开题报告基于单片机的液位控制系统设计

开题报告基于单片机的液位控制系统设计

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毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目：基于单片机的液位控制系统设计

学院：化工自动化学院

学号： 1201

专业班级： 101

学生姓名：

指导教师：

20年月 7日

一、课题基本情况

1. 课题的来源及选题的依据

随着我国的国民经济与生活水平的发展，各个行业对自动化的需求也日益增加，为减少污染、节约资源，单片机的控制技术得到了广泛的应用。无论是在工业生产中，还是在其他行业，水都是人们生活中不可或缺的资源，大部分都会使用到水箱，水箱里的水位控制就是最重要的问题了，以前都会有专门的人看管，既浪费人力、财力，又不能准确的判断水位高低。所以以单片机控制水箱的水位就得到了广泛应用。

在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的水位进行自动控制。比如自动控制冰箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同、精度不同，但是基本的控制原理可以归纳为一般的反馈控制方式，他们的主要区别在于检测水位的方式、反馈方式、以及控制器上的区别。

目前我国在单片机测量和控制装置研究、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，更多科研研究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，但着重生产实际的很少。本论文将致力于改善这一状况，解决生产生活所可能遇到的普遍性问题，为设计者提供参考。

2. 国内外的研究动态及水平

一些发达国家在单片机新型系统研究、制造和应用上，已积累了很多经验，奠定了基础，进入了国际市场。我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上，与其他发达国家相比还存在差距，但是我国的研究人员已经克服很多困难，并在不断地摸索中前进，有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平，这是发展趋势。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。

(1)人工检尺法

利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，这种方法具有测量简单、可靠性高、直观、成本低的优点，但人为读数误差大、无法实现自动检测和操作。

(2)电参数测量法

常见的有电阻法、光电法、测重法、电容法、浮标法及声光电的反射回波法等。

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、微波法等。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。下面简单介绍超声波法和微波法的测量原理。

(1)超声波法：换能装置将电功率脉冲转换为超声波，射向液面，经液面反射后再由换能器将该超声波转换为电信号，超声波法可用于多液面的测量。

(2)微波法：微波通过天线辐射出去，经液面反射后被天线接收，然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得出液位。

3. 本课题的目的及意义

随着计算机技术、测量技术和控制技术的高速发展，越来越多的先进测量控制设备、技术和方法在自动测量控制领域中得到了广泛的应用。在工业生产中，有许多需要对容器内的介质进行液位控制的地方，使其高精度的保持在给定的数值。液位控制一般指对某一液位进行调节控制，使其达到所要要求的精度。液体的液位控制是近年来新开发的一项新的技术，它是自动控制、微型计算机软件、硬件等几项技术紧密结合的产物。

本设计以水塔供水为模型，鉴于单片机液位控制装置的重复性好、功耗低、测量准确、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位控制系统，具有实时液位测量监控数据处理等功能。

4. 预期目标

单片机自问世以来，性能不断地提高和完善，体积小、速度快、功率低的特点使它的应用领域日益广泛。一般，工业控制系统的工作环境差，干扰性

强，利用单片机控制就能克服这些缺点，因此单片机在控制领域得到广泛的应用，使用单片机控制液体的水位是个很好的选择。基于51单片机的液位控制系统既满足系统精度的要求，同时具有可靠性。如果仍然使用人工的方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，因此必须进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、平稳的水压的自动控制有设计低成本、高实用价值的控制器。由于自动化技术在矿企业的广泛应用，水位自动控制技术越来越频繁地进入到自动控制系统设计者的视线。

本课题的水位控制技术采用液位传感器和压力传感器对液位高度和压力进行实时监控；预期目标是：当水位和压力超出规定范围时，系统能够自动调整水位和水压，使其落在规定的范围内；当水位和水压低于规定范围时，就控制水泵工作抽水，使水塔内的水位和水压上升，到达规定高度。而达到不用人工专门去控制即可使水位保持在一定范围内的目的。

二、课题设计拟采用方法和手段

对于水位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有两种，一种是使用简单的机械式控制装置进行控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下。

（1）简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单、成本低廉。但是存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外也很容易引起误动作，且只能单独控制。

（2）复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过多路切换、

A/D变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量来控制其输出电压变化，以达到控制水箱水位的目的。

针对上述两种控制方式，以及综合考虑设计需达到的性能要求。本设计选择第二种控制方式，并加以改进。最终形成的控制方案如图1所示，利用单片机作为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的水位高度，并与开始预设值进行比较，由单片机控制固态继电器的开断进行水位的调整，最终达到液位的与设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水，检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱水位的监控。

图1.单片机液位控制系统框图

本系统由单片机AT89C51、数码管显示器、报警器、键盘、传感器和其它基本外围电路组成。要求：对液位传感器采集的液位信息进行放大、A/D转换等处理，并设计其前端数据采集与相应的输出控制硬件电路，完成相应的单片机软件控制设计。液位信息经传感器采集后送入单片机，单片机进行控制并送到数码管显示，可用键盘输入需要控制液位的上、下限。

1.硬件电路设计

水位控制系统的硬件主要由AT89C51单片机，水位检测电路，水压检测传感器(变送器)，报警电路，数码管显示电路，输出驱动电路，排水电动机控制电路，键盘输入电路，抽水电动机控制电路，AD0809转换器等组成。

单片机

(1)单片机的功能和特点

单片机采用由ATMEL公司生产的双列40脚AT89C51芯片，芯片引脚如下图2所示。其中，P0口用于A/D转换和显示；P1口连接键盘；P2口用于控制

电磁阀；P3口用于报警以及AD转换控制，下面具体介绍各个接口的功能。

图单片机引脚图

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

(2)单片机的工作过程

单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条一条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的的全部任务，必须把要解决的问题编

成一系列的指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单元）组成，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号成为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。

程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要把这些指令一条一条取出并执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

A/D转换电路

(1) ADC0809的内部逻辑结构

A/D转化电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换为单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位A/D转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方法编制A/D转换程序。在接线时先经过运算放大器和分压电路把传感器输出的电流信号转换为电压信号，然后输入A/D转换器。ADC0809的引脚图如图3所示。

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，对ADC0809主要信号引脚的

功能说明如下：

图3. ADC0809引脚图

START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换。

CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHZ的时钟信号。

EOC——转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

A/D转换器的主要技术指标分别是：分辨率和转换速率。分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。

数码管显示和键盘电路

图4.键盘电路

数码管显示电路和键盘电路一起设计，数码管显示电路由四位一体共阳极数码管及其驱动三极管组成，分为动态显示和静态显示，为了系统的优化和省电，本设计采用动态显示。

键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现向单片机系统输入数据、发送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。考虑到本设计实际需要的按键较少，故采用独立式键盘接口电路。它是将每个独立按键按一对一的方式直接接到单片机的I/O口上，通过程序扫描查询方式实现与单片机系统交互的。在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，

当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键在上拉电阻作用下为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下。

图中，S2~S5便是控制显示用的按键。其作用就是通过按动它们实现对高低警戒液位的设置。具体来说，S3、S4分别实现数字的增一与减一，S2、S5则作为高低警戒液位的模式选择和确认键。

2. 软件设计

主程序包括系统初始化函数、按键函数、水位监测和电动机控制函数以及水压检测函数。统主程序的功能主要是完成对单片机的初始化，设置警戒液位的上下限，实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主要的程序流程分为如下几个部分。该模块在系统上电开机时将系统端口、数据存储区、标志位、指针、地址等赋予有含义的值。

图5. 主程序流程图

三、完成课题所需条件

根据本课题所拟定的设计方法和手段，首先系统需要经过硬件设计和软件设计两个基本步骤后，然后经过测试，观察实验仿真结果是否满足本设计的要求和目的，如果出现错误要及时查找出错的地方，并且通过查找资料，以适当的方法修改系统出现的错误；在没有错误的情况下，可以由实验仿真的情况，根据设计原理图设计出实物，之后不断检验系统会不会出现不稳定、故障等其他错误，之后优化系统设计。具体具体所需条件如下。

根据设计要求和目的，查找所需的硬件设备，例如单片机、ADC0809转换器、7端数码管显示器等。然后在proteus仿真软件上找到所需的硬件设备，

通过查找相关资料和学习，准确连接各个设备，如果仿真不顺利，可以稍微修改硬件设计，但是大致上硬件设计要符合要求和满足目的。

在连接好硬件设备之后，需要在keil软件上编写仿真程序，可以查阅相关书籍和知识，巩固单片机汇编语言知识，使自己的编程思维更加适合编写单片机程序。编写程序时，需要保证编写程序正确，逻辑合理，然后在proteus 仿真软件上加载，进行仿真测试。

通过仿真测试，检验设计想法是否合理，检查设计功能是否可以实现。所以这一步是最关键的，它不仅关乎设计最后成果的好坏，而且也是最困难的一步，综合了硬件和软件设计，因此反复修改错误是必不可少的。修改完成和测试通过后，需要与老师和同学讨论改进方法，以便真正的设计出实物。

将设计好的仿真控制系统付诸实际。购买实际的硬件设备，通过实际动手操作，检验系统能否真正的工作。这一步是对上一步完成仿真设计的超越，需要动手能力和耐心，将硬件设备焊接在PCB板上，由PC机下载程序到实际的单片机中，在开启单片机构成的液位控制系统后，通过加校验信号给控制系统，完成最终测试。

四、课题进度安排

第1周了解课题，着手准备深入课题所需资料和相关知识

第2周拟定设计方案，撰写开题报告和外文翻译

第3周查找资料，深入理解硬件设备

第4周设计检测液位和水压电路

第5周设计ADC转换电路

第6周设计键盘显示电路

第7周设计单片机驱动电机电路

第8周根据硬件设计，在proteus软件画出硬件图

第9周查阅文献，进行软件逻辑框图设计

第10周根据软件逻辑框图，在keil软件中学习编写程序第11周设计液位检测程序

第12周设计水压和AD转换程序

第13周设计键盘显示程序

第14周设计驱动电机程序

第15周将所有程序进行编译和测试

第16周检查最后仿真测试结果，找到改进措施

第17周准备答辩

第18周答辩

五、参考文献

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