【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于單片機(jī)的雙容水箱液位控制器設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué) 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：指導(dǎo)教師：基于單片機(jī)的雙容水箱液位控制器設(shè)計摘 要液位作為工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要的被控參數(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、食品、石油等工業(yè)中，工藝過程中液位的控制效果直接影響著所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代工業(yè)中的液位控制系統(tǒng)規(guī)模日趨復(fù)雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過控領(lǐng)域的一個研究熱點?；趩纹瑱C(jī)的液位控制器具有性能穩(wěn)定、可靠，控制精度高，造價低，設(shè)置方便，操作方便等優(yōu)點。本設(shè)計利用單片機(jī)實現(xiàn)對雙容水箱液位的控制，該系統(tǒng)是以上下兩個串聯(lián)的水箱為研究對象，把下水箱的液位作為被控參數(shù)，通過壓力變送器測量水箱的液位，并把測量結(jié)果送到以單片機(jī)為核心的控制器作為反饋信號，控制器再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的增量型PID控制算法進(jìn)行運算，發(fā)出控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一的調(diào)節(jié)閥開度大小，從而改變進(jìn)入上水箱中水的流量大小，實現(xiàn)水箱液位的自動控制，整個控制過程中，水泵電機(jī)保持勻速供水。關(guān)鍵詞：單片機(jī)STC89C52，液位控制，增量式PID控制算法，LED顯示Based on single chip dual tank water level controller designAbstractThe level is charged with one of the parameters of the industrial production process, the most important, widely used in metallurgy, building materials, chemicals, food, petroleum and other industries, the level of control in the process directly influences the production of productsquality. Level Control System scale of modern industry are being increasingly plex, largescale, level control has gradually bee the Process Control field of a hot research topic. Based on single chip water level controller has many advantages, such as stable performance, reliable, high control precision, low cost, easy set up, easy operation. The design use single chip achieve dualtank water level control system is based on the two upper and lower water tanks in series for the study, the following tank level is controlled parameters, the pressure transmitter to measure the level of the water tank, and the measurements gave microcontroller as the core controller as the feedback signal, the controller based on incremental PID control algorithm is preset puting, issue control mands to control the actuator valve opening size, thus changing into the flow of water on the tank size. tank liquid level automatic control.Key words: single chip STC89C52,liquid level control, incremental PID control algorithm, LED display目 錄摘 要 IAbstract II第一章 引言 1 研究背景 1 國內(nèi)液位控制的發(fā)展現(xiàn)狀 1 PID調(diào)節(jié)器簡介 2 設(shè)計思路 2 設(shè)計意義 3第二章 硬件組成 4 系統(tǒng)硬件組成概述 4 數(shù)據(jù)采集電路 4 壓力變送器 4 I/V轉(zhuǎn)換電路 5 A/D轉(zhuǎn)換器 5 STC89C52RC單片機(jī) 8 D/A轉(zhuǎn)換器 10 DAC0832引腳功能 11 DAC0832工作方式 12 DAC0832工作時序 12 V/I轉(zhuǎn)換電路 12 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 12 控制閥 12 水泵電機(jī) 13 掉電存儲器 13 LED顯示 14 LED顯示器的結(jié)構(gòu) 14 移位寄存器 16第三章 硬件設(shè)計 19 STC89C52單片機(jī)模塊電路 19 晶振電路 19 復(fù)位電路 19 最小系統(tǒng) 20 LED顯示模塊 21 A/D轉(zhuǎn)換電路 22 D/A轉(zhuǎn)換電路 22 V/I轉(zhuǎn)換電路 23 鍵盤電路 24 串口通信電路 24第四章 軟件設(shè)計 26 主程序流程圖 26 A/D轉(zhuǎn)換子程序 27 鍵盤控制子程序 28 PID控制子程序 29 LED顯示子程序 32 Keil軟件 33 Keil軟件簡介 33 Keil軟件編程流程及程序下載 33第五章 系統(tǒng)的調(diào)試及說明 36 硬件設(shè)計調(diào)試 36 軟件設(shè)計調(diào)試 37 鍵盤和顯示軟件設(shè)計 37 輸入信號的測量 38 PID控制量計算及數(shù)據(jù)處理 38 軟硬件聯(lián)合調(diào)試 41總結(jié) 42參考文獻(xiàn) 43附錄A 本設(shè)計原理圖 45附錄B 主程序 46致謝 52第一章 引言 研究背景液位是工業(yè)生產(chǎn)過程中的主要被控參數(shù)之一，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、建材、食品、石油等工業(yè)中，工藝過程中液位的控制效果直接影響著所生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量?，F(xiàn)代工業(yè)中的液位控制系統(tǒng)規(guī)模日趨復(fù)雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過控領(lǐng)域的一個研究熱點。 國內(nèi)液位控制的發(fā)展現(xiàn)狀德州學(xué)院機(jī)電工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，它是一種基于AT89C51單片機(jī)的遠(yuǎn)程液位數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，采用單片機(jī)作為控制核心，上位機(jī)采用MCGS編寫的監(jiān)控軟件，整個監(jiān)控系統(tǒng)可以完成液位信號的采集與轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送和顯示、控制等功能[2]。北方工業(yè)大學(xué)理學(xué)院的安艷偉做了基于單片機(jī)的分布式液位控制系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計了一種基于51單片機(jī)為核心的多機(jī)分布式液位控制系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集模塊，處理模塊和多機(jī)通信平臺組成，既滿足了測量精度的要求，同時具有較高的可靠性，成本低，控制靈活。隨著傳感技術(shù)的不斷提高，分布式監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用日趨廣泛，一個高質(zhì)量、合理化的多機(jī)串行通信平臺就顯得尤為重要[19]。南京郵電大學(xué)的牛標(biāo)和張代遠(yuǎn)所做的可監(jiān)控智能液位控制器系統(tǒng)設(shè)計中列舉了液位控制系統(tǒng)可以采取的硬件方案以及他們各自的優(yōu)缺點，采用FPGA作為控制器可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展[5]。FPGA采用并行輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但是由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作[5]。根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李小平所做的《液位控制系統(tǒng)建模及其控制算法的研究》對幾種控制算法進(jìn)行了研究，其中包括PID控制算法、大林算法、Smith預(yù)估控制算法、模糊控制算法等，并通過編程說明了其可行性和優(yōu)越性：PID控制器是迄今為止應(yīng)用最廣泛的反饋形式，它具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好等特點，且原理簡明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整；大林控制算法的最大的特點是，將期望的閉環(huán)響應(yīng)設(shè)計成一階慣性環(huán)節(jié)加純延遲，然后反過來得到能滿足這種閉環(huán)響應(yīng)的控制器[12]。它是克服純滯后的有效方法，一階系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)定，波動較少；Smith預(yù)估控制算法是一種簡單而有效的控制方法，但只適用于單輸入單輸出系統(tǒng)，它的最大優(yōu)點是將時滯環(huán)節(jié)移到了閉環(huán)之外，是控制品質(zhì)大大提高，它的最大缺點是太過依賴精確的數(shù)學(xué)模型，對于外部擾動非常敏感，魯棒性較差；模糊控制是一種新型控制方法，在冶金、化工、電力和家電等工業(yè)部門都有成功應(yīng)用，它避開了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，通常能得到比較好的性能指標(biāo)，適用于水位這樣的滯后非線性系統(tǒng)[12]。 PID調(diào)節(jié)器簡介傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器多為模擬調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器多用氣動或電動單元組合儀表來完成。隨著單片機(jī)在控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，利用計算機(jī)軟件設(shè)計控制算法，具有更大的可靠性、靈活性以及更好的控制效果。因此，以單片機(jī)為中心、采用數(shù)字算法的數(shù)字調(diào)節(jié)器正不斷代替著模擬調(diào)節(jié)器。在控制過程中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。在單回路反饋控制系統(tǒng)中，由被控對象、變送器、控制器、和控制閥四個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成?？刂破鞯膮?shù)對控制系統(tǒng)的控制效果產(chǎn)生很大影響：控制系統(tǒng)的動態(tài)誤差、靜態(tài)誤差、穩(wěn)定性都是通過對控制器的參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行控制的。自從PID控制器問世到現(xiàn)在已有近70年的歷史，它以穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、工作可靠為優(yōu)點成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的參數(shù)和結(jié)構(gòu)不能完全掌握，或者得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時，系統(tǒng)控制器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)必須依靠現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗來確定，這時采用PID控制最為方便。即當(dāng)我們不能完全了解系統(tǒng)的被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合采用PID控制技術(shù)。 設(shè)計思路本設(shè)計利用單片機(jī)實現(xiàn)對雙容水箱液位的控制，該系統(tǒng)是以上下兩個串聯(lián)的水箱為研究對象，把下水箱的液位作為被控參數(shù)，通過壓力變送器測量水箱的液位，并把測量結(jié)果送到以單片機(jī)為核心的控制器作為反饋信號，控制器再根據(jù)預(yù)先設(shè)置的增量型PID控制算法進(jìn)行運算，發(fā)出控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一的調(diào)節(jié)閥開度大小，從而改變進(jìn)入上水箱中水的流量大小，實現(xiàn)水箱液位的自動控制，整個控制過程中，水泵電機(jī)保持勻速供水。： 系統(tǒng)工藝圖 設(shè)計意義本設(shè)計之所以選擇用單片機(jī)進(jìn)行控制是由于其具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性能高、造價比低和開發(fā)周期短等優(yōu)點。而單片機(jī)控制系統(tǒng)以其性能穩(wěn)定、可靠，控制精度高，造價低，設(shè)置方便，操作方便等優(yōu)點，被應(yīng)用到液位控制系統(tǒng)中來，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可視性，使得人機(jī)交互的能力進(jìn)一步提高。雙容水箱本身存在慣性大、擾動多等問題，本設(shè)計利用積分分離和帶死區(qū)的增量型PID控制可以成功的克服這些問題。這些問題的有效克服使得液位控制系統(tǒng)在工業(yè)上具有很大的研究價值。第二章 硬件組成 系統(tǒng)硬件組成概述。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路的功能主要是采集容器中的實時液位高度，并且把這個采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號送入單片機(jī)。 壓力變送器壓力變送器測量的是壓力信號，根據(jù)液位參數(shù)與壓力參數(shù)的關(guān)系即式（）得到液位信號，從而將液位測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力測量的數(shù)據(jù)。 （）本設(shè)計所選用的壓力變送器是JYBKOHAG，： JYBKOHAG壓力變送器技術(shù)參數(shù)環(huán)境溫度－ 10℃～+60℃介質(zhì)溫度－ 20℃～+70℃電壓輸出型輸出阻抗≤ 250Ω(DC 24V供電時)：0～5VDC供電電壓DC 24V(12V～32V)負(fù)載能力電流輸出型≤ 500Ω：4～20mADCJYBKOHAG壓力變送器用途：航空航天領(lǐng)域，工業(yè)現(xiàn)場過程壓力控制，儀器醫(yī)療食品等行業(yè)，石油化工行業(yè)，航海及造船行業(yè)，水電、水利、發(fā)電廠等行業(yè)。JYBKOHAG壓力變送器具有以下的特點：抗過載、抗沖擊、抗干擾等能力強(qiáng)；溫度補(bǔ)償激光調(diào)阻，使用溫域?qū)?；防浪涌電壓，反向極性保護(hù)；抗腐蝕性能好，可以測量多種介質(zhì)；過流過壓保護(hù)電路；進(jìn)口陶瓷芯片或擴(kuò)散硅，適用于不同場合的壓力測量；穩(wěn)定性高，實用性廣；安裝簡便，小巧精致等。JYBKOHAG型擴(kuò)散硅壓力傳感器的測量精度：A級（177。 ％），B級（177。％）。量程是：060MPa內(nèi)任量程，最小量程為 5kPa。JYBKOHAG型陶瓷壓力傳感器的測量精度：A級（177。 ％），B級（177。 1％）。量程是：010MPa內(nèi)任量程，最小量程為 30kPa。 I/V轉(zhuǎn)換電路測量所得的液位模擬信號經(jīng)過壓力變送器輸出420mA直流信號后，再經(jīng)250Ω電阻轉(zhuǎn)換成直流15V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，送入A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D轉(zhuǎn)換器在工業(yè)控制過程中，被測參數(shù)（如流量、溫度、液位、壓力、速度等）都是連續(xù)變化的量，稱為模擬量。而單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以在數(shù)據(jù)進(jìn)入單片機(jī)之前，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)可識別的數(shù)字量，能夠達(dá)到這一目的的器件，稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器有很多種，依據(jù)位數(shù)來區(qū)分，有16位、12位、10位、8位等。其位數(shù)越高，分辨率也就越高。通常使用的A/D轉(zhuǎn)換器是將一個輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號，本設(shè)計所用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0832，它可實現(xiàn)05V模擬電壓信號的8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換。本設(shè)計采用ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器與I/V轉(zhuǎn)換電路相連接，對輸入的15V電壓信號進(jìn)行采樣?，F(xiàn)場傳來的420mA電流信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)妮斎朕D(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接受的15V