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1、液位控制系统的研究与设计目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21 绪论21.1 课题背景与研究意义21.2 国内外研究现状与发展31.3 本课题主要研究内容42 水箱液位控制系统的模型分析42.1 水箱液位问题分析42.2 水箱液位控制系统的原理框图52.3 水箱液位控制系统的数学模型62.3.1 确定过程的输入变量和输出变量62.3.2 建立数学模型62.3.3 求液位控制系统微分方程式72.3.4 误差性能分析73 基于单片机的水箱液位控制系统设计83.1 核心芯片805193.2 系统的硬件设计103.2.1 液位传感器的设计113.2.2 A/D转换器的选择1
2、23.2.3 液位的调节及控制部分133.2.4 LED显示及报警部分133.2.5 电机控制模块软件设计143.3 系统的软件设计143.3.1 软件设计流程图143.3.2 系统软件编译开发环境153.3.3 显示与A/D转换的数据处理153.4 系统主程序173.5 基于单片机的水位控制系统的抗干扰措施173.5.1 硬件抗干扰电路的设计173.5.2 软件抗干扰的设计173.6 结论18参考文献19附录20致谢223液位控制系统的研究与设计 摘要：液位智能监控系统是现在生产生活中必不可少的部件，对液位的测量和控制效果直接影响到产品的质量，而且也关系着生产的安全。在过去，大量的对水位监控
3、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，时刻监控蓄水池的环境，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，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，液位控制很重要。 本文介绍了液位控制系统的数学模型，主要设计了一种水箱液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机，压力传感器和模数转换器等硬件系统和软件设计方法实现具有液位检测报警和控制双重功能，同时也具有压力报警和显示控制的功能,并对液位和压力值进行显示。关键词：模型；单片机；水位；控制；报警Research and Design of Liquid Level
4、 Control SystemStudent Majoring in Automation XXXTutor XXXAbstract: The intelligent control system is now the production and life of the essential components of itsperformance and quality of the work for more than a great influence, and also relations with the production safety. In the past time, a
5、lot of water level monitoring operation is by the staff to operate. This is a greatdisadvantages, such as water level control, water environment monitoring, and on the night of monitoring, the operator slightly negligence, or monitoring device easy damaged, will bring irreparable loss, more that wil
6、l be a serious crisis to the production personnels personal safety.So, the intelligent control system is very important. This paper introduces the mathematical model of the intelligent control system. It has introduced a kind of water tank warning apparatus based on single chip microcomputer. It can
7、 guard against the oil pressure of the lubricate system, atmospheric pressure of the braking system，temperature of the cool system, tyre owing to press and the thief of automobile, and to carry out automatic detection , and sends out the alarm signal when discovering unusual conditions .Have elabora
8、ted the design ideological, hardware composition and software train of thought of the alarm system.Key words: Model；Single-chip；Level；Control；Alarm 引言 液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，例如在建材行业中，玻璃窑炉液位的稳定对窑炉使用寿命和产品的质量起着至关重要的作用。液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要
9、求控制的精度。液体液位的自动控制,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仪表控制。目前我国在单片机测控装置研究、生产、应用中,取得了很大的成绩,总结了很多经验,但是各行业仍处于发展期,经调查,许多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。如果要达到较复杂的自动控制，必须建立复杂的数学分析模型。生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般
10、不包括在内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分支，是对过程控制系统进行分析与综合。使用单片机实现水体液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点。采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器测量水位，可有效保证水位自动控制，能更好地对水体水位进行自动化控制,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统控制,控制方便且系统稳定性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系统的自动控制与调节，维持稳定系统，保证安全经
11、济运行。本文就是采用8051单片机为核心芯片的一种水体水位控制系统，具有较高的实用价值和优越性。具有市场前景。1 绪论液位控制在日常生活中有着非常广泛的应用。在计算机网络和通信、医用设备、工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都起着重要作用。各种各样的液位控制模型层出不穷，较好的数学模型对于液位控制系统的研究至关重要。随着科技的发展，液位测量技术趋于智能化、微型化、可视化。本文初略的研究了液位控制系统的数学模型，设计思想是用单片机做下位机，PC机做上位机，单片机和PC机相结合对水箱液位进行测量和监控。该设计要求具有一定的智能化，可操作性和稳定性好。1.1 课题背景与研究意义 在工农业生产
12、中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。例如低温液体（液氧、液氮、液氩、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。液体的液位的自动控制,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产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下优势:(1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态。(2)在运行中可以方便的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,可以方便的改变液位的上限、下限。(3)具有水体控制过程的自动化处理以及监控
13、软件人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。1.2 国内外研究现状与发展从20世纪70年代开始，为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题，现代控制理论和优化与控制相结合，随着各种数学模型的建立，逐步发展成了大系统理论1。液位测量的方法比较多，依据测量方式的不同可分为接触式与非接触式两种类型。（1）接触式测量法接触式测量法是指测量用传感器直接与容器内存储液体相接触，从而获得测量参数的方法。本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以
14、把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。（2）非接触式测量法非接触式测量法包括超声波法、调制型光学法等。其特点是测量手段并不采用浮子之类的固态物，而是利用声、光、射线、磁场等的能量。液位传感器不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介质，故适用范围广泛。特别是接触式测量装置不能适用的特殊场合，如高粘度、强腐蚀性、污染性强，易结晶的介质。(3)光纤测量法光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便
15、于与光纤传输系统组成网络等。目前，市场上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。基于单片机的液位变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。1.3 本课题主要研究内容 本文选择以水箱的液位控制系统为研究对象，分析水箱液位控制系统的基本构成，第二部分涉及到液位的动态控制、控制系统的
16、建模、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性系统，建立数学模型，分析水箱液位控制系统的内在机理，并进行误差分析，能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。第三部分利用单片机设计一个水位控制系统，要求选择合适的水位传感器及电磁阀，当设定完水位后，系统根据水位情况控制电磁阀的开启和关断。具体要求如下：(1)设计单片机工作电源模块及其复位电路(2)选择合适的水位传感器，单片机通过相应的调理电路采集当前水位值，设计相应的电磁阀控制电路，根据水位情况控制器开启和关断(3)画出电路方框图，叙述主要模块的功能及他们之间的控制关系和数据传输，绘制
17、软件流程图(4)编制相应的控制程序，并用C语言或汇编语言对软件进行编译。并能通过调试。2 水箱液位控制系统的模型分析2.1 水箱液位问题分析图2-1为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图2中，为保持水箱液位恒定，操作人员根据液位高度的变化情况控制净水量。人工控制自动控制图2-1 水箱液位控制系统示意图若采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。自动控制示意图中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来的信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小
18、改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。2.2 水箱液位控制系统的原理框图水箱液位控制系统的模型是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、一个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图2-2表示：被控变量扰动偏差操纵变量控制器 执行器 被控对象 测量变送器扰动通道 图2-2 简单
19、控制系统由这个简单控制系统通用框图模拟出水箱液位控制系统的原理框图2-33如下：扰动液位变送器+PID控制器电动控制阀阀阀器液位_水箱图2-3 水箱液位控制系统这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是水箱液位的给定高度，即控制任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。2.3 水箱液位控制系统的数学模型该系统主要是自衡的非振荡过程，即在外部阶跃输入信号作用下，过程原有的平衡状态被破坏，并在外部信
20、号作用下自动的非震荡地稳定到一个新的稳态，这一大类是在工业生产过程中最常见的过程。2.3.1 确定过程的输入变量和输出变量 如图2-4所示，流入水箱的流量是由进料阀1来控制的；流出水箱的流量取决于水箱液位L和出料阀2的开度，出料阀的开库是随用户的使用量而改变的。液位L是被控变量（即输出变量），进料阀1为控制系统中的控制阀，它所控制的进料流量是过程的控制输入（即操纵量），出料流量是外部扰动。本设计以进料流量作为输入变量。2L1tL()L(t)L(0)图2-4 水箱液位过程及其阶跃响应曲线 2.3.2 建立数学模型 根据物料平衡关系，当过程处于原有稳定状态是，水箱液位保持不变，其静态方程为：-=0
21、 （2-1）、分别为原稳定状态下水箱的进料流量和出料流量，当进料流量突然增大时，水箱原来的平衡状态被破坏，此时进料量大于出料量，多余的液体在水箱内储存起来，使其液位升高。设水箱液体的储存量为V，则单位时间内出料流量与进料流量之差等于水箱液体储存量的净增量。其动态方程为：-= （2-2）其中=、，、分别为和的增量。设水箱截面积为A，则有V=AL，其增量形式为dV=AdL，即： （2-3）将=、和式（2-1）代入式（2-2），得 （2-4）将式（2-4）减去式（2-1）可得用新增量形式表示的动态方程式4，为： （2-5）2.3.3 求液位控制系统微分方程式 中间变量式原始方程式中出现的一些既不是输
22、入变量也不是输出变量的工艺变量。式（2-5）中，为中间变量。与输出变量L的关系可表示为： = （2-6）当只考虑液位与流量均在有限小范围内变化式，就可以认为出料流量与液位变化呈线性关系。将式（2-6）改写成增量形式： 令，则有： （2-7）式中为比例系数。将式（2-7）代入式（2-5）中，即得 （2-8）即为水箱液位过程的数学模型。由此可见，这是一个一阶微风方程，液位过程为一阶过程。将该式写成的一阶过程的微风方程标准形式： （2-9）或 （2-10）为一阶过程的时间常数，,具有时间量纲；为一阶过程的放大系数，具有放大倍数的量纲；为一阶过程的输出变量；为一阶过程的输入变量；为阻力系数，=液位的变
23、化量 / 出料流量的变化量；为容量系数，=储存的物料变化量/ 液位的变化量。当被控变量的检测地点与产生扰动的地点之间由物料传输距离时，就会出现滞后。在控制过程中，若进料阀安装在与水箱进料口有一段距离，则当进料阀开度变化而引起进料流量变化后，液体需要经过一段传输时间才能流入水箱，使液位发生变化并被检测出来。液体流经这段距离所需时间完全是传输滞后造成的。纯滞后一阶过程的微风方程为： （2-11）具有纯滞后的一阶过程的特性与放大系数、时间常数和纯滞后时间有关。综上所述，水箱液位控制系统是一个一阶自衡过程，其特性可用放大系数、时间常数和纯滞后时间这三个特性参数来全面表征。2.3.4 误差性能分析 生产
24、过程中有各种控制对象，它们对控制器的特性有不同的要求，选择适当的控制规律和整定其参数，使控制器性能和控制对象配合好，以便得到最好的控制效果。现在已经建立了水箱液位控制模型，并进行了数学分析，最后是控制效果怎样才是“最佳”的，也就是说，将用什么标准来确定控制器的“最佳”整定参数。由于各种生产过程的要求不同，因此标准是不一样的。但在一般情况下，可以根据控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程来判定控制效果。总的来说，对控制系统可以提出稳定性、准确性和快速性三个方面要求，而这三方面往往又互相矛盾的。稳定性首先要考虑的因素，一般都要求被控量的波动具有一定的衰减率，例如0.75或更高。也就是经过一个到两个振荡周
25、期以后就看不出波动了，在稳定的前提下尽量满足准确性和快速性的要求。 典型最佳控制系统的标准是：在阶跃的干扰作用下，保证调节过程波动的衰减率=0.755（衰减率是指）或更高的前提下，使过程的最大动态偏差、静态偏差和调节时间最小。 为评定误差和调节时间最小，常采用一种误差绝对值积分指标来衡量，它是以稳态值为基准来定义误差 （2-12）并用积分 （2-13）图5并用积分综合表示了整个过渡过程中动态误差的大小。它的意义是，在过渡过程中被控量的偏差（不分正负）对于时间的累积数字愈小愈好。这个积分综合表示了偏差的大小和持续的时间，所以积分面积最小表示偏差小和过程快。除了以上误差绝对值积分指标外，还有采用其
26、他的积分指标，如希望误差平方积分最小等，现将常用的误差性能指标列于表2-16中。 表2-1 误差性能指标名 称表 达 式备 注平方误差积分指标(ISE)积分下限是过渡过程开始的时间，积分上限可以由选择足够大的时间ts来代替，当tts时，e(t)足够小，可以忽略。时间乘平方误差积分指标(ITSE)绝对误差积分指标(IAE)时间乘绝对误差积分指标(ITAE)3 基于单片机的水箱液位控制系统设计本设计以水箱的供水为基本模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等优点，设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统。它具有实时测量监控水箱液位高度并显示的功能，并根据实时水量与设置
27、的上、下液位参数进行比较，启动电机供水或停止水泵。在启动电机与停止水泵时，实时记录时间点与电机的状态。液位测量高度5米，测量精度10%，AC220V供电。可通过上位机软件，与监控记录系统进行通信，能够从PC机获取当前液位高度、电机状态、设备系统时间、上下液位高度等数据，并根据需要改变系统默认的参数。同时可以获取设备运行时记录的数据，并能够对数据进行保存。并能够根据一定的算法，计算分析单位时间水箱消耗的水量，并绘制图形，通过计算分析的结果，可以进行区域用水统筹，降低能源的消耗。3.1 核心芯片8051 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是
28、被用在工业控制领域。单片机有芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器更适合嵌入式系统，因此它得到了更广泛的应用，事实上单片机是世界上使用最多的计算机。计算机芯片MCS-517是一个电脑晶片,英特尔公司生产系列。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机（如图3-1）。CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU
29、包括两个部分:运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号进行采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够；而8051却可以利用P0、P2口作为控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制键盘参数的输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了大大的提高。系统总原理图见附录A。 图3-1 8051引脚图3.2 系统的硬件设计广泛的液位控制系统包括对水体的液位，压力等参数的控制，本系统只侧重于介绍液位的控制。液位
30、控制是利用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器，把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC08098把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位的报警和键盘的显示与控制。模拟过程见图3-2。控制执行装置8051按键及显示模块报警装置传感器图3-2 基于单片机的液位控制系统根据系统的设计要求，采用单片机为主控芯片9，通过单片机数据地址总线及I/O端口，扩展数据存储模块、A/D转换模块、显示模块、时间模块、串口通信模块以及A/D转换、电机控制等外围电路，从而实现系统所需的设计功能。传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再
31、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单片机的运算控制，在通过LED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体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机。3.2.1 液位传感器的设计 在液体液位控制系统中,传感器的选择是非常重要的,传感器能感受规定的被测量,并按照一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,它的性能直接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10的种类很多,如温度传感器,加速度传感器,光学传感器,压力传感器等,本设计主要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的光电传感器来对液位进行控制
32、，在把检测的电信号通过ADC0809输入到单片机进行分析,在由LED进行显示和键盘控制,实行对液位的报警。光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本文采用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
33、图3-3:图3-3 液位传感器液位传感器的主要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件主要采用的是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。 光电效应的基本原理是PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子、空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度
34、变化，光生电子,空穴对的浓度将发生相应的变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光电效应的原理就是光电二极管的原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简单的光学元件。而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度，也是把光信号转化成电信号。3.2.2 A/D转换器的选择 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片11。（1）、主要特性8路输入通道，8位A/D转换
35、器，即分辨率为8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时)。 单个5V电源供电。 模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-4085摄氏度。 低功耗，约15mW。（2）、内部结构和外部引脚 下面对ADC0809各引脚定义分述如下： IN0IN78路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。D7D0A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。ADDA、ADDB、ADDC模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高
36、位。地址信号与选中通道对应关系如表11.3所示。VR(+)、VR(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。在单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。STARTA/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存止，重新从头开始转换器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原
37、来的转换进程被中。EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。3.2.3 液位的调节及控制部分 这一部分12包括对液位数据的处理及对调节阀所发出的指令的处理。测得的液位信号转换为数字量
38、后。送入单片机进行数据处理，为了保证整个生产线的连续运行，要求容器内的液位最低不能低于预设值下限，最高不能高于预设值上限。将测得的液位值与上述两个规定值进行比较，若在该范围内，则不改变输出信号使阀1保持现有的流量；若测得液位低于预设值的下限。则需根据情况调整调节阀的开度，以加大调节阀流量；若测得液位高于预设值的上限，同样根据情况调整调节阀的开度，减小调节阀流量，从而改善容器内的液位。整个系统数据处理的工作由单片机来完成。处理后所发出的调节阀门的信号是数字信号，经D/A转换器转换为模拟量，再由放大器放大后去调节阀门的开度，从而改变流入容器的流量。本次水箱液位控制系统D/A转换器选用一个8通道的D
39、AC0832。3.2.4 LED显示及报警部分 LED显示块13是由发光二极管显示字段的显示器件，常使用七段LED。这种显示块有共阴极与共阳极两种接法。N位LED显示器有N根位选线和8N根段选线。根据显示方式不同，位选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，位选线控制显示器的亮暗。LED显示方式有静态显示方式和动态显示方式，如八位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。其中一个控制段选码，另一个控制位选码。由于所有位的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，八位LED只可能显示相同的字符，必须采用扫描显示方式。即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字
40、符段选码，位选控制I/O口在该显示位送入选通电平以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。段选、位选码每送一次后延时15ms。LED显示电路连接图见附录B。图3-4 自动报警电路的接线图如图3-4连接水箱液位控制系统自动报警电路。下列二种情况发生系统报警：（1）当水位达到上限极限水位时报警，水位到达上限极限水位时系统发出报警；（2）当水位达到下限极限水位时报警，水位到达下限极限水位时系统发出报警。3.2.5 电机控制模块软件设计 驱动电机的启动与关停的程序流程图如图3-5所示。电路连接图见附录C。启动A/D转换读取液位数据开始实际液位高
41、警戒液位且电机已启动关闭电机记录数据实际液位低警戒液位且电机关闭返回启动电机记录数据是否是否 图3-5 液位检测流程图3.3 系统的软件设计 该系统硬件系统完全，但系统的运行与控制必须靠软件的支持，系统硬件组态完成后，根据I/O地址分配和功能的要求便可进行软件编程。软件编程是系统完成控制的一个重要组成部分。系统软件程序主要完成初始化工作，输入输出控制，子程序主要完成数据采集处理的功能，其中包括采集的液位数据与给定的液位值进行比较，从而来判断是否需要报警，以及处理完成显示部分与调节阀的信号输出。在该系统的软件部分的设计中，第一部分主要是对流程图的介绍，其中包括了对水位的检测，对补水泵的控制开和关
42、，以及补水泵是否正常工作的报警。通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确的控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，并可以防止故障的发生；第二部分是系统工作程序的编程内容，由于全部编程部分较多，只取最重要的水位检测主程序段。本程序段主要实现启动ADC0809转换器，并从A/D转换器采集信号的功能。3.3.1 软件设计流程图 本软件流程图，见图3-6，设计简易合理，方便易于操控，能够针对水位的不同状态和不同的外界条件进行控制,水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善；同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业水体液位方面作业的稳定运行。补水泵1有故障吗？水位下限水位吗？开启补水泵1进
43、行补水水位检测YNN补水泵2工作Y开始返回检测水位为上限水位吗？补水泵1停止补水YN检测水位为上限水位吗？补水泵2停止补水YN故障报警 图3-6 软件设计流程图3.3.2 系统软件编译开发环境 8051系列单片机共有111条系统指令，可实现51种基本操作。然而汇编语言指令却有程序的可读性低，程序开发人员的开发时间长与开发难度大，程序移植性差等缺点。C语言是一种编译型程序设计语言。它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。用C语言来编写目标系统软件，将会大大缩短开发周期，增加软件的可读性，便于改进和扩充。用C语言进行51系列单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。KEIL C51开发
44、工具套件可用于汇编C语言程序、汇编源程序、链接和定位目标文件和库，创建HEX文件以及调试目标程序。本设计使用KEIL C51 Vision3为开发编译环境，使用C语言编写程序，实现各模块功能设计。3.3.3 显示与A/D转换的数据处理 系统中，显示输出的要求为压缩BCD码，而A/D转换输入的数据是8位16进制码，因此在实现显示之前需要编码的转换。对8位A/D转换器而言，其十六进制、相对满偏电压比率、相对电压幅值的关系对应如表3-114：表3-1 A/D转换幅值数据关系对照表十六进制二进制满刻度比率相对电压幅值Vref=2.5V高四位低四位高四位电压低四位电压F111115/1615/2564.8000.320E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.1600.260C110012/1612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180010008/168/2562.5600.16070111