基于單片機實現(xiàn)的液位控制器設(shè)計

摘 要：介紹一種基于單片機實現(xiàn)的液位控制器的設(shè)計方法，該控制器以單片機為核心，通過外圍硬件電路來達到實現(xiàn)控制的目的?？筛鶕?jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時具備報警、高度顯示等功能，由于增加了氣體壓力傳感器，使其具有與液面不接觸的特點，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制，具有較高的研究價值。該控制器不僅可用于學校進行教學研究，還可用于生產(chǎn)實際，是目前比較缺少的一種產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：傳感器；A／D轉(zhuǎn)換；控制器；外圍硬件電路

0 引 言
    隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學生對單片機控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制器作為研究項目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學知識的潛能。另外，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。通過對模型的設(shè)計可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案比較說明
    對于液位進行控制的方式有很多，而應(yīng)用較多的主要有2種，一種是簡單的機械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：
    (1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進行數(shù)值顯示，另外很容易引起誤動作，且只能單獨控制，與計算機進行通信較難實現(xiàn)。
    (2)復(fù)雜控制器控制方式。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，把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、A／D變換成數(shù)字信號傳送到單片機，經(jīng)單片機運算和給定參量的比較，進行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由D／A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)電機轉(zhuǎn)速，以達到控制水箱液位的目的。
    針對上述2種控制方式，以及設(shè)計需達到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進行液位的調(diào)整，最終達到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，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，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。

2 工作原理
2．1 原理框圖
    原理框圖如圖1所示。

2．2 工作原理
    基于單片機實現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、A／D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，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)過運算放大電路放大后變成幅度為0～5 V標準信號，送入A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機進行實時數(shù)據(jù)采集，并進行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。

3 硬件設(shè)計
    液位控制器的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、A／D轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。
3．1 單片機
    單片機采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，如圖1所示。其中，P0口用于A／D轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個3×5的鍵盤；P2口用于控制電磁閥和水泵動作；P3口用于上、下限指示燈，報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。[!--empirenews.page--]

3．2 傳感器
    傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標定(O～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅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腳為激勵電壓；4腳為地；5腳為信號輸出(+)；6腳為信號輸出(+)。
    在水箱底部安裝1根直徑為5 mm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，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A／D轉(zhuǎn)換器。
3．3 鍵盤電路
    P1口作為鍵盤接口，連接一個4×4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。

3．4 液位顯示電路
    液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0～999(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8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖，圖5是顯示電路的原理圖。

3．5 A／D轉(zhuǎn)換電路及控制輸出
    A／D轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A／D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待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，在接線時先經(jīng)過運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。
    控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報警。另外在設(shè)計過程中預(yù)留了串行口，供進一步開發(fā)使用。

[!--empirenews.page--]
4 軟件設(shè)計
    液位控制器模型的軟件設(shè)計框圖如圖7所示。

    (1)鍵盤程序
    由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號為數(shù)字鍵，10～15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：

    (2)A/D轉(zhuǎn)換子程序

    A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：

    
    值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時，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。

5 結(jié) 語
    基于單片機實現(xiàn)液位控制器模型設(shè)計的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準確的前提下再進行軟件編程才能取得成功。