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1、学 号：210501XINJIANG INSTITUTE OF ENGINEERING毕业设计设计题目：基于单片机锅炉水位控制系统设计学生姓名：专 业：电气工程及其自动化班 级：电气工程及其自动化13-2（本）系 部：电力工程系指引教师： 二一七年六月五日摘 要液位控制是工业控制过程中一种重要参数控制，它性能和工作质量优良不但仅对生产有着巨大影响，并且也关系着生产安全。此前，大量对液位控制是由相应人员进行操作，这样人工方式带来了很大弊端，例如液位控制，夜间监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易监测器件损坏，将带来无法弥补损失，更严重会危机到生产人员人身安全等。因此，如果可以使用精密并且完全会严格按
2、照生产规定运营自动化系统，可以最大限度避免事故几率，同步也能节约资源并能有效提高生产效率。本文通过对液位控制系统研究，设计了以8051单片机为核心、以光电传感器为检测元件液位控制系统，实现了报警和自动切换功能。该系统操作以便、性能良好，比较符合锅炉水位控制需要。本文还详细给出了有关硬件框图和软件流程图，并编制了汇编语言程序。核心词：单片机 光电传感器 液位 报警Abstract Liquid level control is an important parameter control in the process of industrial control. Its performance
3、and quality of work not only have a great impact on production，but also related to the safety of production. Previously，a large number of liquid level control is by the staff to operate，so that artificial means a lot of drawbacks，such as liquid level control，and so on the night of monitoring，the ope
4、rator slightly negligence，or simply monitor parts damaged，will bring irreparable loss，a more serious crisis to production personnel the personal safety. So，if the use of sophisticated and complete production will be in strict accordance with the provisions of the operation of the automation system，c
5、an maximize the chances of avoiding accidents，but also save resources and can effectively improve the efficiency of production.Through the research of the liquid level control system，this paper designed a liquid level control system with 8051 single chip microcomputer as the core and photoelectric s
6、ensor as the detection element，and realized the alarm and automatic switching function. The system is easy to operate and has good performance. It meets the need of boiler water level control. This paper also gives the detailed hardware block diagram and software flow chart，and compiles the assembly
7、 language program.Key words：single chip microcomputer；photoelectric sensor；liquid level；alarm目 录摘要ABSTRACT1 绪 论1 1.1 课题研究背景及意义2 1.2 国内外研究现状2 1.3 本系统设计内容32 液位控制系统总体方案设计3 2.2 系统硬件总体方案5 2.3 系统软件总体方案5 2.4 本章小结63 液位控制系统硬件设计7 3.1 核心芯片8051单片机7 3.2 液位传感器9 3.3 光电式传感器基本特性12 3.3.1光谱特性12 3.3.2 伏安特性13 3.3.3 光电特性
8、13 3.3.4 温度特性13 3.3.5 频率特性13 3.4 A/D转换器ADC080915 3.4.1 AD转换基本原理15 3.4.2 ADC0809转换芯片18 3.5 键盘及显示接口19 3.6报警电路20 3.7 本章小结244 液位控制系统软件设计25 4.1单片机液位控制系统控制算法及实现25 4.1.1控制对象26 4.1.2控制指标26 4.1.3控制回路调节28 4.2 软件设计流程图28 4.3本章小结305系统调试31 5.1仿真调试31 5.2控制软件调试31 5.3 数据测试32结论34参照文献35谢辞37附录 液位检测主程序381 绪 论1.1 课题研究背景及
9、意义液位控制系统是以液位为被控制参数系统，它在工业生产诸多领域均有普遍应用。在工业生产过程中，有些地方需要对容器内介质进行液位控制，液位控制普通指对某一液位进行控制调节，使其达到所规定控制精度。液体液位自动控制,是近年来新开发一项新技术,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,工程作业采用是微机控制和原有仪表控制,微机控制有如下明显优势:1直观而集中显示各运营参数,能显示液位状态。2在运营中可以随时以便修改各种各样运营参数控制值,并修改系统控制参数,可以以便变化液位上限、下限。3 具备控制过程自动化解决以及监控软件良好人机界面，操作人员在监控计算机上能依照控制效果及时修运营参
10、数，这样能有效地减少工人疲劳和失误，提高生产过程实时性、安全性综合以上长处可以预见到采用计算机控制系统是行业大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低特点使它应用领域日益广泛。普通,工业控制系统工作环境差,干扰强,运用单片机控制就能克服这些缺陷,因而单片机在控制领域得到广泛应用,使用单片机控制液体液位是较好选取1 。1.2 国内外研究现状 近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制概念更是应用在许多生活周遭事物。液位控制系统已是普通工业界所不可缺少，举凡蓄水槽、污
11、水解决厂等都需要液位元控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以容易在操作室获知整个设备储水状况，大大减低工作人员工作危险性，同步更提高了工作效率及简便性。 近年来液位控制系统获得了很大进步，浮现了许多新型液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器浮现大大提高了控制系统精度，实现了控制系统丰富多样性。 在自动控制理论和设计办法发展推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优秀、实用性强液位控制器以及相应仪器仪表，并广泛应用于生产生活各个领域。这些先进控制器不但能实现各种复杂环境下液位控制系统控制，并且运用先进算法，
12、采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器合用范畴更加广泛。国外液位控制器在朝着高精度、智能化等方向迅速发展。 在国内，虽然液位控制系统在国内生产生活应用十分广泛，但国内液位控制器发展水平还是不高，同先进国家差距很大。国内液位控制器以常规PID控制器为主，无法合用于滞后、复杂、时变液位系统控制。智能化、自适应控制系统，国内还没有有关成熟技术。国内有关控制器大量依托国外成熟技术，这些都是必要正视现实。因此，发展先进液位控制技术是咱们必要注重趋势。 随着科学技术不断发展，人们对液位控制系统规定越来越高，特别是高精度、智能化，人性化得液位控制系统是国内外液位控制系统发展
13、必然趋势 2 。1.3 本系统设计内容本控制系统以液位作为研究对象。设计一种基于单片机液位控制系统，其中涉及液位检测，信号解决和控制元器件选型。系统原理是采用液位式传感器测量液体液位值,通过单片机转换与分析在LED上显示及输出控制;依照当前液位值和顾客设定水位决定与否进行开关水泵,以及与否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。2 液位控制系统总体方案设计本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其有关硬件来实现液位控制系统,在用液位传感器测液位同步，CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示液位高度,检测液位数据,实行报警安全提示,当水体液位低于顾客设定值时,系统自动打开泵上水,当水位到达
14、设定值时,系统自动关闭水泵或打开排水泵。CPU传感器A/D转换器LED显示报警装置控制执行装置图2-1 基于单片机液位控制系统框图由图2-1可观测到传感器通过对液面进行测量，输出模仿信号，再通过模数转换器把输入模仿信号转换成数字信号，通过8051单片机运算控制，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启动实现对水体液位进行调节控制,阀门驱动设备是电动机 3 。2.1液位控制器系统必要性及与老式浮球阀控制系统比较 水位控制器可以采用水位或时段控制进水（本文采用水位控制）。把浮球阀改成水位控制器，就相称于无形中增大了水厂清水池，对于水厂均衡生产势必会带来极大好处1.安全
15、性：液位控制器智能程控系统采用：低电压（12伏电压），微电流作为控制电源，运用稳定高效智能集成电路依照各种不同类型功能给排水工程（如建筑楼宇，住宅社区，地铁隧道，工矿公司等）不同需求，结合“给排水系统”不同步期水位变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制“给排水系统”运转原理进行设计。由于采用独特多点接触式感应程序，分级分段控制解决水位信息，有效防止了水池水位过高溢出或缺水，水位过低，断水导致水泵空转损坏。彻底排除了“给排水系统”发生漏电，断水，浸水给人员，设备，环境带来安全隐患，从而保障给排水系统安全畅通，保证用电安全。老式浮球阀控制系统采用220V交流电源作控制电源，运用浮球阀在水中上下
16、浮动不同角度变化，通过阀内钢珠推动杠杆，启动内置开关来操控水泵或阀门系统工作。由于受工作环境影响，浮球阀电源电缆长期处在阴暗潮湿地方，在寻常清理维护过程中，很容易导致破损，（老鼠也也许导致破坏）；特别是浮球阀长期浸在水中（浮球阀都是由上下两某些粘结合成）一断发生渗漏，破损，虽然有少量进水就会导致钢珠生锈，开关等系统失灵，断路，烧毁，甚至也许浮现漏电；如此隐患一断发生，轻者导致“给排水系统”失控，水泵烧毁和局部浸水，断水；严重有也许导致大面积漏电，对人员生命，设备环境将形成极大威协，后果十分严重！2.稳定性：液位控制器智能程控系统采用稳定高效智能集成电路，依照各种不同功能类型给排水工程（如住宅楼
17、宇，地下建筑工程，地铁隧道，工矿公司等）不同需求，结合“给排水系统”不同步段水位变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制“给排水系统”运转。由于咱们采用独特多点接触式感应程序，分级分段控制解决水位信息，独立缺水保护系统功能，有效保证水泵及设备安全；因而整个系统工作状态，不会受到任何环境影响（感应触点固定，必要时可加上防护罩）时刻保障“给排水系统”及时畅通无阻。老式浮球阀控制系统（即机械浮球阀其重要用材为：塑料浮球阀，不锈钢浮球阀，铜质浮球阀等）通过浮球阀在水中上下浮动不同角度，使浮球阀内钢珠推动杠杆，从而启动内置开关来控制水泵或阀门系统工作。由于受工作环境影响，浮球阀浮动容易受到外部环境干扰
18、（如杂物等），很难精确体现实时水位信息；此外由于浮球阀是由两某些粘结合成，容易发生渗漏，破裂，虽然有少量积水，都会导致钢珠锈蚀，开关失灵断路，严重有也许使“给排水系统”失控，有关设备水泵等烧毁导致局部断水或浸水。导致重大经济损失和极坏社会影响。3.经济性：液位控制器智能程控系统由于采用稳定高效智能集成电路，与当前普遍使用“给排水系统”配电，监控管理系统设施能有机结合，形成配套系统。因而不会影响工程成本。但在管理成本，维修维护费用方面，液位控制器智能程控系统比老式浮球阀控制系统节约费用90左右。由此可见液位控制器智能程控系统使用经济价值远远不不大于老式浮球阀控制系统。2.2 系统硬件总体方案系统
19、原理是采用高亮二极管和光敏三级管所构成液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在现场四个不同位置，由上至下测量水体液位值，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3位七段LED显示屏显示出液位四种状态及报警安全提示。用LED显示是由于它具备显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，依照当前液位值和顾客设定水位决定与否进行开、关水泵,需要与否启动和关闭驱动阀门电动机。本设计重要运用了液位传感器测液位,第三章将着重简介。2.3 系统软件总体方案水位检测是通过四对由高亮二极管和光敏三极管所构成液位传感器分别安装在四个不同位置，由上至下四个输出端口分
20、别接单片机P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。本系统所使用传感器性能稳定,测量精确,大大简化现场安装,具备较高性价比,有较大工程应用价值,并且运用计算机与组态软件技术对工业生产过程进行自动控制有着重要意义。其优越性重要在于：一方面，通过对水体液位进行简易以便操纵，可以精确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作需要.2.4 本章小结 本章在分析了基于单片机液位控制系统设计任务后，有针对性提出了任务解决办法，给出了系统设计整体方案。并对系统各个模块依照其功能做出了合理划分，并阐述它们之间关系。依照实际设计详细规定，选取了合理解决办法。在背面几章，将对各个模块进行详细阐述，并
21、给出详细实现办法。3 液位控制系统硬件设计广泛液位控制系统涉及对水体液位，压力等控制，本系统只侧重于简介液位控制。液位控制是运用由高亮二级管和光敏三级管所构成液位传感器，把液位状态转换成模仿信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机I/O接口，单片机通过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位报警和键盘显示与控制 5 。3.1 核心芯片8051单片机系列产品有8051、8031、8051。其中影响极为深远就是8051。诸多其她系列单片机都以它技术为核心,因此本设计所采用核心芯片是8051单片机。CPU是它核心设备,从运用功能上看,CPU其中包括两个某些：运算
22、器和控制器以及对输入信号分析和解决 6 。控制信号采集、解决、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，以便现场调试和维护，使整个系统通用性和智能化得到了很大提高。系统原理是运用液位式传感器测量液体液位值,通过单片机转换与分析，在LED上显示及输出控制。依照当前液位值以及顾客设定水位决定与否进行开关水泵,以及与否到达危险高、低水位,必要时关闭阀门。外置石英振荡器时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。8051单片机引脚功能：8051时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容
23、,振荡电容值普通取10p-30p。此外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容构成振荡器。 输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口接口，此外也作为模数转换数据传播口,P2口为程序存储器扩展口高八位地址总线口，P1口为输入/输出口 7 。8051初始态如表3-1
24、。特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07H07H00HTH000HDPL00HTL000HIPxxx00000BTH100HIE0x00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxB表3-1 寄存器初始状态8051复位方式可以是自动复位见图3-2。此外，RESET/Vpd还是一复用脚， 此设计采用自动复位电路。3.2 液位传感器在液体液位控制系统中,传感器选取是极为重要,传感器是能感受规定被测量数据,并按照一定规律转换成可用输出信号器件或装置,它普通由敏感元件
25、和转换元件构成,它性能直接影响到整个检测系统,对检测精准度起着重要作用。传感器种类诸多,有光学传感器，加速度传感器，压力传感器，温度传感器,本设计重要采用是由高亮二级管和光敏三级管所构成光电传感器来对液位进行控制，再把检测到电信号通过ADC0809输入单片机进行分析,接着由LED进行显示和键盘控制,实行对液位报警，进而控制液体液位。光电检测办法具备精度高、反映快、非接触等长处，并且可测参数多，传感器构造简朴，形式灵活多样，因而,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本设计采用是四对高亮二极管和光敏三极管所构成液位传感器，这种液位传感器如图3-3所示：图3-3 液位传感器由图3-3可知，液位传
26、感器重要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件重要采用是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。光电效应原理是PN结加反向电压时，反向电流大小取决于P区和N区中少数载流子浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中少数载流子(空穴)都很少，因而反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h不不大于材料禁带宽度，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长，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。如果入射光照度变化，光生电子,空穴对浓度将相应变动，通过外电路光电流
27、强度也会随之变动，光电效应原理就是光电二极管原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简朴光学元件。而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具备更高敏捷度，也是把光信号转化成电信号。光敏三级管是由高亮二极管进行发光，高亮二极管是一种把电能转变成光能半导体器件。它原理和光敏二极管相似,也是产生光电效应。只但是原理正好相反,当有电流导体内部产生光电流,照射在PN结上,在内部产生光电流,它具备体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等长处，并能和集成电路相匹配。因而，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。由光通量对光电元件作用原理不同所制成光学测控系统是各种各样，
28、按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模仿式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模仿式光电传感器是将被测量转换成持续变化光电流，它与被测量间呈单值关系。而本设计液位传感器重要构成光敏三级管就是属于模仿式光电传感器。通过吸取高亮二极管光来测量液位高度,在转化成光电流传到模仿传感器ADC0809中。a 光敏三极管构造示意图 b 基本电路 图3-4 光敏三极管这样集电极电流IC将随入射光照度变化而更加明显地变化。光电传感器普通由光源、光学通路和光电元件三某些构成,如图3-5光电传感器框图: 图3-5 光电传感器框图光电传感器普通由光源、光学通路和光电元件三某些构成，如图3-5所示。图中，
29、1是光源发出光信号，2是光电器件接受光信号，被测量可以是x1或者x2，它们可以分别导致光源自身或光学通路变化，从而影响传感器输出电信号I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多领域内得到广泛应用 10 。3.3 光电式传感器基本特性3.3.1光谱特性在入射光照度一定期，光敏晶体管相对敏捷度随光波波长变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范畴人射光敏感，这就是光敏晶体管光谱特性，见图3-6。由曲线可以看出，当入射光波长增长时，相对敏捷度要下降，这是由于光子能量太小。当人射光波长太短时，光波穿透能力下降，却不能达到PN结，因而相对敏捷度也下降。从曲线还可以看出，不同材料光敏晶体管，光谱峰值波长不
30、同。硅管峰值波长为0.9m左右，锗管峰值波长为1.5m左右。由于锗管暗电流比硅管大，因而锗管性能较差。因而在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为适当 11 。3.3.2 伏安特性如图3-7所示。在这里变化光照就相称于变化普通三极管基极电流，从而得到这样一簇曲线。3.3.3 光电特性普通说来，光敏二极管光电特性线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增长较小，。这是由于光敏三极管电流放大倍数在小电流和大电流时都下降缘故。3.3.4 温度特性温度变化对光敏晶体管亮电流影响较小，但是对暗电流影响却十分明显。因而，光敏晶体管在高照度下工作时，由于亮电流比暗电流大
31、得多，温度影响相对来说比较小。但在低照度下工作时，由于亮电流较小，暗电流随温度变化就会严重影响输出信号温度稳定性。在这种状况下，应当选用硅光敏管，这是由于硅管暗电流要比锗管小几种数量级。同步还可以在电路中采用恰当温度补偿办法，或者将光信号进行调制，对输出电信号采用交流放大，运用电路中隔直电容作用，就可以隔断暗电流，消除温度影响。 3.3.5 频率特性光敏晶体管受调制光照射时，相对敏捷度与调制频率关系称为频率特性。如图3-6所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出减少。普通来说，光敏三极管频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管频响比硅管小一种数量级。 图3-6光敏晶体管光谱特性 图3-7 光敏三极
32、管伏安特性光电传感器敏感范畴远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器敏感范畴。此外，光电传感器体积很小，而敏感范畴很宽，加上机壳有诸多样式，几乎可以处处使用。最后，随着技术不断发展，光电传感器在价钱方面也可以同其她传感器相比有优势。3.4 A/D转换器ADC0809 A/D是把模仿信号转换成数字信号,把由传感器传来液位控制模仿信号转换成数字信号,然后再通过8051单片机分析解决进行LED显示和液位及压力报警。3.4.1 AD转换基本原理AD转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。它涉及了A/D转换芯片选取参照电压源配备、数字输入码与模仿输出电压极性等问题，而其中最核心问题是AD转换芯片
33、选取与应用问题。A/D转换器基本功能是将一种用二进制表达数字量转换成相应模仿量。实现这种转换基本办法是相应于二进制每一位，产生一种相应电流，而这个电流大小正比于相应二进制位权。DA转换器重要由三某些构成，即加权电阻解码网、受输入数字量控制电子开关组和由运算放大器构成电流转换器。电子开关组受输入二进制数据D7DO控制，当某一位为“1”时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使某一支路电阻上有电流流过。当某一位为“0”时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。加权电阻解码网络各支路电阻值与二进制数据D7DO“权”相相应，“权”大电阻值小，“权”小电阻值大。因而各支路电流不但决定于输入数
34、字量值(0或1)，还决定于“权”，各支路电流如下 12 ： （3-1）因而，总电流为Iout： （3-2）该总电流经电流转换器后有： （3-3） 其中 （3-4） 由上述A/D转换公式可知： 当水位达到最高点即2m时，输入数据D7D0为11111111B I=Vref/R I7=I/21 I6=I/22 I5=I/23.I0=I/28 I01=-I7+I6+I5+I4+I3+I2+I1+I0 =(I/28)*(27+26+25+24+23+22+21+20) 若Rfb=R，则： V0=-I01*Rfb =-I01*R =-(Vref/R)/28)*( 27+26+25+24+23+22+21+
35、20)*R =-(5/28)*( 27+26+25+24+23+22+21+20)由式（3-4）看出，尽管使用网络构造不同，但对于DA转换器输入输出来说是等效。就8位DA转换器而言，每一数字输入位所代表输出模仿量是其相邻2倍，这样就构成二进制数字量到模仿量转换器。DA转换芯片重要性能指标如下:1)辨别率。表征DA转换器对微小输入量敏感限度，通惯用数字量数位表达，如8位、12位、14位等。辨别率为10位DA转换器，表达它可以对满量程11024增量做出反映。2)相对精度。在满刻度已校准前提下，在整个刻度范畴内，对于任一数码模仿量输出与它理论值之差。通惯用偏差几种ISB来表达和该偏差相对满刻度比例表
36、达。3)转换时间。数字变化量是满刻度时，达到终值LSB2所需要时间，普通为几十纳秒至几微秒。4)非线性误差。普通给出在一定温度下最大非线性度，普通为0.l0.03。其工作过程是：比较开始时，一方面对二进制计数器(输出锁存器)最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。若模仿输入Uin不不大于Ui，比较器输出为1，则使输出锁存器最高位保持为1。然后对较低位依次按照该办法进行比较和调节，无论哪种状况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时DA转换器数字输入(输出锁存器内容)即为相应模仿输入信号数字量。将此数字量输出就完毕了AD转换过程。这种办法好比用天平称一种物体重量，第一次放最大砝码，若不适当，就
37、改放小一号，依次类推。一旦天平批示砝码太重阐明刚才放进去那个应当取走，显然对于n位转换器，总共需要重复这种过程n次。3.4.2 ADC0809转换芯片本开发系统AD转换实验硬件重要是由ADC0809转换芯片和四个可变电位器构成。ADC0809是8位8通路逐次逼近式AD转换器，输入电压在(O5)V，最大不可调误差小1LSB，它具备高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等长处。ADC0809芯片引脚图如图3-8所示。由图3-8可看芯片重要是由一种8位AD转换器、8路模仿输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器构成。为实现8路模仿通道能有条不紊地工作，一方面通
38、过地址译码锁存器选通所要开通8路模仿通道中一路开关，将模仿信号送入A/D转换器中实现A/D转换，转换后数据放到三态数据锁存器中档待CPU来取，取后由CPU启动新一次地址译码，重复以上完毕新一次A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等长处，被广泛应用于各种控制领域。图3-8为ADC0809芯片引脚图 14 。图3-8 ADC0809 芯片引图 ADC0809是带有8位A/D转换器，以及一种逐次逼近型寄存器。8路模仿开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一种通道模仿信号。由于多路开关地址输入某些可以进行锁存和译码，并且三态TTL输出也可以锁存，
39、因此它易于与微型计算机接口。3.5 键盘及显示接口本设计显示某些采用三位7段LED显示屏，LED显示屏是单片机应用中最惯用输出部件，它是由若干发光二极管构成，当发光二极管导通时，相应一种点或一种笔画发光，不同组合二极管导通，就能显示出各种字符。用LED是由于它具备显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长特点。在微型机系统中，LED惯用显示办法有两种。一种是静态显示，一种是动态显示。所谓静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持，直到下次送新显示模式为止。这种显示占用机少，显示可靠；缺陷是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。这种显示屏显示方式每一种七位显示屏需要一种八位输
40、出控制，本设计采用是静态显示。所谓动态显示就是单片机定期对显示屏进行扫描。这种办法中，显示屏件分时工作，每次只能有一种器件显示，但由于人视觉暂留现象，因此，仍感觉到所有器件都“同步”显示。这种显示办法长处是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多， 显示。动态显示亮度与导电电流关于，也与点亮时间和间隔时间比例关于。键盘是有若干按键构成开关矩阵，它是最简朴单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，来实现简朴人机对话。键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。非编码键盘有并行接口扫描和串联接口扫描，本设计采用是串行接口，它构成是由移位寄存器74LS164和六个键构成，74LS164是一种14位脚寄存器，集成电
41、路芯片，由8051串行接口TXD端输出列扫描信号到74LS1641、2引脚，键闭合信号则用端口P3.3、P3.4、P3.5输入8051单片机，由8051单片机TXD引脚输出移位时钟脉冲到74LS164时针输入端（CLK）。尚有非前者用软件来辨认和产生代码，后者则用键盘来辨认，键盘解决程序实现对键盘管理，显示详细图3-9。图3-9 LED显示屏3.6报警电路当液位控制系统中水体液位达到上限或者下限时，会发出报警，进而控制电磁阀打开或关闭。下列二种状况发生系统报警。 1)当液位达到上限极限液位时报警，液位到达上限极限液位时系统发出报警；2)当液位达到下限极限液位时报警，液位到达下限极限液位时系统发
42、出报警。图3-10报警电路接线图数字调节器D/AV/I伺服放大器电动调节器多容对象液位检测元件I/V放大电路A/D图1 多容对象液位控制系统构造图该控制系统由 51 单片机、D/ A 转换、V / I 转换、伺服放大器、电动调节阀、A/ D 转换、放大电路、I/ V 转换、液位检测元件等某些构成. 由 51 单片机给出控制量(数字量) ,经 D/ A 转换将数字量变为模仿量,由 V / I 将电压转换成电流并放大控制电动调节器控制容器里水流入量. 然后检测液位,将检测量返回送给控制系统,控制系统依照返回检测量与给定差值进行调节。 控制对象多容控制对象(以双容对象为例)为一水槽,其构造示意图为图
43、 2 其中 R1 为 1 #水槽流水阀液阻，R2 为 2 #水槽流水阀液阻，C1 为 1 #水槽液容，C2 为 2 #水槽液容，T1 为 1 #水槽时间常数， ，T2 为 2 #水槽时间常数,H1 为微变量,H2 为微变量，Kx 为流量阀流量系数，K为放大系数,为进入对象时纯滞后时间,考虑到输入水流量经一段距离，Kp 为比例系数，Td 为微分时间常数，T为积分时间常数，t为采样周期，为积分系数； 微分系数。控制指标在多容对象液位变化范畴 h = 0 - 100mm内 ,通过选取适当 PID 参数 ,规定能稳、准、快地稳定在所规定液位上 ，误差不超过 013mm ,当发生扰动(正扰动或负扰动)
44、时,能迅速恢复到本来所规定液位值上。 控制算法通过对控制对象分析得,消去中间变量后可得微分方程及传递函数若 T1 = T2 = T ,即多容对象为等容环节,则有通过实际实验测试,得其动态特性曲线如图 3 所示. 图3 双容对象动态特性曲线从曲线上,用切法对实验所得数据进行解决,得到其中放大系数 k = 1. 57 ,时间常数 T = 52. 5s ,滞后时间= 14. 8s.故对象传递函数为.控制回路调节冲量式数字 PID 控制算法简朴,工作稳定，在工作点附近普通能使被控制对象测量值迅速跟踪设定值,不产生大超调,在稳态时能消除偏差,具备较好调节效果,并且只需保持现时此前3 个时刻偏差,占用资源少,运算量相对较少3 .因而,将其用在了控制双容对象液位回路中.其算法表达如下 (1)由式(1)可得 (2)其中为微分系数,为偏差值之差.在本控制中,对 PID 参数选取是通过实验4 ,选出若干值,经调试过程中重复优化,最后找出最佳值为:比例系数 Kp = 0. 35 ,积分系数I = 1. 62 ,微分系数 D = 0. 33 ,采样周期 T = 3s.系统具备构造简朴,控制精度高,易于实现等特点5 .经实