基于单片机实现的液位控制器设计
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基于单片机实现的液位控制器设计
钟晓强
(浙江工商职业技术学院 浙江 宁波 315012)
摘 要 :介绍一种基于单片机实现的液位控制器的设计方法 ,该控制器以单片机为核心 ,通过外围硬件电路来达到实现
控制的目的。可根据需要设定液位控制高度 ,同时具备报警、高度显示等功能 ,由于增加了气体压力传感器 ,使其具有与液
面不接触的特点 ,可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制 ,具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究 ,还
可用于生产实际 ,是目前比较缺少的一种产品。
关键词 :传感器 ;A/ D 转换 ;控制器 ;外围硬件电路
中图分类号 : TP368. 1 文献标识码 :B 文章编号 :10042373X(2009) 022051203
Design of Liquid Level Controller Based on Single Chip Computer
ZHON G Xiaoqiang
(Zhejiang Business Technology Institute ,Ningbo ,315012 ,China)
Abstract : This paper introduces a method for the design of liquid level controller based on single chip computer ,this con2
troller combines the single chip computer with peripheral hardware circuit to achieve the control performance. The controlled
liquid level can be set as needed ,it also has functions of displaying the liquid level and alarming. Due to the gas pressure
sensor ,it possesses the feature of non2contact with the liquid ,thus can be used for the liquid level control of poisonous or
corrosive liquid. It can be used for the teaching or research in school ,and can be put into practical applications.
Keywords :sensor ;A/ D conversion ;controller ;peripheral hardware circuit
收稿日期 :2008204201
0 引 言
随着微电子工业的迅速发展 ,单片机控制的智能型
控制器广泛应用于电子产品中 ,为了使学生对单片机控
制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择
了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目 ,通
过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所
学知识的潜能。另外 ,液位控制在高层小区水塔水位控
制 ,污水处理设备和有毒 ,腐蚀性液体液位控制中也被
广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应
用案例中。
1 系统设计方案比较说明
对于液位进行控制的方式有很多 ,而应用较多的主
要有 2 种 ,一种是简单的机械式控制装置控制 ,一种是
复杂的控制器控制方式[1 ] 。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。存在问题是精度不高 ,不能进行数值显示 ,另外很
容易引起误动作 ,且只能单独控制 ,与计算机进行通信
较难实现[2] 。
(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 ,经过前置放大、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 ;经由
D/ A 变换给调压/ 变频调速装置输入给定端 ,控制其输
出电压变化 ,来调节电机转速 ,以达到控制水箱液位的
目的[3 ] 。
针对上述 2 种控制方式 ,以及设计需达到的性能要
求 ,这里选择第二种控制方式 ,同时考虑到成本需要把
PID 控制去掉。最终形成的方案是 ,利用单片机为控制
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液位高度 ,并与开
始预设定值做比较 ,由单片机控制固态继电器的开断进
行液位的调整 ,最终达到液位的预设定值。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[4 ] 。现场实时显示测量值 ,从而
实现对水箱液位的监控。
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2 工作原理
2. 1 原理框图
原理框图如图 1 所示。
图 1 控制器原理框图
2. 2 工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以 A T89C51 芯
片为核心 ,由键盘、数码显示、A/ D 转换、传感器 ,电源
和控制部分等组成。工作过程如下 :水箱(水塔) 液位发
生变化时 ,引起连接在水箱(水塔) 底部的软管管内的空
气气压变化 ,气压传感器在接收到软管内的空气气压信
号后 ,即把变化量转化成电压信号 ;该信号经过运算放
大电路放大后变成幅度为 0～5 V 标准信号 ,送入 A/ D
转换器 , A/ D 转换器把模拟信号变成数字信号量 ,由单
片机进行实时数据采集 ,并进行处理 ,根据设定要求控
制输出 ,同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位
高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是
直观地显示水位高度 ,可任意控制水位高度。
3 硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器 (带
变送器) 、键盘电路、数码显示电路、A/ D 转换器和输出
控制电路等。
3. 1 单片机
单片 机 采 用 由 Atmel 公 司 生 产 的 双 列 40 脚
A T89C51 芯片 ,如图 1 所示。其中 ,P0 口用于 A/ D 转
换和显示 ;P1 口连接一个 3 ×5 的键盘 ; P2 口用于控制
电磁阀和水泵动作 ; P3 口用于上、下限指示灯 ,报警指
示灯以及用于读写控制和中断等[5 ] 。图 2 是 A T89C51
芯片的引脚功能说明。
3. 2 传感器
传感器使用 SY29411L2D 型变送器 ,它内部含有 1
个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国
SM 公司生产的 55522 型 OEM 压阻式压力传感器 ,其
有全温度补偿及标定(0～70 ℃) ,传感器经过特殊加工
处理 ,用坚固的耐高温塑料外壳封装[6 ] 。其引脚分布如
图 3 所示。1 脚为信号输出( - ) ;2 脚为信号输出( - ) ;
3 脚为激励电压 ;4 脚为地 ;5 脚为信号输出( + ) ;6 脚为
信号输出( + ) 。
在水箱底部安装 1 根直径为 5 mm 的软管 ,一端安
装在水箱底部 ;另一端与传感器连接。水箱水位高度发
生变化时 ,引起软管内气压变化 ,然后传感器把气压转
换成电压信号 ,输送到 A/ D 转换器。
图 2 A T89C51 芯片外形结构
和引脚分布图
图 3 SY29411L2D 型
变送器引脚结构图
3. 3 键盘电路
P1 口作为键盘接口 ,连接一个 4 ×4 键盘。结构上
采用行列方式 ,可定义键盘布局。结构如图 4 所示。
图 4 P1 口键盘电路结构图
3. 4 液位显示电路
液位显示采用数码管动态显示 ,范围从 0～999 (单
位可自定) ,选择的数码管是 7 段共阴极连接 ,型号是
LDS18B20。在这里使用到了 74L S373 ,它是一个 8 位
的 D 触发器 ,在单片机系统中经常使用 ,可以作地址数
据总线扩展的锁存器 ,也可以作为普通的 L ED 的驱动
器件[7 ] ,由于单独使用 HEF4511B 七段译码驱动显示
器来完成数码管的驱动显示 ,因此 74L S373 在这里只
用作扩展的缓冲 ,图 5 是显示电路的原理图。
3. 5 A/ D 转换电路及控制输出
A/ D 转换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成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 种方式编制 A/ D 转换程序[8 ] 。图 6 是
A/ D 转换部分原理图 ,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成电压信号 ,然
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嵌 入 式 技术 钟晓强 :基于单片机实现的液位控制器设计
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后输入到 A/ D 转换器。
图 5 显示电路原理图
图 6 A/ D 转换电路原理图
控制输出主要有上下限状态显示、超限报警。另外
在设计过程中预留了串行口 ,供进一步开发使用。
4 软件设计
液位控制器模型的软件设计框图如图 7 所示。
(1) 键盘程序
由于键盘采用的是 4 ×4 结构 ,因此可使用的键有
16 个 ,根据需要分别定义各键 ,0～9 号为数字键 ,10～
15 号分别是确定键、修改键、移位键、加/ 减键、取消键
和复位键。程序如下 :
KEY: MOV P2 , # 07 H ;用反转法查键
KEY1 : MOV B ,A ;有键按下 ,存键码
MOV A ,P2
MOV DPTR , # TABL E
ANL A , # 07 H
MOV R3 , # 0FFH ;存顺序码单元初始化
MOV B ,A
KEY2 : INC R3
MOV P2 , # 0F8 H
MOV A ,R3
MOV A ,P2
MOVC A , @DPTR
ANL A , # 0F8 H
CJ NE A , KEY3 ;判键码 ,求顺序码
ORL A ,B
MOV A ,R3 ;若找到键码 ,存顺序码
CJ NE A , # 0FFH , KEY1
RET
RET ;无键按下
KEY3 : CJ NE A , # 0FFH , KEY2 ;判是否查完
RET ;已查完 ,键码未找到 ,以无按键处理
TABL E:DB 0F6 H ,0EEH ,0DEH ,0BEH ,7EH
;按键特征码表
DB 0F5 H ,0EDH ,0DDH ,0BDH ,7DH
DB 0F3 H ,0EBH ,0DB H ,0BBH ,7B H ,0FFH
?
图 7 程序设计框图
(2) A/ D 转换子程序
A/ D 转换子程序如下 :
?
ADCC :PUSH ACC ;模数转换程序
PUSH B
MOV DPTR , # 0BFFFH
MOVX A , @DPTR ;读模数转换值
MOV B , # 0A H ;十六/ 十进制转换
DIV AB
MOV DSP1 ,B
MOV B , # 0A H
DIV AB
MOV DSP2 ,B
MOV DSP3 ,A
POP B
POP ACC
SETB EA
RETI
?
值得注意的是 ,在用汇编语言编写控制器程序时 ,
相对会比较麻烦 ,如果用 C 语言编写程序会简单很多 ,
这里就不再做具体说明。
(下转第 58 页)
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度直接影响到所实现滤波器的表现 ;其次 ,要使用合适的
展开方法把传输函数从分数阶形式转化成整数阶滤波器
的形式 ,连续分数扩充 (CFE) 方法是一种广泛使用并有
良好效果的方法。这里通过将几种典型算子进行内插结
合获得了一种整体更接近理想频率响应的算子 ,使用连
续分数扩充(CFE) 方法 ,完成了分数阶微分 IIR 滤波器的
数字实现 ,通过新算子频率响应的对比分析 ,分数阶微分
滤波器的性能获得了明显的提高。
图 3 三种新算子分数阶微分滤波器的频率响应
参 考 文 献
[1 ] Adam Loverro ,Fractional Calculus : History ,Definitions and
Applications for the Engineer [ EB/ OL ]. http :/ / www. nd.
edu/ ～msen/ Teaching/ UnderRes/ FracCalc. pdf ,2007.
[2 ] JennSen Leu , Papamarcou A. On Estimating the Spectral
Exponent of Fractional Brownian Motion [J ]. IEEE Trans.
Information Theory ,1995 ,41 (1) :2332244.
[3 ] SzuChu Liu ,Shyang Chang. Dimension Estimation of Discrete2
time Fractional Brownian Motion with Applications to Image
Texture Classification [J ]. IEEE Trans . on Image Processing ,
1997 ,6(8) :1 17621 184.
[4 ] Al2Alaoui. Novel Digital Integrator and Differentiator[J ]. E2
lectronics Letters ,1993 ,29 (4) :3762378.
[5 ] ChienCheng Tseng. Design of FIR and IIR Fractional Order
Simpson Digital Integrators[J ]. Signal Processing ,2006 ,87
(5) :1 04521 057.
[6 ] ChienCheng Tseng. Digital Integrator Design Using Simpson
Rule and Fractional Delay Filter [J ]. Image and Signal Pro2
cessing ,2006 ,153 (1) :79286.
[7 ] Zhao Hui ,Qiu Gang , Yao Lirnin. Design of Fractional Order
Digital FIR Differentiators Using Frequency Response
Approximation[ A ]. International Conference on Communi2
cations ,Circuits and Systems[ C]. 2005 (2) :27230.
[8 ] ChienCheng Tseng. Improved Design of Digital Fractional2
order Differentiators Using Fractional Sample Delay [J ].
IEEE Trans. On Circuits and Systems I: Regular Papers ,
2006 ,5 (1) :1932203.
[9 ] ChienCheng Tseng. Design of Fractional Order Digital FIR
Differentiator [J ]. Signal Processing Letters , 2001 , 8 (3) :
77279.
[10 ] Chen Y Q , Moore K L. Discretization Schemes for Frac2
tional2order Differentiators and Integrators [ J ]. IEEE
Trans. on Circuits and Systems ,2002 ,49 (3) :3632367.
[11 ] Chen Y Q , Vinagre B M. Continued Fraction Expansion
Approaches to Discretizing Fractional Order Derivatives2an
Expository Review [ J ]. Nonlinear Dynamics , 2005 , 38 :
1552170.
作者简介 杨柱中 四川大学博士研究生。研究方向为数字信号处理及计算智能等。
周激流 四川大学教授 ,博士生导师。研究方向为计算智能、信号处理以及生物特征识别等。
严斌宇 博士研究生。研究方向为数字信号处理及容延迟移动传感器网络等。
郭 辉 新疆工业高等专科学校副教授。研究方向为自动控制及数字信号处理等。
(上接第 53 页)
5 结 语
基于单片机实现液位控制器模型设计的关键在于
硬件电路的正确构建 ,只有在电路准确的前提下再进行
软件编程才能取得成功。
参 考 文 献
[1 ] 蔡黎. 一种基于单片机的水位控制系统设计[J ]. 仪器仪表
用户 ,2007 ,14 (4) :44245.
[2 ] 陈霞 ,白小军. 基于单片机的液位监控系统[J ]. 武汉理工大
学学报 ,2007 ,29 (3) :326.
[3 ] 陈新昌 ,王万章. 单片机在水位控制中的应用 [J ]. 信息科
技 ,2006 (24) :89290 ,94.
[4 ] 胡汉才. 单片机原理及其接口技术[ M ]. 北京 :清华大学出
版社 ,1996.
[5 ] 刘华东. 单片机原理与应用 [ M ]. 北京 : 电子工业出版
社 ,2003.
[6 ] 何希才. 传感器及其应用实例 [ M ]. 北京 : 机械工业出版
社 ,2004.
[7 ] 董晓红. 单片机原理及接口技术[ M ]. 西安 :西安电子科技
大学出版社 ,2004.
[8 ] 付晓光. 单片机原理与实用技术[ M ]. 北京 :清华大学出版
社 ,2004.
作者简介 钟晓强 浙江工商职业技术学院 ,讲师 ,硕士。主要研究方向为电气自动化和应用电子技术。
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科学计算及信息处理 杨柱中等 :一种分数阶微分 IIR 滤波器的设计方法和改进
基于单片机实现的液位控制器设计.pdf
