【正文】 1 緒論單片機應用發(fā)展迅速而廣泛。在過程控制中，單片機既可作為主計算機，又可作為分布式計算機控制系統(tǒng)中的前端機，完成模擬量的采集和開關量的輸入、處理和控制計算，然后輸出控制信號。單片機廣泛用于儀器儀表中，與不同類型的傳感器相結合，實現諸如電壓、功率、頻率、濕度、流量、速度、厚度、壓力、溫度等物理量的測量；在家用電器設備中，單片機已廣泛用于電視機、錄音機、電冰箱、電飯鍋、微波爐、洗衣、高級電子玩具、家用防盜報警等各種家電設備中。在計算機網絡和通信、醫(yī)用設備、工商、金融、科研、教育、國防、航空航天等領域都有著十分廣泛的應用。隨著科技的發(fā)展，液位測量技術趨于智能化、微型化、可視化。本設計思想是用單片機做下位機，PC機做上位機，單片機和PC機相結合對水箱液位進行測量和監(jiān)控。該設計要求具有一定的智能化，可操作性和穩(wěn)定性好。1．1 課題背景與研究意義在工農業(yè)生產中，常常需要測量液體液位。隨著國家工業(yè)的迅速發(fā)展，液位測量技術被廣泛應用到石油、化工、醫(yī)藥、食品等各行各業(yè)中。低溫液體（液氧、液氮、液氬、液化天然氣及液體二氧化碳等）得到廣泛的應用，作為貯存低溫液體的容器要保證能承受其載荷；在發(fā)電廠、煉鋼廠中，保持正常的鍋爐汽包水位、除氧器水位、汽輪機凝氣器水位、高、低壓加熱器水位等，是設備安全運行的保證；在教學與科學研究中，也經常碰到需要進行液位控制的實驗裝置。1．2 國內外研究現狀及發(fā)展液位測量的方法比較多，依據測量方式的不同可分為接觸式與非接觸式兩種類型?！窠佑|式測量法接觸式測量法是指測量用傳感器直接與容器內存儲液體相接觸，從而獲得測量參數的方法。本方法所使用的電容通常由兩塊圓柱形極板或一個探極與罐壁構成。當液位不同時，電容器的介電常數就不同，故電容量也不同。在此基礎上可以把電容量轉化為電壓、相移、頻率、脈寬等物理量，再進行測量。電容式液位測量裝置通常結構簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應快，適合于惡劣的工作環(huán)境，生產成本也不高；但電容液位測量器需要考慮溫度補償，且介質的成分、水分、溫度、密度等不確定變化因素直接影響測量結果的準確性，另外檢測電路比較復雜，尤其是檢測微小電容量的變化?！穹墙佑|式測量法非接觸式測量法包括超聲波法、調制型光學法、微波法等。其特點是測量手段并不采用浮子之類的固態(tài)物，而是利用聲、光、射線、磁場等的能量。液位傳感器不和被測介質接觸，不受被測介質影響，也不影響被測介質，故適用范圍廣泛。特別是接觸式測量裝置不能適用的特殊場合，如高粘度、強腐蝕性、污染性強，易結晶的介質?！窆饫w測量法光纖液位檢測是近年來出現的一種新技術。根據光導纖維中光在不同介質中傳輸特性的改變對液位進行測量。光纖液位測量有以下優(yōu)點：精度高、靈敏度好、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好、檢測現場無電、光路有抗擾性以及便于與計算機連接，便于與光纖傳輸系統(tǒng)組成網絡等。目前，市面上進行液位測量的儀表種類繁多，但是同時具有測量、監(jiān)控、數據記錄及處理的液位測量裝置并不多。在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，數據的測量這一基本功能已不能滿足現代工業(yè)的要求，往往需要對大批數據進行記錄，對其進行后期處理分析，實現差錯控制、工藝改善、資源優(yōu)化等一系列工作。為了獲得大批量的數據，得到可靠的分析資料，往往需要長期、多網點的監(jiān)控記錄。在液位測量這一領域中，如江河湖海、城市用水等方面，大量數據長時間，多網點的采集記錄分析具有普遍的意義。液位的變化分析，有助于人們進一步對自然環(huán)境、天氣變化甚至是災害預警提供可靠的支持。1．3 本課題主要研究內容利用單片機設計一個水位控制系統(tǒng)，要求選擇合適的水位傳感器及電磁閥，當設定完水位后，系統(tǒng)根據水位情況控制電磁閥的開啟和關斷。具體要求如下：設計單片機工作電源模塊及其復位電路選擇合適的水位傳感器，單片機通過相應的調理電路采集當前水位值，設計相應的電磁閥控制電路，根據水位情況控制器開啟和關斷通過鍵盤設置其預定水位畫出電路方框圖，敘述主要模塊的功能及他們之間的控制關系和數據傳輸，利用Visio軟件繪制軟件流程圖編制相應的控制程序，并用C語言或匯編語言對軟件進行編譯。并能通過調試。利用protel進行原理圖繪制，并利用Proteus進行仿真2 系統(tǒng)設計方案 系統(tǒng)設計方案比較對于水位進行控制的方式有很多,而應用較多的主要有2種,一種是簡單的機械式控制裝置控制,一種是復雜的控制器控制方式。兩種方式的實現如下： (1)簡單的機械式控制方式。其常用形式有浮標式、電極式等,這種控制形式的優(yōu)點是結構簡單,成本低廉。存在問題是精度不高,不能進行數值顯示,另外很容易引起誤動作,且只能單獨控制,與計算機進行通信較難實現。 (2)復雜控制器控制方式。這種控制方式是通過安裝在水泵出口管道上的壓力傳感器,把出口壓力變成標準工業(yè)電信號的模擬信號,經過前置放大、多路切換、A／D變換成數字信號傳送到單片機,經單片機運算和給定參量的比較,進行PID運算,得出調節(jié)參量。經由D／A變換給調壓／變頻調速裝置輸入給定端,控制其輸出電壓變化,來調節(jié)電機轉速,以達到控制水位的目的。本設計利用單片機設計一個水位控制系統(tǒng)，要求選擇合適的水位傳感器及電磁閥，當設定完水位后，系統(tǒng)根據水位情況控制電磁閥的開啟和關斷。 系統(tǒng)設計總框圖電機控制模塊A/D轉換模塊按鍵與顯示模塊時間模塊存儲模塊通信模塊單片機主控模塊 圖21 系統(tǒng)總體框圖 硬件設計方案 工作原理基于單片機實現的水位控制器是以AT89C51芯片為核心,由鍵盤、數碼顯示、A／D轉換、傳感器,電源和控制部分等組成。工作過程如下：當水位發(fā)生變化時,引起連接在水位底部軟管管內的空氣氣壓變化,氣壓傳感器在接收到軟管內的空氣氣壓信號后,即把變化量轉化成電壓信號。該信號經過運算放大電路放大后變成幅度為0～5 V標準信號,送入A／D轉換器,A／D轉換器把模擬信號變成數字信號量,由單片機進行實時數據采集,并進行處理,根據設定要求控制輸出,同時數碼管顯示液位高度。通過鍵盤設置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制器特點是直觀地顯示水位高度,可任意控制水位高度。 主控模塊設計方案單片機作為主控模塊，使得在對單片機選型上有了較大的空間。單片機在30多年的發(fā)展歷程中，形成了多公司、多系列、多型號“百家爭鳴”的局面。因而，選擇一個合適的單片機有時真的不太容易，要考慮的方面太多。大致總結出以下幾點：1) 單片機的基本參數。例如速度、程序存儲器容量、I/O引腳數量等。2) 單片機的增強功能。例如看門狗、雙指針、雙串口、RTC（實時時鐘）、EEPROM、擴展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。3) Flash和OTP（一次性可編程）。4) 封裝：DIP（雙列直插）,PLCC（PLCC有對應插座）還是貼片。5) 工作溫度范圍，工業(yè)級還是商業(yè)機。6) 功耗。 7) 工作電壓范圍。例如設計電視機遙控器，2節(jié)干電池供電,~。8) 供貨渠道暢通。9) 價格。10) 燒錄器價格，能否ISP（在線系統(tǒng)編程）。11) 仿真器。12) 單片機匯編語言支持。13) 資料盡量豐富。14) 抗干擾性能好。15) 和其他外設芯片放在一起的綜合考慮。單片機采用由Atmel公司生產的雙列40腳AT89C51芯片,如圖2—2所示。其中,P0口用于A／D轉換和顯示。P1口連接一個35的鍵盤。P2口用于控制電磁閥和水泵動作。P3口用于上、下限指示燈,報警指示燈以及用于讀寫控制和中斷等。 圖22 AT89C51的管腳圖 鍵盤顯示模塊設計方案鍵盤顯示電路主要是實現水位設定值的輸入和顯示實時水位的功能。鍵盤接口及其軟件的設計任務主要包括：是否有鍵按下的檢測并判斷鍵值，有操作則進行延時去消抖，并根據鍵值計算出調整量送執(zhí)行機構開啟進水或排水閥，進行一系列的動作處理和執(zhí)行。本系統(tǒng)采用4行4列的16鍵行列式鍵盤，占用單片機P1口的8個端口。顯示采用4位LED數碼顯示當前水位測量值。 A/D轉換模塊設計方案ADC0809是M美國國家半導體公司生產的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。主要特性（1）8路輸入通道，8位A/D轉換器，即分辨率為8位。 （2）具有轉換起?？刂贫?。 （3）轉換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）　 （4）單個＋5V電源供電 （5）模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準。 （6）工作溫度范圍為40～＋85攝氏度 （7）低功耗