1、液位自動(dòng)控制裝置海軍航空工程學(xué)院(煙臺(tái))車達(dá)升 魏斌 吳兵摘要本系統(tǒng)采用分布式微機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量傳感器的信號(hào)頻率來(lái)獲取液面高度。系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，主站和從站都采用以“8051系列單片機(jī)+電容式液面高度傳感器”模式。并通過(guò)電磁閥來(lái)調(diào)整液面高度，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定所需液面高度，范圍為025cm，誤差不超過(guò)±0.3 cm。并可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前液位高度和瓶?jī)?nèi)液體重量以及閥門(mén)狀態(tài)。當(dāng)液面超過(guò)25cm或液位低于2cm時(shí)，可進(jìn)行聲光報(bào)警。主從站之間通過(guò)RS232C總線構(gòu)成串行通訊星型網(wǎng)絡(luò)。主站可對(duì)8個(gè)從站進(jìn)行定點(diǎn)或巡回監(jiān)測(cè)，查詢各從站的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可顯示其從站傳輸過(guò)來(lái)的從站號(hào)

2、和液位訊息，并可控制從站液位。并且在巡回檢測(cè)時(shí)，主站能任意設(shè)定要查詢的從站數(shù)量、從站號(hào)和各從站的液位訊息。當(dāng)收到從站發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)后，能聲光報(bào)警并顯示相應(yīng)的從站號(hào)，可自動(dòng)調(diào)整從站液位為20cm。從站能夠輸出從站號(hào)、液位訊息和報(bào)警信號(hào)，并且能對(duì)主站設(shè)定的液位控制信息相應(yīng)。該系統(tǒng)布局合理，運(yùn)行平穩(wěn)，控制精度較高，完全達(dá)到了題目基本部分的要求，并基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)揮部分要求。一、總體方案的設(shè)計(jì)1、主站的整體設(shè)計(jì)：以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)液位傳感器實(shí)時(shí)獲取儲(chǔ)液瓶B的液面高度，并通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)顯示液面高度、重量。當(dāng)鍵盤(pán)有輸入時(shí)，單片機(jī)根據(jù)鍵盤(pán)輸入的功能要求，單片機(jī)通過(guò)控制電磁閥1、2來(lái)提升或降低液面高度達(dá)到設(shè)

3、定值，根據(jù)題意整體規(guī)劃主站的系統(tǒng)如圖（1）所示。圖（1）2、主站和從站整體設(shè)計(jì)主從站之間通過(guò)RS232C總線構(gòu)成串行通訊網(wǎng)絡(luò)，主站定期查詢液面信息，并對(duì)液面信息進(jìn)行控制。 圖（2）二、系統(tǒng)模塊的確定和設(shè)計(jì)分析題目要求，系統(tǒng)為一個(gè)主從式測(cè)控系統(tǒng)。由通訊網(wǎng)絡(luò)把主站和多個(gè)從站連成一個(gè)系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)可采用RS232C等接口組成。液位監(jiān)測(cè)與控制裝置的功能可有多種方案實(shí)現(xiàn)，但一般都都由控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)單元單元三部分組成。下面具體論述一下液位監(jiān)測(cè)與控制裝置的各個(gè)部分模塊的方案確定和設(shè)計(jì)。1、檢測(cè)元件的選擇（1）傳感器的選擇檢測(cè)液面高度有多種元件可選，如超聲波傳感器和電容傳感器等。方案：使用超聲波傳感

4、器。超聲波具有不受被測(cè)液體的濃度和導(dǎo)電性能影響的特性，因此精度比較高，但價(jià)格比較貴。方案二：使用電容式傳感器。電容式傳感器在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，精度較高。但要求液位變化速度較為緩慢，而且距離不能太遠(yuǎn)，本題采用的進(jìn)出水管較細(xì)，進(jìn)出水速度合適，由于只要求測(cè)量范圍最大為025cm，距離較小，此傳感器正好符合條件，而且該傳感器比較經(jīng)濟(jì)，考慮到液體流速和測(cè)量范圍、精度以及價(jià)格，故從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮選擇電容式傳感器。我們選擇第二種方案，由于采用了電容式傳感器，所以我們需要對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行采集。（2）電容信號(hào)采集方案的選擇和設(shè)計(jì)方案：將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。由于輸出電壓信號(hào)比較微弱，采用該方案時(shí)，采集信號(hào)

5、的靈敏度不高，誤差一般較大，難以控制，而且電壓信號(hào)要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后才能被單片機(jī)處理，比較復(fù)雜。原理圖如圖（3）所示：圖（3）方案二：將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。壓感電容傳感器對(duì)由液面高度變化引起的水壓變化的檢測(cè)靈敏比較高，對(duì)由于液位高度的變化而引起的水壓的微小變化，通過(guò)傳感器中的壓控電容的變化，得到的輸出的信號(hào)的頻率變化非常明顯。我們通過(guò)采集信號(hào)的頻率就能得出對(duì)應(yīng)的液位的高度，從而通過(guò)控制單片機(jī)，來(lái)進(jìn)行設(shè)置所對(duì)應(yīng)的液面的頻率就能對(duì)所要求的高度進(jìn)行任意控制，這樣的系統(tǒng)能滿足題目所要求的基本要求。綜合考慮我們選擇第二個(gè)方案，接著我們需要考慮如何將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)。（3）電容信號(hào)處理方案方案：

6、用FPGA來(lái)測(cè)量頻率。雖然它的測(cè)量頻率范圍廣泛，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但對(duì)信號(hào)控制能力比較弱。方案二：傳感器外接一個(gè)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)信號(hào)頻率。單片機(jī)處理信號(hào)操作簡(jiǎn)單，對(duì)信號(hào)處理和控制能力強(qiáng)，能夠達(dá)到題目要求的精度，所以我們采用這種方案，信號(hào)處理電路如圖（4）所示。圖（4）經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)得知在025cm范圍內(nèi)，信號(hào)頻率在2325KHz左右，而且經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)處理的誤差在要求范圍內(nèi)，大約在1mm左右，完全滿足題目要求（小于3mm）。我們?cè)O(shè)定單片機(jī)的定時(shí)器1記數(shù)，定時(shí)器0定時(shí)，每秒產(chǎn)生225個(gè)定時(shí)中斷，單片機(jī)每秒測(cè)一次信號(hào)頻率。經(jīng)過(guò)反復(fù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)頻率和液位高度的關(guān)系接近線性，1mm液位變化對(duì)應(yīng)著的頻率變化接近

7、7Hz左右，這樣可以通過(guò)控制頻率差來(lái)控制液面上升或下降。2、鍵盤(pán)方案的選擇和設(shè)計(jì)方案： 采用矩陣式鍵盤(pán)，此類鍵盤(pán)采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目，缺點(diǎn)為電路復(fù)雜且會(huì)加大編程難度。方案二： 采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線,每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤(pán)采用端口直接掃描方式。缺點(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目較多，優(yōu)點(diǎn)為電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且編程相對(duì)比較容易。綜合考慮兩種方案及題目要求，考慮到系統(tǒng)資源有限，故采用第一種方案。原理圖如圖（5）所示：圖（5）3、數(shù)碼管顯示器的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們采用四個(gè)雙數(shù)碼管串聯(lián)方式，能顯示

8、8位數(shù)字。由于數(shù)碼管的原理圖相同，現(xiàn)就用雙數(shù)碼管原理圖來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，如圖（6）所示：圖（6）4、電源設(shè)計(jì)由于我們使用的單片機(jī)系統(tǒng)的電源為+5V,所以我們?cè)O(shè)計(jì)制作+5v穩(wěn)壓電源，其原理圖如圖（7）所示，電磁閥的+24V電源同理可設(shè)計(jì)。圖（7）5、 聲光報(bào)警器的設(shè)計(jì)圖（8）當(dāng)液面高度大于25cm或小于2 cm時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使V2出現(xiàn)高電平，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警裝置，蜂鳴器發(fā)出響聲，其原理圖如圖（8）所示。6、電磁閥的驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路由光電隔離器件TLP521-4和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路組成。光電隔離器件把TTL電平的來(lái)自8051單片機(jī)的I/O管腳的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電平為24V左右的控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)達(dá)

9、林頓驅(qū)動(dòng)后控制電磁閥的閉合和斷開(kāi)，為了吸收電磁閥閉合時(shí)的反向尖峰電流，電路中還使用了兩個(gè)二極管。電磁閥的驅(qū)動(dòng)裝置的原理圖如圖（9）所示：圖（9）四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1、主程序流程圖（10）2、頻率測(cè)量子程序（1）、頻率測(cè)量的原理介紹根據(jù)實(shí)際測(cè)量，傳感器輸出的液面高度信號(hào)是一個(gè)23k左右的頻率信號(hào)，液面高度每1mm的變化，對(duì)應(yīng)頻率有7Hz的增減。為了準(zhǔn)確測(cè)量這個(gè)頻率，使用了8051單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器1工作在計(jì)數(shù)模式，定時(shí)器0工作在定時(shí)模式，定時(shí)間隔為1s，在這1s的間隔內(nèi)定時(shí)器1計(jì)數(shù)傳感器來(lái)自的脈沖跳沿?cái)?shù)，這樣就能夠準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際頻率來(lái)。（2）、頻率測(cè)量子程序流程圖： 圖（11）五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差滿足題目要求。液面變化控制精度在±1mm左右，并能夠?qū)崟r(shí)顯示其液面高度、瓶中液體重量，達(dá)到題目要求。六、收獲和總結(jié)經(jīng)過(guò)緊張的四天三夜的奮力拼搏，與小組其他成員通力協(xié)作，團(tuán)結(jié)互助，終于完成了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。首先，我代表我們小組全體成員感謝主持本次競(jìng)賽的主委會(huì)和全體評(píng)審老師以及我們的輔導(dǎo)老師，謝謝你們給了我們一個(gè)提高自己和展現(xiàn)自己的舞臺(tái)，讓我們?cè)谝院蟮娜松懈幼孕藕蛨?jiān)定。在教師節(jié)來(lái)臨之際，我們?nèi)w成員祝所有評(píng)審老師和輔導(dǎo)教員節(jié)日快樂(lè)。回想這四天三夜