基于-单片机的液位控制系统设计.doc

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1、|基于单片机的液位控制系统的设计摘 要液位测量广泛应用于工业、经济、生活等领域。本设计以水箱供水为模型，用于对水箱液位信号进行测量监控记录。基于单片机的液位测量装置具有测量准确、重复性好、功耗低、使用寿命长的特点，是广泛采用的技术。在深入学习科学发展观的同时，电子设备的设计也需融入可持续发展的设计理念。故此，在基于单片机的液位测量装置基础上，扩展实时监控、数据采集、计算机串行通信等功能，从而能够通过科学的方法将液位测量与统计科学结合，合理调度水资源，降低能源消耗。本文从系统方案选择与论证，硬件电路设计，系统软件与上位机软件设计等几个方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程，最终实现了液

2、位的实时测量与监控。最后，本文总结了设计过程中出现的问题及解决方法，简要叙述了所获数据的处理方法，引出了进一步设计开发的思路。关键词：单片机；液位测量；实时监控；串口通信|The Design of Liquid Level Control System Based on MCUAbstractThe liquid level measurement is widely used in industry, economy, life and other fields. This design take the water tank water supply as a model, uses i

3、n carries on the survey to the water tank fluid position signal to monitor the record. The liquid level measurement device base on MCU is widely used because of many characteristics such as high measurement accuracy, good repeatability, low power consumption and long useful time. When we study Scien

4、tific Outlook on Development thoroughly, the design of electronic aid should include the thought of sustainable development. So, beyond the liquid level measurement device based on MCU, expand the functions of real-time monitoring, data acquisition, serial communication. Through the new functions, t

5、he scientific method of the liquid level measurement could be combined with Statistical Science, be used to manage the water resources reasonable, reduce energy consumption.This thesis introduces the design process of the liquid level control system by several parts as system schema, the design of h

6、ardware circuit, the software of host computer and system software, ultimately achieved the level of real-time measurement and monitoring. Finally, the paper summarizes the problems and solutions of the design process, describes briefly the method of data processing, and leads to ideas of the furthe

7、r design and development.Keywords：MCU；Liquid Level Measurement；Real-time monitoring；Serial Communication|目 录引言 .1第 1 章 绪论 .21.1 课题背景与研究意义 .21.2 国内外研究现状及发展 .21.3 本课题主要研究内容 .3第 2 章 系统总体方案 .42.1 系统设计要求 .42.2 系统框图 .42.3 硬件设计方案 .42.3.1 主控模块设计方案 .52.3.2 键盘模块设计方案 .52.3.3 显示模块设计方案 .62.3.4 数据存储模块设计方案 .62.3.5

8、 时间模块设计方案 .72.3.6 A/D 转换模块设计方案 .82.3.7 通信模块设计方案 .92.3.8 电机控制模块设计方案 .10第 3 章 硬件电路设计 .113.1 AT89S52 硬件设计 .113.2 按键设计 .133.3 显示单元硬件设计 .143.4 存储单元硬件设计 .153.5 时间单元硬件设计 .173.6 A/D 转换单元硬件设计 .183.7 通信单元硬件设计 .193.8 其他外围电路的设计 .20第 4 章 系统软件设计 .224.1 系统软件 .224.1.1 系统软件编译开发环境 .224.1.2 系统主程序流程图 .224.1.3 系统初始化 .22

9、4.1.4 显示与 A/D 转换的数据处理 .244.1.5 按键部分软件设计 .254.1.6 显示模块的软件设计 .264.1.7 A/D 转换模块软件设计 .264.1.8 电机控制模块软件设计 .264.1.9 通信协议及通信模块软件设计 .274.1.10 时间模块软件设计 .294.2 上位机软件设计 .304.2.1 上位机软件开发编译环境 .30|4.2.2 上位机软件的界面设计 .314.2.3 上位机串口通信功能的实现 .324.2.4 上位机软件中的数据处理 .34结论与展望 .35致谢 .37参考文献 .38附录 A 系统电路原理图 .39附录 B 外文文献及译文 .4

10、0附录 C 主要参考文献的题录及摘要 .49附录 D 系统软件源代码 .52|插图清单图 2-1 系统总体框图 1图 3-1 AT89S52 引脚及网络标号 11图 3-2 复位电路及时钟电路13图 3-3 系统按键电路14图 3-4 74LS273 及 74LS47 引脚图 14图 3-5 显示部分电路图15图 3-6 62256 引脚图 16图 3-7 存储的单元电路16图 3-8 DS1302 引脚图17图 3-9 时间单元电路17图 3-10 ADC0804 引脚图18图 3-11 A/D 转换单元电路图19图 3-12 MAX485 引脚图 19图 3-13 串行通信模块电路图 20

11、图 3-14 继电器部分电路图 20图 3-15 电源指示灯电路图 21图 4-1 主程序流程图23图 4-2 键盘程序流程图25图 4-3 液位检测流程图27图 4-4 通信检测流程图28图 4-5 上位机软件界面效果图33图 4-6 水箱液位控制结构图33图 5-1 MATLAB 绘制图形36|表格清单表 3-1 端口引脚第二功能12表 4-1 初始化参数及含义22表 4-2 A/D 转换幅值数据关系对照表 24表 4-3 通信协议28表 4-4 RS 状态标志及含义 29表 4-5 界面功能描述31|引 言上世纪 40 年代，电子计算机的诞生，标志着人类电子技术进入了一个新的阶段。197

12、6 年 单 片 机 的 推 出 为 电 子 电 路 设 计 提 供 了 新 的 思 路 ， 也 促 进 了 模 拟 电 路 向 数 字 电路 发 展 的 历 程 。 它 在 一 片 芯 片 上 集 成 了 完 整 的 计 算 机 系 统 。 从 它 的 发 展 来 看 ， 低功 耗 CMOS 化 、 微 型 单 片 化 、 主 流 与 多 品 种 共 存 的 发 展 趋 势 更 进 一 步 促 使 了 单 片 机在 各 个 行 业 的 应 用 。 这 些 应 用 ， 很 大 一 方 面 体 现 在 工 业 控 制 中 。 在 工 业 上 ， 使 用单 片 机 可 以 构 成 形 式 多 样 的

13、 控 制 系 统 和 数 据 采 集 系 统 。单 片 机 应 用 发 展 迅 速 而 广 泛 。 在 过 程 控 制 中 ， 单 片 机 既 可 作 为 主 计 算 机 ， 又 可作 为 分 布 式 计 算 机 控 制 系 统 中 的 前 端 机 ， 完 成 模 拟 量 的 采 集 和 开 关 量 的 输 入 、 处 理和 控 制 计 算 ， 然 后 输 出 控 制 信 号 。 单 片 机 广 泛 用 于 仪 器 仪 表 中 ， 与 不 同 类 型 的 传 感器 相 结 合 ， 实 现 诸 如 电 压 、 功 率 、 频 率 、 湿 度 、 流 量 、 速 度 、 厚 度 、 压 力 、 温

14、 度 等物 理 量 的 测 量 ； 在 家 用 电 器 设 备 中 ， 单 片 机 已 广 泛 用 于 电 视 机 、 录 音 机 、 电 冰 箱 、电 饭 锅 、 微 波 炉 、 洗 衣 、 高 级 电 子 玩 具 、 家 用 防 盗 报 警 等 各 种 家 电 设 备 中 。 在 计 算机 网 络 和 通 信 、 医 用 设 备 、 工 商 、 金 融 、 科 研 、 教 育 、 国 防 、 航 空 航 天 等 领 域 都 有着 十 分 广 泛 的 应 用 。工 程 应 用 中 液 位 的 测 量 常 用 方 法 主 要 有 超 声 波 、 激 光 红 外 测 距 、 机 械 浮 子 、

15、压力 传 感 器 测 距 等 几 种 。 这 些 测 量 方 式 对 一 般 液 位 的 测 量 来 说 各 有 各 的 优 点 ， 可 根 据不 同 的 应 用 场 合 和 要 求 进 行 选 择 。 比 如 ， 常 见 的 液 位 控 制 系 统 多 采 用 浮 标 、 电 极 等 ，这 种 控 制 形 式 结 构 简 单 成 本 低 廉 ， 但 是 控 制 精 度 不 高 ， 不 能 进 行 数 值 显 示 ； 另 外 容易 引 起 误 操 作 ， 与 上 位 机 进 行 信 息 交 互 比 较 困 难 。随 着 科 技 的 发 展 ， 液 位 测 量 技 术 趋 于 智 能 化 、 微

16、 型 化 、 可 视 化 。 本 设 计 思 想 是用 单 片 机 做 下 位 机 ， PC 机 做 上 位 机 ， 单 片 机 和 PC 机 相 结 合 对 水 箱 液 位 进 行 测 量和 监 控 。 该 设 计 要 求 具 有 一 定 的 智 能 化 ， 可 操 作 性 和 稳 定 性 好 。|第 1 章 绪论1.1 课题背景与研究意义在工农业生产中，常常需要测量液体液位。随着国家工业的迅速发展，液位测量技术被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气及液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，

17、保持正常的锅炉汽包水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备安全运行的保证；在教学与科学研究中，也经常碰到需要进行液位控制的实验装置。1.2 国内外研究现状及发展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。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.人工检尺法人工检尺法可用于测量油罐液位，其历史十分悠久。它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

18、光电的反射回波法等。无论怎样，这些方法的关键是利用液位传感器将液位的相对位移量转换成为电压、电流、阻抗等便于进行电处理的物理量。限于篇幅，下面仅简单介绍电容测量法的基本原理。本方法所使用的电容通常由两块圆柱形极板或一个探极与罐壁构成。当液位不同时，电容器的介电常数就不同，故电容量也不同。在此基础上可以把电容量转化为电压、相移、频率、脉宽等物理量，再进行测量。电容式液位测量装置通常结构简单、灵敏度高、稳定性好、动态响应快，适合于恶劣的工作环境，生产成本也不高；但电容液位测量器需要考虑温度补偿，且介质的成分、水分、温度、密度等不确定变化因素直接影响测量结果的准确性，另外检测电路比较复杂，尤其是检测

19、微小电容量的变化。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。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。超声波是机械波，传播衰减小，界面反射信号强，且发射和接收电路简单，因而应用较为广泛；但超声波的传播速度受

20、介质的密度、浓度、温度、压力等因素影响，其测量精度往往较低。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。微波速度受传播介质、温度、压力、液体介电常数的影响很小，但液体界面的波动、液体表面的泡沫、液体介质的介电常数对微波反射信号强弱有很大影响。当压力超过规定数值时，压力对液位测量精度将产生显著影响。对波导管的锈蚀、弯曲和倾斜都会影响测量精度。光纤测量法光纤液位检测是近年来出现的一种新技术。根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。光纤液位测量有以下优点：精度高、灵敏度好、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、检测现场无电、

21、光路有抗扰性以及便于与计算机连接，便于与光纤传输系统组成网络等。目前，市面上进行液位测量的仪表种类繁多，但是同时具有测量、监控、数据记录及处理的液位测量装置并不多。在某些工业控制系统中，数据的测量这一基本功能已不能满足现代工业的要求，往往需要对大批数据进行记录，对其进行后期处理分析，实现差错控制、工艺改善、资源优化等一系列工作。为了获得大批量的数据，得到可靠的分析资料，往往需要长期、多网点的监控记录。在液位测量这一领域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量数据长时间，多网点的采集记录分析具有普遍的意义。液位的变化分析，有助于人们进一步对自然环境、天气变化甚至是灾害预警提供可靠的支持。1.3 本课

22、题主要研究内容本设计以水箱供水为模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统。具有实时液位测量监控数据处理等功能。设计具体内容分为以下几个方面：（1（ 系统硬件电路设计以及单片机选型；（2（ 系统软件设计；（3（ 上位机软件设计以及上位机与下位机通信设计。|第 2 章 系统总体方案2.1 系统设计要求本设计以水箱供水为模型，鉴于单片机液位测量装置的测量准确、重复性能好、功耗低、使用寿命长等特点，设计以单片机为基础的液位测量监控记录系统。它具有实时测量监控水箱液位高度并显示的功能，并根据实时水量与设置的上、下液位参数的比较

23、，启动电机供水或停止水泵。在启动电机与停止水泵时，实时记录时间点与电机状态。液位测量高度5米，测量精度10%，AC220V供电。可通过上位机软件，可与监控记录系统进行通信，能够从PC机获取当前液位高度、电机状态、设备系统时间、上下液位高度等数据，并可根据需要改变系统默认的参数。同时可以获取设备运行时记录的数据，并能够对数据保存。能够根据一定的算法，计算分析单位时间水箱消耗水量，绘制图形，通过计算分析的结果，可以进行区域用水统筹，降低能源的消耗。2.2 系统框图根据系统的设计要求，采用单片机为主控芯片，通过单片机数据地址总线及I/O端口，扩展数据存储模块、A/D转换模块、显示模块、时间模块、串口通信模块以及 A/D转换、电机控制等外围电路，从而实现系统所需的设计功能。系统总体方案框图如图2-1：电机控制模块A/D 转换模块按键与显示模块时间模块存储模块通信模块单片机主控模块图 2-1 系统总体框图图中，信号流向仅指示了通过数据地址总线或I/O口上发生的数据信号，不包括控制信号。