【正文】 sensor and is pared with the level of extreme value, according to the industry need for supplying liquid or liquid discharge beyond extremes buzzer alarm system and automatically to the fluid or discharge liquid, until the return to the standard given value. Papers selected from hardware to software models system design, each one of them specific instructions, further elaboration of the system in real time level measurement process and methods. The final set of hardware and software systems substantially plete. Keywords: detection level value。 level extremes。 SCM。 sensor大連海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第一章 緒論 1 第一章 緒論 研究目的和意義 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，自動(dòng)化的相應(yīng)產(chǎn)業(yè)也隨之不斷更新?lián)Q代，液位的控制也由傳統(tǒng)的人工控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化控制。 對(duì)于傳統(tǒng)控制存在的問題，本次設(shè)計(jì)有了很強(qiáng)的針對(duì)性，避免了常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)中的人員控制不及時(shí)問題。該系統(tǒng)具有預(yù)報(bào)警警示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、報(bào)警后的 自補(bǔ)償系統(tǒng)以及人工實(shí)時(shí)操控系統(tǒng)等組成。本次設(shè)計(jì)的主要意義在于解決工廠、醫(yī)療及生活中不必要人力物力的浪費(fèi)，同時(shí)提高控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，最終到達(dá)提高了系統(tǒng)效率與質(zhì)量的目的。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 現(xiàn)今在工業(yè)生產(chǎn)中常用測(cè)量液位儀器有 簧管式、浮球式、防爆式以及兩線式控制液位器等。其中超聲波液位控制器適用于液位控制精度較高的系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的超聲液位傳感器由兩組探頭組成，功能分別為發(fā)射與接收信號(hào)。 這種單發(fā)單收傳感器可以避免類似自發(fā)自收式傳感器安裝、接收的盲區(qū)，又可克服多信號(hào)發(fā)射、接收的多信號(hào)耦合現(xiàn)象。該系統(tǒng)傳感 器部分在空氣中可以更好的發(fā)揮其工作性能，進(jìn)而提高液位控制精度，在高精度控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用 [1]。 美國公司 （ MILLTRONICS） 已經(jīng)開發(fā)多范圍超聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)級(jí)和電平測(cè)量功能，它使用非接觸式超聲波傳感器的水平差，水平變化可以被監(jiān)測(cè) 30 厘米至 14 米范圍。 工業(yè)生產(chǎn)中常用的控制方式是串級(jí)控制，而串級(jí)液位控制又是典型控制中的常見事例。雖然，串級(jí)液位控制較之原始液位控制有著顯著的效果，但該系統(tǒng)的大慣性、延遲、難以精確控制非線性模型等的特點(diǎn)也給實(shí)際生產(chǎn)中添加了不少的困難。 常規(guī) PID 液位的調(diào)控是不能夠理想的控制更 復(fù)雜系統(tǒng)，然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可更好地調(diào)控復(fù)雜系統(tǒng)，新型控制器 PID 方式（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）不僅具有魯棒性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，更為特殊的是該元件由常規(guī)的控制器 PID 方式及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) BP 方式結(jié)合構(gòu)成。 敖茂堯提出優(yōu)化算法關(guān)于粒子群進(jìn)一步解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) BP 收斂慢特性。改良的控制方式由改進(jìn)粒子群算法、控制器 BP 及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 構(gòu)成，鑒于自學(xué)習(xí)、適應(yīng)性以及加權(quán)改良進(jìn)一步調(diào)劑 PID 參數(shù)，從而解決非線性模型的調(diào)控。 控制算法的確定關(guān)系著被控物體調(diào)控的性能優(yōu)勢(shì)?？刂苹芈返?PID 調(diào)節(jié)算法中，沖量式數(shù)字 PID 控制算法便捷、工作狀態(tài)穩(wěn)定、在工作點(diǎn)上 下浮動(dòng)位置常規(guī)狀態(tài)下能通過使被控制對(duì)象的數(shù)值測(cè)量 [6]，并且能快速與原系統(tǒng)的設(shè)定值保持一致，而不進(jìn)行大幅度的超調(diào)設(shè)置。 大連海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 第一章 緒論 2 在穩(wěn)定狀態(tài)下可以消除偏差，調(diào)節(jié)效果也十分顯著，且需要保留顯示以前的時(shí)刻偏差數(shù)較少，因此系統(tǒng)的運(yùn)算量和資源占用量也較少。 研究內(nèi)容和方法 該系統(tǒng)主要研究對(duì)待測(cè)液體液位的控制，系統(tǒng)由傳感器測(cè)得實(shí)時(shí)液位值，并傳遞給主機(jī)系統(tǒng)，數(shù)值到達(dá)極值時(shí)會(huì)自動(dòng)給液或排液以確保液位值。在此過程中操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行液位極值的變更設(shè)定。 研究方法首先通過對(duì)系統(tǒng)總體工作要求的確定，規(guī)劃出系統(tǒng)整體的運(yùn) 行框圖（包括硬件與軟件框圖）。根據(jù)系統(tǒng)總框圖確定所需硬件，并依次決定硬件型號(hào)；對(duì)于軟件則由程序流程圖最終確定各部分程序。大連海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)） 第二章 系統(tǒng)的總體方案 3 第二章 系統(tǒng)的總體方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體要求 以常規(guī)無腐蝕性、不易汽化的液體為待測(cè)液的控制模型。以單片機(jī)為控制核心的裝置系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送速度快、控制反饋速度快、工作環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、系統(tǒng)使用壽命長、功能損失小等特點(diǎn)。 該系統(tǒng)對(duì)待測(cè)液體進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，由傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，并與液位極值進(jìn)行比較，根據(jù)工業(yè)需要進(jìn)行供給液體或排放液體，超出極值時(shí)系統(tǒng)蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)給液或排 液，直至恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)給定值。調(diào)控模型也可實(shí)時(shí)根據(jù)需要及時(shí)調(diào)控?cái)?shù)值。 系統(tǒng)方框圖 本系統(tǒng)方框圖： 圖 1 系統(tǒng)方框圖 根據(jù)系統(tǒng)的整體控制需求，通過單片機(jī)的總體控制，由數(shù)據(jù)地址總線以及輸入 /輸出端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，由模擬 /數(shù)字 轉(zhuǎn)換模塊 以及 電機(jī)控制等外圍電路 組成，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)的調(diào)控需求?？刂葡到y(tǒng)的方框圖為圖 1。 硬件控制方案 控制模塊設(shè)計(jì)方案 控制模塊的主體是單 片機(jī)，不同型號(hào)的單片機(jī)具有各自的特點(diǎn)，這樣對(duì)于機(jī)體型號(hào)的選擇有了更多選項(xiàng)。 因此對(duì)于系統(tǒng)而言單片機(jī)的選擇非常重要，這將決定著系統(tǒng)的工作效率與經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述可以根據(jù)以下幾點(diǎn)進(jìn)行單片機(jī)的挑選： 模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊 單片機(jī)控制模塊 存儲(chǔ)模塊 通信模塊 液位檢測(cè)模塊 輸入鍵盤與顯示模塊 電機(jī)模塊 時(shí)鐘模塊（只做簡(jiǎn)述 無時(shí)間顯示要求可略） 大連海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)） 第二章 系統(tǒng)的總體方案 4 1. 被選機(jī)型的數(shù)據(jù)參數(shù)。 如 控制 速度 與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、 程序存儲(chǔ)器容量 、輸入 /輸出 引腳數(shù)量 等。 2. 被選 機(jī) 型 的增強(qiáng)功能 。 如看門狗 電路、 雙指針 、 EEPROM、雙串口 、 RTC、 CAN接口、 RAM延展 。 3. 被選機(jī)型的 一次性可編程 以及閃存性能 。 4. 單片機(jī)的 封裝 形式：綁定型封裝、直插 雙列 型封裝 。 5. 單片機(jī) 工作 環(huán)境的 溫 度 變化 范圍 ，同時(shí)還要根據(jù)機(jī)型選擇領(lǐng)域是工業(yè)還是商業(yè)進(jìn)一步選擇 。 6. 單片機(jī)功能損耗的大小 。 7. 單片機(jī)的電壓工作范圍 。如 播放 機(jī) 的 遙控器 設(shè)計(jì)，需要提供兩節(jié) 干電池 的電壓或是在 ~ 電壓內(nèi) 可以 工作。 8. 被選機(jī)型的市場(chǎng)價(jià)格。 9. 機(jī)型能否在線編程以及考慮燒錄器的價(jià)格。 10. 調(diào)控時(shí)其它功能模塊使用的器件型號(hào)。 11. 所選機(jī)型支持的匯編語言。 12. 盡可能資源豐富。 13. 被選機(jī)型應(yīng)具有較強(qiáng)的免干擾特性。 14. 最后還應(yīng)考慮被選機(jī)型同系統(tǒng)中其他芯片總體考慮。 基于上述幾點(diǎn)因素：系統(tǒng) 整體的規(guī)模不是很大，又由于系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度要求不是很高即系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求不高，系統(tǒng)的總線使用分時(shí)復(fù)用的形式，因而對(duì)輸入 /輸出串口的數(shù)量要求可以降低。 根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要可以使用四路八位輸入 /輸出接口，同時(shí)系統(tǒng)需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器以達(dá)到擴(kuò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的目的，三十二萬字節(jié)的存儲(chǔ)量（數(shù)據(jù)）就可以達(dá)到系統(tǒng)使用量，最終系統(tǒng)使用十六位或準(zhǔn)十六位的總 BUS線作為傳送數(shù)據(jù)（地址） [7]。 在實(shí)驗(yàn)測(cè)試測(cè)試過程中，系統(tǒng)機(jī)型采用雙列直插封裝的單片機(jī)，不需要對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工業(yè)中被控對(duì)象的控制所處具體外界環(huán)境予以考慮。 系統(tǒng)控制過程中使用交流 二百二十伏作為供電源并且使用直流五伏電源為單片機(jī)供電，被選單片機(jī)支持在線系統(tǒng)編程進(jìn)而省去了仿真器的使用。 由以上所述調(diào)控模型可以選取具有 51相通性的 AT89S52型作為本次所選機(jī)型。 單片機(jī) AT89S52型可以在線系統(tǒng)可編程閃存存儲(chǔ)器并且集聚性能較高的 CMOS與功率低損耗為一體的八位微型調(diào)控器。 閃存既能滿足存儲(chǔ)器（程序）在線編程同時(shí)也適用于常用器件編程，使用 非易失性 高密度 存儲(chǔ)技術(shù) 的 ATMEL公司制造用工業(yè)中，且該系列與 51系列突顯出良好的融合性，這也使得 AT89C51更能靈活應(yīng)用于嵌入式控制中。 被選機(jī)型 AT89S52 具有下列功能：字節(jié)為二百五十六的 RAM，字節(jié)為八千的閃存，看門狗（防系統(tǒng)死飛），三十二位輸入 /輸出，數(shù)據(jù)指針為兩個(gè)，計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器十六位為三個(gè)，其中調(diào)控模型的中斷結(jié)構(gòu)為一個(gè)六向量二級(jí)，時(shí)鐘電路、雙工串行端口和振蕩元件（片內(nèi)）。 此外單片機(jī) AT89S52 可選擇省電模式下的軟件數(shù)量為兩類，且能夠處于零赫茲靜態(tài)下大連海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)） 第二章 系統(tǒng)的總體方案 5 進(jìn)行運(yùn)算邏輯。 顯示與輸入鍵盤模塊的設(shè)計(jì)方案 輸入鍵盤模塊主要是為了能夠?qū)崿F(xiàn)液位值的輸入，該部分的軟件任務(wù)主要是檢驗(yàn)是否有按鍵按下同時(shí)檢查是何鍵值，之后根據(jù)輸入值來決定電機(jī)的正 轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)進(jìn)而控制液位值，本系統(tǒng)可以采用獨(dú)立式鍵盤進(jìn)行數(shù)值輸入。 該系統(tǒng)所需屏幕主要用生產(chǎn)設(shè)備計(jì)算機(jī)來完成簡(jiǎn)單的工業(yè)控制系統(tǒng)，通常用數(shù)字顯示屏幕， LCD等，調(diào)控模型只需表示出液體水平位值即數(shù)字化即可， LCD顯示屏已經(jīng)能夠滿足調(diào)控模型的要求。 調(diào)控模型精準(zhǔn)度必須不大于五米測(cè)量范圍，十分之一的測(cè)量精確度，預(yù)測(cè)模型的檢測(cè)取值空間五米，十分之一的準(zhǔn)確率， 5 10％ =。使用兩位 LED將能夠符合模型需求。 系統(tǒng)有兩種關(guān)于 LED顯示方法：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示方法。靜態(tài)優(yōu)點(diǎn)是規(guī)律容易掌握，屏幕長時(shí)間觀看 不會(huì)感覺眼澀，因?yàn)椴恍枰幚砥鬟B續(xù)掃視屏幕，因而可節(jié)省處理器的運(yùn)作量。但靜態(tài)展示需要待改進(jìn)的地方，首先為占用更多輸入 /輸出端口，造成資金投入相對(duì)上浮。因此屏的靜態(tài)方法數(shù)通常用于小型應(yīng)用系統(tǒng)屏幕。 改善元件中靜態(tài)展示的輸入 / 輸出端所占比例過多，采用壓縮 BCD生產(chǎn)代碼及八位鎖存數(shù)據(jù)元件，硬件 74LS273和壓縮元件連接該驅(qū)動(dòng)器解碼器上，降低元件需要的運(yùn)作量。 共陽極解碼用八區(qū)共陽極顯示元件進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，采用單片機(jī)控制的輸入 / 出端口的數(shù)值鎖存。 模擬 /數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)方案 模擬 /數(shù)字信號(hào)的 轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)與外界控制的關(guān)鍵，多種不同性質(zhì)的轉(zhuǎn)換器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，第一要看怎樣選擇適當(dāng)?shù)脑_(dá)到系統(tǒng)的要求。選基于下列參值模塊： 逐次比較型 AD 由一個(gè)比較器和 DA 轉(zhuǎn)換器通過逐次逼近邏輯結(jié)構(gòu)的，從 MSB 順序?yàn)槊總€(gè)輸送電壓和輸出 DA 轉(zhuǎn)換器內(nèi)置數(shù)碼比較 N 次后輸出。它的優(yōu)點(diǎn)是速度快、損耗功能低，分辨率低（ 12）的是價(jià)格比較便宜的；但精度高（ 12），其價(jià)格高。 /比較串并型 用多個(gè)比較器，只看到當(dāng)前比較并執(zhí)行轉(zhuǎn)換，也被稱為閃光（快速）型。由于 該轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)化率高，需要 2n1 個(gè)比較器進(jìn)行 n 位轉(zhuǎn)換，從而使電路規(guī)模加大，也造成價(jià)位高的現(xiàn)象，因而只適用于高速 AD 轉(zhuǎn)換視頻的特定區(qū)域。 比較串并的原理借鑒了并行和逐次比較轉(zhuǎn)換元件（模 /數(shù)）的工作機(jī)理，經(jīng)典的由 N 的半值比較并行轉(zhuǎn)換元件（數(shù) /模）與轉(zhuǎn)換元件（模 /數(shù)）構(gòu)成組合體，比較兩次后實(shí)施轉(zhuǎn)換，即所謂的半閃光（半快速）型。有的模塊被劃分成三個(gè)階段以上的步驟來實(shí)現(xiàn) AD 轉(zhuǎn)換并被稱為分級(jí)（多步）型，從第一視角轉(zhuǎn)換的角度可以稱為管道（流水線）型的 A/D，多層次的大連海洋大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè) 計(jì)） 第二章 系統(tǒng)的總體方案 6 AD 加入更多的結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字運(yùn)算和糾錯(cuò)等功能。模塊規(guī)模比 并聯(lián)式線路精簡(jiǎn)。 積分型的運(yùn)作方式（模 /數(shù)）在頻率（脈沖頻率）或一個(gè)時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）下轉(zhuǎn)換輸送電壓，然后由定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器獲取的數(shù)值。它的優(yōu)點(diǎn)高的分辨率可以通過簡(jiǎn)單的電路來獲得，但缺點(diǎn)是積分時(shí)間決定著轉(zhuǎn)換精度導(dǎo)致極低的轉(zhuǎn)化率。 電壓 頻率變換型（電壓 頻率轉(zhuǎn)換器），系統(tǒng)取得的模擬信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成一對(duì)頻率的數(shù)字量，通過間接的模擬轉(zhuǎn)換得到數(shù)字。在理論上，這中模塊的分辨率會(huì)增加并且?guī)缀跏菬o限增長的，只要該頻率分辨率樣品生產(chǎn)時(shí)間能夠滿足寬度脈沖的累計(jì)數(shù)。其優(yōu)良特性是分辨性能高，具有 低廉價(jià)位，損耗功能小，但要有外部電路計(jì)數(shù)電路模板一齊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù) 當(dāng)系統(tǒng)需要的轉(zhuǎn)換（模 /數(shù)）的位數(shù)被設(shè)置時(shí)，該數(shù)值應(yīng)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)考慮到這兩個(gè)區(qū)域的動(dòng)靜態(tài)精度平滑特性。由靜態(tài)精度的角度出發(fā)，應(yīng)考慮所產(chǎn)生的原始信號(hào)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤最后由系統(tǒng)傳遞制造的最終誤差，這種誤差信號(hào)的