利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文、作業(yè)）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文、作業(yè)）題目： 利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 分校（站、點(diǎn)）： 年級、專業(yè)： 教育層次： ?？?學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 目錄內(nèi)容摘要.I一、前言.1 （一）概述.1（二）發(fā)展趨勢.1二、液位控制系統(tǒng)分析.2（一）液位控制系統(tǒng)的工作原理.2（二）液位控制的實(shí)現(xiàn)方式.21、簡單的機(jī)械式控制方式.22、復(fù)雜控制系統(tǒng)控制方式.3三、液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).3（一）硬件設(shè)計(jì) .31、單片機(jī)的選用.32、傳感器的選用.43、鍵盤電路的選用.44、液位顯示電路的設(shè)計(jì) .55、AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出.6（二）軟件設(shè)計(jì).7 1、液位控制系統(tǒng)模型框圖.72、液位控制系統(tǒng)鍵盤程序. 8五、總結(jié).9參考文獻(xiàn).9致 謝.10內(nèi)容摘要傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。通過本文的研究，總結(jié)出了壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的優(yōu)勢：體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡單實(shí)用，成本低，效益好；具有較高的性能價(jià)格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高?；趩纹瑱C(jī)的過程控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程做了有益的嘗試也為提高過程控制自動(dòng)化水平提供了有參考價(jià)值的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：傳感器；傳感器技術(shù)；液位控制系統(tǒng)I利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、前言 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計(jì)算機(jī)、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。（一）概述在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強(qiáng)的測量與控制。除此以外，還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合，又便于集成化,所以可用來制成血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價(jià)比最高的一類傳感器。壓力傳感器是用于測量液體與氣體的壓強(qiáng)的傳感器。壓力傳感器工作時(shí)將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)作為壓力傳感器的一種被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使自己對單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制系統(tǒng)作為研究項(xiàng)目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)自己分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識的潛能。并且，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。（二）發(fā)展趨勢由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合,又便于集成化,所以可用來制成血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價(jià)比最高的一類傳感器。國外液位控制系統(tǒng)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，我們國內(nèi)也在朝著這方面努力，而且好多企業(yè)與國際接軌，有了不菲的成績。比如單片機(jī)控制的智能型液位控制系統(tǒng)的運(yùn)用等等?？偟膩碚f，發(fā)展方向有：(1)高速化，高效化，低能耗。提高液位控制系統(tǒng)的工作效率，降低生產(chǎn)成本。(2)機(jī)電液一體化。充分合理利用機(jī)械和電子方面的先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)整個(gè)控制系統(tǒng)的完善。(3)自動(dòng)化、智能化。微電子技術(shù)的高速發(fā)展為液位控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化提供了充分的條件。智能化不僅僅體現(xiàn)的在液位控制，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動(dòng)診斷和調(diào)整，具有與液面不接觸的特點(diǎn)。二、液位控制系統(tǒng)分析隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使我們對單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示測量值，從而實(shí)現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。（一）液位控制系統(tǒng)的工作原理基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制系統(tǒng)是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)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(fā)生變化時(shí)，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該信號經(jīng)過運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為05V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時(shí)數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強(qiáng)制報(bào)警值。該系統(tǒng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)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（二）液位控制的實(shí)現(xiàn)方式對于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡單的機(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下： 1、簡單的機(jī)械式控制方式其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。 2、復(fù)雜控制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。 針對上述2種控制方式，以及設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時(shí)考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機(jī)控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開啟繼電器，控制水泵開始上水。現(xiàn)場實(shí)時(shí)顯示測量值，從而實(shí)現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。三、液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在過程控制中占有十分重要的地位。眾所周知,控制系統(tǒng)已被廣泛使用,在其研究與發(fā)展上也已趨于完善,在工業(yè)生產(chǎn)過程中控制的應(yīng)用也起到了使工程流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)。（一）硬件設(shè)計(jì) 液位控制系統(tǒng)的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。 1、單片機(jī)的選用單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，如圖2所示。其中，P0口用于AD轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個(gè)35的鍵盤；P2口用于控制電磁閥和水泵動(dòng)作；P3口用于上、下限指示燈，報(bào)警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。圖2是AT89C51芯片的引腳功能說明。 圖2 AT89C51芯片外形結(jié)構(gòu)和引腳分布圖2、傳感器的選用傳感器使用SY一9411LD型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的5552型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(O70)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖3所示。1腳為信號輸出(一)；2腳為信號輸出(一)；3腳為激勵(lì)電壓；4腳為地；5腳為信號 輸出(+)；6腳為信號輸出(+)。圖3 SY-9411L-D型變送器引腳結(jié)構(gòu)圖在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到AD轉(zhuǎn)換器。 3、鍵盤電路的選用行列式鍵盤輸入適合于按鍵輸入多的情況，如有16個(gè)按鍵輸入，用簡單按鍵輸入用要占用2個(gè)輸入口（共16位），而使用行列式鍵盤輸入只需占用一個(gè)輸入口（8位）。P1口作為鍵盤接口，連接一個(gè)44的鍵盤。結(jié)構(gòu)上采用行列方式，可定義鍵盤布局。結(jié)構(gòu)如圖4所示。P1口作為鍵盤引出端;P6口和P5口的部分引腳作為液晶的數(shù)據(jù)口和控制口;P1.4和P1.5分別作為可執(zhí)行機(jī)構(gòu)1和2的控制信號輸出端。結(jié)構(gòu)如圖所示。圖4 P1口鍵盤電路結(jié)構(gòu)圖4、液位顯示電路的設(shè)計(jì) 液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，范圍從0999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖。 圖5 顯示電路原理圖5、AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出A/D轉(zhuǎn)換電路在控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量。該控制系統(tǒng)采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)等待3種方式編制A/D轉(zhuǎn)換程序。圖6是A/D轉(zhuǎn)換部分原理圖，在接線時(shí)先經(jīng)過運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。 圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報(bào)警。另外在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開發(fā)使用。（二）軟件設(shè)計(jì) 1、液位控制系統(tǒng)模型框圖圖7 程序設(shè)計(jì)框圖液位控制系統(tǒng)模型的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。 圖7 程序設(shè)計(jì)框圖2、液位控制系統(tǒng)鍵盤程序 由于鍵盤采用的是44結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，09號為數(shù)字鍵，1015號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下： KEY： MOV P2，#07H ；用反轉(zhuǎn)法查鍵KEYI： MOV B，A ；有鍵按下，存鍵碼 MOV A，P2 MOV DPTR，#TABLE ANL A，#07A MOV R3，#OFFH ；存順序碼單元初始化 MOV B，AKEY2：INC R3 MOV P2，#OF8HMOV A，R3MOV A，P2MOVC A，DPTRANL A，#OF8H CJNE A，KEY3 ；判鍵碼，求順序碼ORL A，BMOV A，R3 ；若找到鍵碼，存順序碼CJNE A，#OFFH,KEY1RET RET ；無鍵按下KEY3: CJNE A，#OFFH,KEY2 ；判是否查完RET ；已查完，鍵碼未找到，以無按鍵處理TABLE:DB OF6H，0EEH，0DEH，0BEH，7EH ；按鍵特征碼表DB 0F5H，0EDH，0DDH，0BDH，7DHDB 0F3H，0EBH，0DBH，0BBH，7BH，0FFHA/D轉(zhuǎn)換子程序如下：ADCC:PUSH ACC ；模數(shù)轉(zhuǎn)換程序 PUSH B MOV DPTR，#0BFFFH MOVX A ，DPTR ；讀模數(shù)轉(zhuǎn)換值 MOV B，#0AH ；十六/十理家制轉(zhuǎn)換DIV AB MOV DSP2,B MOV DSP3,A POP B POP ACC SETB EARETI值得注意的是，在用匯編語言編寫控制系統(tǒng)程序時(shí)，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。 五、總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)是我所做的最綜合的一個(gè)題目，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準(zhǔn)確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。在做設(shè)計(jì)時(shí)，第一步是按照設(shè)計(jì)要求來確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個(gè)電子元件的功能及題目的要求一一進(jìn)行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設(shè)計(jì)方案并確定。最開始我選擇了兩個(gè)方案，但經(jīng)過方案的比較及論證后去掉不合理的一個(gè)，最終用那個(gè)最好的方案來設(shè)計(jì)。通過這次課程設(shè)計(jì)我深刻的感到了理論和實(shí)踐之間的巨大差距極其之間的聯(lián)系。平時(shí)理論知識學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計(jì)中并不能得心應(yīng)手，會遇到很多不會的操作，這就需要加強(qiáng)實(shí)踐能力，一個(gè)同學(xué)的知識變成多個(gè)同學(xué)的知識，多個(gè)同學(xué)的知識變成一個(gè)同學(xué)的知識，這樣才能相互促進(jìn)、相互提高。另外，理論與實(shí)踐也存著必然的聯(lián)系，在指導(dǎo)老師的幫助下才能使課程設(shè)計(jì)最終成功。參考文獻(xiàn)： 1黃智偉.傳感器技術(shù).2002，21（9）：3133 2竇振中.單片機(jī)原理主程序設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社.2000 3賈民平.測試技術(shù).高等教育出版社致 謝此次論文的全部工作得到指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的敬業(yè)精神以及高度的責(zé)任感使我受益非淺同時(shí)，感謝我的上級領(lǐng)導(dǎo)，從專業(yè)知識上給我?guī)椭８兄x我們公司的設(shè)備廠商工程師給予我的指導(dǎo)。值此論文完成之際，謹(jǐn)向幫助我完成設(shè)計(jì)的老師及同事們表示崇高的敬意和衷心的感謝！10