1、毕业论文（设计）基于单片机的液位控制系统的设计学 生 姓 名： 郭亮 指 导 教 师 ： 李向军 专 业 名 称 ： 自动化专升本 13-2 所 在 学 院 ： 信息工程学院 2015 年 5 月目录摘要 .IIIAbstract .IV第一章 绪论 .11.1 研究目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 研究内容和方法 .2第二章 系统的总体方案 .32.1 系统设计的总体要求 .32.2 系统方框图 .32.3 硬件控制方案 .3第三章 硬件电路设计 .123.1 总体硬件模块图 .123.2 单片机 AT89S52 的硬件设计 .123.3 存储单元的硬件设计 .143.4
2、输入与显示设计 .163.5 A/D 转换单元设计 .183.6 通讯电路设计 .203.7 外围电路设计 .21第四章 软件设计 .234.1 系统软件 .234.2 各模块的软件设计 .24总结 .29致 谢 .30参考文献 .31附件 A 系统电路图 .32附件 B 各单元模块程序附录总结 .33大连海洋大学本科毕业论文（设计） | 摘要 I摘要液位值检测主要意义在于解决工厂、医疗及生活中液位调控过程投入人力物力过多的现象，同时提高控制系统的精准度，最终达到提高系统工作效率目的。以单片机为控制核心的装置系统具有实时数据转换与传送速度快、控制反馈速度快、工作环境适应能力强、系统使用寿命长、
3、功能损失小等特点。对待测液体进行数据提取，由传感器进行实时数据的检测，并与液位极值进行比较，根据工业需要进行供给液体或排放液体，超出极值时系统蜂鸣器自动报警并自动给液或排液，直至恢复至标准给定值。论文从硬件型号的选取到软件系统的设计，都逐一具体说明，进一步阐述该系统的实时液位测量过程及方法。最终将该系统的硬件与软件系统的设定基本完成。关键词：液位值检测，液位极值，单片机，传感器大连海洋大学本科毕业论文（设计） Abstract IIAbstractThe main significance of the detection level value to solve factories, med
4、ical and life level of regulation of the phenomenon of excessive investment in human resources, while improving the accuracy of the control system, and ultimately to improve system efficiency purposes.Microcontroller as control core device system with real-time data conversion and transmission speed
5、 control feedback fast, strong adaptability to the working environment, the system long service life, loss of function and other characteristics. Measure the liquid treat data extraction, real-time data is detected by the sensor and is compared with the level of extreme value, according to the indus
6、try need for supplying liquid or liquid discharge beyond extremes buzzer alarm system and automatically to the fluid or discharge liquid, until the return to the standard given value.Papers selected from hardware to software models system design, each one of them specific instructions, further elabo
7、ration of the system in real time level measurement process and methods. The final set of hardware and software systems substantially complete.Keywords: detection level value; level extremes; SCM; sensor大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 绪论0第一章 绪论1.1 研究目的和意义随着工业生产的发展，自动化的相应产业也随之不断更新换代，液位的控制也由传统的人工控制逐渐转变为自动化控制。对于传
8、统控制存在的问题，本次设计有了很强的针对性，避免了常规工业生产中的人员控制不及时问题。该系统具有预报警警示系统、报警系统、报警后的自补偿系统以及人工实时操控系统等组成。本次设计的主要意义在于解决工厂、医疗及生活中不必要人力物力的浪费，同时提高控制系统的精准度，最终到达提高了系统效率与质量的目的。1.2 国内外研究现状现今在工业生产中常用测量液位仪器有簧管式、浮球式、防爆式以及两线式控制液位器等。其中超声波液位控制器适用于液位控制精度较高的系统中，该系统的超声液位传感器由两组探头组成，功能分别为发射与接收信号。这种单发单收传感器可以避免类似自发自收式传感器安装、接收的盲区，又可克服多信号发射、接
9、收的多信号耦合现象。该系统传感器部分在空气中可以更好的发挥其工作性能，进而提高液位控制精度，在高精度控制系统中广泛应用 1。美 国 公 司 （ MILLTRONICS） 已 经 开 发 多 范 围 超 声 波 监 测 系 统 级 和 电 平 测 量 功 能 ， 它使 用 非 接 触 式 超 声 波 传 感 器 的 水 平 差 ， 水 平 变 化 可 以 被 监 测 30 厘 米 至 14 米 范 围 。 工业生产中常用的控制方式是串级控制，而串级液位控制又是典型控制中的常见事例。虽然，串级液位控制较之原始液位控制有着显著的效果，但该系统的大惯性、延迟、难以精确控制非线性模型等的特点也给实际生产
10、中添加了不少的困难。常规 PID 液位的调控是不能够理想的控制更复杂系统，然而神经网络则可更好地调控复杂系统，新型控制器 PID 方式（神经网络）不仅具有鲁棒性神经网络的特点，更为特殊的是该元件由常规的控制器 PID 方式及神经网络 BP 方式结合构成。敖茂尧提出优化算法关于粒子群进一步解决神经网络 BP 收敛慢特性。改良的控制方式由改进粒子群算法、控制器 BP 及神经网络 PID 构成，鉴于自学习、适应性以及加权改良进一步调剂 PID 参数，从而解决非线性模型的调控。控制算法的确定关系着被控物体调控的性能优势。控制回路的 PID 调节算法中，冲量式数字 PID 控制算法便捷、工作状态稳定、在
11、工作点上下浮动位置常规状态下能通过使被控制对象的数值测量 6，并且能快速与原系统的设定值保持一致，而不进行大幅度的超调设置。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 绪论1在稳定状态下可以消除偏差，调节效果也十分显著，且需要保留显示以前的时刻偏差数较少，因此系统的运算量和资源占用量也较少。1.3 研究内容和方法该系统主要研究对待测液体液位的控制，系统由传感器测得实时液位值，并传递给主机系统，数值到达极值时会自动给液或排液以确保液位值。在此过程中操作人员可以根据生产需要进行液位极值的变更设定。研究方法首先通过对系统总体工作要求的确定，规划出系统整体的运行框图（包括硬件与软件框图）。根据系统总框图
12、确定所需硬件，并依次决定硬件型号；对于软件则由程序流程图最终确定各部分程序。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统的总体方案2第二章 系统的总体方案2.1 系统设计的总体要求以常规无腐蚀性、不易汽化的液体为待测液的控制模型。以单片机为控制核心的装置系统具有实时数据转换与传送速度快、控制反馈速度快、工作环境适应能力强、系统使用寿命长、功能损失小等特点。该系统对待测液体进行数据提取，由传感器进行实时数据的检测，并与液位极值进行比较，根据工业需要进行供给液体或排放液体，超出极值时系统蜂鸣器自动报警并自动给液或排液，直至恢复至标准给定值。调控模型也可实时根据需要及时调控数值。2.2 系统方框图
13、本系统方框图： 图 1 系统方框图根据系统的整体控制需求，通过单片机的总体控制，由数据地址总线以及输入/输出端进行数据传送，由模拟/数字转换模块以及电机控制等外围电路组成，进而达到系统的调控需求。控制系统的方框图为图1。2.3 硬件控制方案2.3.1 控制模块设计方案控制模块的主体是单片机，不同型号的单片机具有各自的特点，这样对于机体型号的选择有了更多选项。因此对于系统而言单片机的选择非常重要，这将决定着系统的工作效率与经济效益。综上所述可以根据以下几点进行单片机的挑选：模拟/数字转换模块 单片机控制模块存储模块通信模块液位检测模块输入键盘与显示模块电机模块时钟模块（只做简述无时间显示要求可略
14、）大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统的总体方案31. 被选机型的数据参数。如控制速度与数据转换速度、程序存储器容量、输入/输出引脚数量等。2. 被选机型的增强功能。如看门狗电路、双指针、EEPROM、双串口、RTC 、CAN接口、RAM延展。3. 被选机型的一次性可编程以及闪存性能。4. 单片机的封装形式：绑定型封装、直插双列型封装。5. 单片机工作环境的温度变化范围，同时还要根据机型选择领域是工业还是商业进一步选择。6. 单片机功能损耗的大小。7. 单片机的电压工作范围。如播放机的遥控器设计，需要提供两节干电池的电压或是在1.83.6V直流电压内可以工作。8. 被选机型的市场价格
15、。9. 机型能否在线编程以及考虑烧录器的价格。10. 调控时其它功能模块使用的器件型号。11. 所选机型支持的汇编语言。12. 尽可能资源丰富。13. 被选机型应具有较强的免干扰特性。14. 最后还应考虑被选机型同系统中其他芯片总体考虑。基于上述几点因素：系统整体的规模不是很大，又由于系统对数据转换的速度要求不是很高即系统实时性需求不高，系统的总线使用分时复用的形式，因而对输入/输出串口的数量要求可以降低。根据系统的设计需要可以使用四路八位输入/输出接口，同时系统需要外扩存储器以达到扩大数据存储的目的，三十二万字节的存储量（数据）就可以达到系统使用量，最终系统使用十六位或准十六位的总BUS线作
16、为传送数据（地址） 7。在实验测试测试过程中，系统机型采用双列直插封装的单片机，不需要对实际生产工业中被控对象的控制所处具体外界环境予以考虑。系统控制过程中使用交流二百二十伏作为供电源并且使用直流五伏电源为单片机供电，被选单片机支持在线系统编程进而省去了仿真器的使用。由以上所述调控模型可以选取具有51相通性的AT89S52型作为本次所选机型。单片机AT89S52型可以在线系统可编程闪存存储器并且集聚性能较高的CMOS与功率低损耗为一体的八位微型调控器。闪存既能满足存储器（程序）在线编程同时也适用于常用器件编程，使用非易失性高密度存储技术的ATMEL公司制造用工业中，且该系列与51系列突显出良好
17、的融合性，这也使得AT89C51更能灵活应用于嵌入式控制中。被选机型 AT89S52 具有下列功能：字节为二百五十六的 RAM，字节为八千的闪存，看门狗（防系统死飞），三十二位输入/输出，数据指针为两个，计数器/定时器十六位为三个，其中调控模型的中断结构为一个六向量二级，时钟电路、双工串行端口和振荡元件（片内）。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统的总体方案4此外单片机 AT89S52 可选择省电模式下的软件数量为两类，且能够处于零赫兹静态下进行运算逻辑。2.3.2 显示与输入键盘模块的设计方案输入键盘模块主要是为了能够实现液位值的输入，该部分的软件任务主要是检验是否有按键按下同时检
18、查是何键值，之后根据输入值来决定电机的正转或反转进而控制液位值，本系统可以采用独立式键盘进行数值输入。该系统所需屏幕主要用生产设备计算机来完成简单的工业控制系统，通常用数字显示屏幕，LCD等，调控模型只需表示出液体水平位值即数字化即可， LCD显示屏已经能够满足调控模型的要求。调控模型精准度必须不大于五米测量范围，十分之一的测量精确度，预测模型的检测取值空间五米，十分之一的准确率，510=0.5米有效值的测量的需要。使用两位LED将能够符合模型需求。系统有两种关于LED显示方法：静态和动态显示方法。静态优点是规律容易掌握，屏幕长时间观看不会感觉眼涩，因为不需要处理器连续扫视屏幕，因而可节省处理
19、器的运作量。但静态展示需要待改进的地方，首先为占用更多输入/输出端口，造成资金投入相对上浮。因此屏的静态方法数通常用于小型应用系统屏幕。改善元件中静态展示的输入/ 输出端所占比例过多，采用压缩 BCD生产代码及八位锁存数据元件，硬件74LS273和压缩元件连接该驱动器解码器上，降低元件需要的运作量。共阳极解码用八区共阳极显示元件进行数据展示，采用单片机控制的输入/ 出端口的数值锁存。2.3.3 模拟/数字信号转换模块的设计方案模拟/数字信号的转换是实现单片机控制系统与外界控制的关键，多种不同性质的转换器在数据采集系统的设计中，第一要看怎样选择适当的元件达到系统的要求。选基于下列参值模块： 1.
20、逐次比较型逐次比较型 AD 由一个比较器和 DA 转换器通过逐次逼近逻辑结构的，从 MSB 顺序为每个输送电压和输出 DA 转换器内置数码比较 N 次后输出。它的优点是速度快、损耗功能低，分辨率低（12），其价格高。2.比较并行型/比较串并型用多个比较器，只看到当前比较并执行转换，也被称为闪光（快速）型。由于该转换器的转化率高，需要 2n-1 个比较器进行 n 位转换，从而使电路规模加大，也造成价位高的现象，因而只适用于高速 AD 转换视频的特定区域。比较串并的原理借鉴了并行和逐次比较转换元件（模/数）的工作机理，经典的由 N的半值比较并行转换元件（数/模）与转换元件（模/数）构成组合体，比较
21、两次后实施转换，即所谓的半闪光（半快速）型。有的模块被划分成三个阶段以上的步骤来实现 AD 转大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统的总体方案5换并被称为分级（多步）型，从第一视角转换的角度可以称为管道（流水线）型的 A/D，多层次的 AD 加入更多的结果转换为数字运算和纠错等功能。模块规模比并联式线路精简。3.积分型积分型的运作方式（模/数）在频率（脉冲频率）或一个时间（脉冲宽度信号）下转换输送电压，然后由定时器/计数器获取的数值。它的优点高的分辨率可以通过简单的电路来获得，但缺点是积分时间决定着转换精度导致极低的转化率。4.电压频率转换型电压-频率变换型（电压-频率转换器），系统取
22、得的模拟信号，然后转换成一对频率的数字量，通过间接的模拟转换得到数字。在理论上，这中模块的分辨率会增加并且几乎是无限增长的，只要该频率分辨率样品生产时间能够满足宽度脉冲的累计数。其优良特性是分辨性能高，具有低廉价位，损耗功能小，但要有外部电路计数电路模板一齐完成模数转换。5.系统需要A/D转换的位数当系统需要的转换（模/数）的位数被设置时，该数值应被数据采集系统考虑到这两个区域的动静态精度平滑特性。由静态精度的角度出发，应考虑所产生的原始信号数据错误最后由系统传递制造的最终误差，这种误差信号的主要是由于数字化模拟造成的。转换元件（模/数）位数与量化误差有着一定联系。被称为低分辨率的转换元件（模
23、/数）通常低于八位的转换元件（模/数），中分变率的转换元件（模/数）为九至十二位，超过十三位的被称作高清晰度的转换元件（模/数）。低于十位的转换器误差值较大，高于十一位的转换元件对降低输入误差并没有太大的改变，但由于转换元件（模/数）的要求定得太高。因此需要定位于十或十一位为宜。A/D转换器所要处理的信号需要先经过测量装置的数值测量后方可进行后期处理，量化的误差值与测量的误差值构成了系统整体的误差。系统装置的测量精准度必须与模数转换器的精准度相符合，换句话说为了不造成测量误差的扩大，需要总体造成的误差与量化的误差值百分比小尽可能的小；反过来应依照测量精度对转换器规定特定的位值需求。在当今情况下，精确度值为大于百分之零点一至百分之零点五的测量器居多，因此系统的精度要求可以确定在此区间，加之数值的符号位十至十一位即为对应的二进制代码位数。双精度转换法可以解决对转换位数需求更多的系统应用问题。6.A / D转换器的转换率从转换开始到结束转换需要经过一段过渡时间后稳定的数值才能被输出。转换率被定义是在完成该变换（模/数）所需时间倒值。系统的采样率应当在转换率被确定后被予以考虑，在当前需要下同时应考虑到采样的普遍性，随机取得样品个数为十个并且为同一波形的同一周期，高达一千赫兹的信号频率将成为该转换器的最大值。为了使频率信号得到改善，可以通过降低转换时间从而达到目的。7.转换器的可控量程
