重要的地位。眾所周知 , 控制系統已被廣泛使用, 在其研究與發展上也已趨于完善, 在工業生產過程中控制的應用也起到了使工程流程正常運轉。（一） 硬件設計液位控制系統的硬件主要包括由單片機、傳感器、直流電機、鍵盤電路、數碼顯示電路、AD 轉換器、電機驅動電路和輸出控制電路等。（二）軟件設計壓力傳感器液位控制系統的設計液位控制系統模型的軟件設計 框圖如圖所示。開始報警提力為田水柒M鼠值幅1Y、報警描示一丈閉水泵K閉水架停止供水測諭值，己設定上

12、限、卜以高度、凰設初始他弟小海位高世a動水落州純化水圖4壓力傳感器液位控制程序框圖超聲波傳感器液位控制系統程序設計采用的是模 塊化的思路來進行設計和編寫程序，程序主要由系統 主程序和中斷程序構成。主程序完成單片機的初始化, 超聲波的發射和接收、計算超聲波發射點與障礙物之間的距離、液晶顯示和蜂鳴器報警等。系統程序設計 的主要的功能是發射超聲波、接受超聲波、計算測量 距離、數據計算、蜂鳴器報警和液晶顯示。圖5超聲波液位控制程序流程圖超聲波測距流程圖如下:圖6超聲波測距流程四、設計方案優缺點對比壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩定可靠、成本低、 便于集成化的優點。但是投入式靜壓液位傳感器只有

13、參考大氣壓才能進行準確測量，然而連接電纜中的通氣會受到環境的影響， 造成氣管 內壁冷凝，結露。露水滴到電子器件和傳感器上，會影響精度或者輸 出漂移。同時，結露過快，變送器的使用壽命也會大大縮短。此外壓 力傳感器容易受到環境的影響而造成測量不準確，并且安裝不方便。超聲波傳感器。超聲波具有振動頻率高、波長短、繞射現象小而 且方向性好還能夠為反射線定向傳播等優點，而且超聲波傳感器的能 量消耗緩慢有利于測距。在中、長距離測量時，超聲波傳感器的精度 和方向性都要大大優于紅外線傳感器。從安全性，成本、方向性等方 面綜合考慮，超聲波傳感器更適合設計要求。根據對以上兩種傳感器性能的比較，考慮到靈敏度和經濟實用 性，可以看出超聲波傳感器方案是比較理想的。五、 總結本次課程設計是我所做的最綜合的一個題目，基于單片機實現液 位控制系統模型設計的關鍵在于硬件電路的正確構建， 只有在電路準 確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。 在做設計時，第一步是按 照設計要求來確定該題目可能需要的元器件， 再慢慢根據個電子元件 的功能及題目的要求一一進行篩選， 最終確定