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1、
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)
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學(xué) 號(hào)
2、：
指導(dǎo)教師：
完成日期：
目錄
內(nèi)容摘要........................................................................................................................I
一、前言...................................................
3、.....................................................................1
（一）概述....................................................................................................................1
（二）發(fā)展趨勢(shì)................................................................................................
4、............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...................................................................
5、.....................2
1、簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制方式........................................................................................2
2、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)..........................................................
6、..................................3
（一）硬件設(shè)計(jì) .........................................................................................................3
1、單片機(jī)的選用.......................................................................................................3
2、傳感器的選用.........................
7、...............................................................................4
3、鍵盤(pán)電路的選用...................................................................................................4
4、液位顯示電路的設(shè)計(jì) .........................................................................................5
5、A
8、D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.......................................................................
9、.................7
2、液位控制系統(tǒng)鍵盤(pán)程序....................................................................................... 8
五、總結(jié).......................................................................................................................9
參考文獻(xiàn)...............................................
10、.........................................................................9
致 謝............................................................................................................................10
內(nèi)容摘要
傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開(kāi)發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過(guò)程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開(kāi)傳感器,因此,許多國(guó)家對(duì)傳感器
11、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(guò)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(shì)：體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guò)程控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程做了有益的嘗試也為提高過(guò)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(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之
12、一,從宇宙開(kāi)發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過(guò)程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項(xiàng)技術(shù)都離不開(kāi)傳感器,因此,許多國(guó)家對(duì)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(lèi)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(cè)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(lái)制成血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱(chēng)以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為
13、各類(lèi)傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比最高的一類(lèi)傳感器。
壓力傳感器是用于測(cè)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(hào)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(duì)單片機(jī)控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。經(jīng)過(guò)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(guò)訓(xùn)練充分激發(fā)自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)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(shì)
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
14、來(lái)制成血壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、水速計(jì)、壓力表、電子稱(chēng)以及自動(dòng)報(bào)警裝置等。壓力傳感器已成為各類(lèi)傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比最高的一類(lèi)傳感器。
國(guó)外液位控制系統(tǒng)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，我們國(guó)內(nèi)也在朝著這方面努力，而且好多企業(yè)與國(guó)際接軌，有了不菲的成績(jī)。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?lái)說(shuō)，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)
15、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開(kāi)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(kāi)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(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警，開(kāi)啟繼電器，控制水泵開(kāi)始上水?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)控。
（一）液
16、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(pán)、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(guò)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(hào)后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)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(guò)鍵盤(pán)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
17、度。
圖1 控制器原理框圖
（二）液位控制的實(shí)現(xiàn)方式
對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)單，成本低廉。存在問(wèn)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(guò)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(hào)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號(hào)傳送到
18、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(lái)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(duì)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(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征，要求實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱的液位高度，并與開(kāi)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(kāi)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(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí)，要求報(bào)警，斷開(kāi)繼電器，控制水泵停止上水；檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值，要求報(bào)警
19、，開(kāi)啟繼電器，控制水泵開(kāi)始上水?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(guò)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(pán)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A／D轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個(gè)35的鍵盤(pán)；P2口用
20、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(xiě)控制和中斷等。圖2是AT89C51芯片的引腳功能說(shuō)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一9411L—D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(guó)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(bǔ)償及標(biāo)定
(O～70℃)，傳感器經(jīng)過(guò)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(hào)輸出(一)；2腳為信號(hào)輸出(一)；3腳為激勵(lì)電壓；4腳為地；5腳為信號(hào) 輸出(+)；6腳為信號(hào)輸出(+)。
圖3
21、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(hào)，輸送到A／D轉(zhuǎn)換器。
3、鍵盤(pán)電路的選用
行列式鍵盤(pán)輸入適合于按鍵輸入多的情況，如有16個(gè)按鍵輸入，用簡(jiǎn)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(pán)輸入只需占用一個(gè)輸入口（8位）。P1口作為鍵盤(pán)接口，連接一個(gè)44的鍵盤(pán)。結(jié)構(gòu)上采用行列方式，可定義鍵盤(pán)布局。結(jié)構(gòu)如圖4所示。P1口作為鍵盤(pán)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)
22、1和2的控制信號(hào)輸出端。結(jié)構(gòu)如圖所示。
圖4 P1口鍵盤(pán)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0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號(hào)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(lái)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
23、輸出的模擬電壓信號(hào)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(xún)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(guò)運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，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(guò)程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開(kāi)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
24、序設(shè)計(jì)框圖
2、液位控制系統(tǒng)鍵盤(pán)程序
由于鍵盤(pán)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，0～9號(hào)為數(shù)字鍵，10～15號(hào)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
25、 ；存順序碼單元初始化
MOV B，A
KEY2：INC R3
MOV P2，#OF8H
MOV A，R3
MOV A，P2
MOVC A，@DPTR
ANL A，#OF8H
CJNE A，KEY3 ；判鍵碼，求順序碼
ORL A，B
MOV A，R3 ；若找到鍵碼，存順序碼
CJNE A，#OFFH,KEY1
RET
RET ；無(wú)鍵按下
KEY3: C
26、JNE A，#OFFH,KEY2 ；判是否查完
RET ；已查完，鍵碼未找到，以無(wú)按鍵處理
TABLE:DB OF6H，0EEH，0DEH，0BEH，7EH
；按鍵特征碼表
DB 0F5H，0EDH，0DDH，0BDH，7DH
DB 0F3H，0EBH，0DBH，0BBH，7BH，0FFH
…
A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：
…
ADCC:PUSH ACC ；模
27、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 EA
RETI
…
值得注意的是，在用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)控制系統(tǒng)程序時(shí)，相對(duì)會(huì)比較麻煩，如果用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序會(huì)簡(jiǎn)單很多，這里就不再做具體說(shuō)明。
五
28、、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(lái)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(kāi)始我選擇了兩個(gè)方案，但經(jīng)過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)。
通過(guò)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(shí)學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計(jì)中并不能得心應(yīng)手，會(huì)遇到很多不會(huì)的操作，這就需要加強(qiáng)實(shí)踐能力，一個(gè)同學(xué)
29、的知識(shí)變成多個(gè)同學(xué)的知識(shí)，多個(gè)同學(xué)的知識(shí)變成一個(gè)同學(xué)的知識(shí)，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）：31～33
[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(cè)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(jí)領(lǐng)導(dǎo)，從專(zhuān)業(yè)知識(shí)上給我?guī)椭?。感謝我們公司的設(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！
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利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc
