【文章內(nèi)容簡介】 視性。基于上述特點，本文設(shè)計了以單片機為控制核心的多功能液位控制系統(tǒng)，它完成對整個系統(tǒng)的液位的控制及顯示功能。開發(fā)出低成本、智能化的水箱液位控制器必定會受到廣大消費者的歡迎。同時，將該作品中使用到的控制方法加以延伸，應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)控制中去，會使生產(chǎn)提高效率、降低成本、使企業(yè)獲得利潤的增值。因此，對低成本、智能化的水箱液位控制系統(tǒng)的研究具有極其重要的意義。近幾十年來，控制系統(tǒng)己被廣泛使用，在研究和發(fā)展上也己趨于完備，控制的概 念更是應(yīng)用在許多生活周圍的事物，液位控制系統(tǒng)已經(jīng)是一般工業(yè)界所不可缺少的，例如蓄水槽、污水處理廠等都需要液位的控制。使用液位控制系統(tǒng)來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲如某個設(shè)備的儲水狀況，大大減低工作人員工作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。 近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計、雷達液位計、光電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在自動控制理論和設(shè)計 方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，美國、德國、日本等技術(shù)領(lǐng)先國家，生產(chǎn)開發(fā)出一系列性能優(yōu)異、實用性強的液位控制器以畢業(yè)設(shè)計 2 及相應(yīng)的儀器儀表，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。這些先進的控制器不僅能實現(xiàn)各種復雜環(huán)境下的液位控制系統(tǒng)的控制，而且運用先進的算法，采用自適應(yīng)控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及計算機技術(shù)，使液位控制器的適用范圍更加廣。 反觀我國，雖然液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)生產(chǎn)生活的應(yīng)用十分廣泛，但國內(nèi)的液位控制器的發(fā)展水平仍然不如先進國家，差距仍然很大。國內(nèi)液位控制器仍以常規(guī)的 PID控制器 為主，無法適于滯后、復雜、時變的液位系統(tǒng)控制。智能化、自適應(yīng)的控制系統(tǒng)，國內(nèi)還沒有相關(guān)的成熟技術(shù)。我國相關(guān)控制器大量依靠國外的成熟技術(shù)，這些都是必須正視的現(xiàn)實。所以，發(fā)展先進的液位控制技術(shù)是我們必須重視的趨勢。 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度、智能化、人性化的液位控制系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 研究內(nèi)容 針對傳統(tǒng)液位測量讀數(shù)難，測量精度不高等問題，目前采用單片機控制的測液高度，然后進行相應(yīng)的指令，并用十進制數(shù)字顯示，具有精度高、讀 數(shù)方便等優(yōu)點，已在工業(yè)、科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 畢業(yè)設(shè)計 3 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù) ，系統(tǒng)需要完成對液體的測量、監(jiān)控、顯示、報警和轉(zhuǎn)移幾種功能，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示。 圖 21 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)備選型 本設(shè)計采用 STC89C51RC作為控制系統(tǒng)的核心。按照圖 2l所確定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇合適的功能部件，以完成完整的系統(tǒng)控制電路設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)包括供電單元、超聲波傳感器單元、鍵盤單元、顯示單元、繼電器單元和報警器單元六部分。 供電單元 供電是每個系統(tǒng)中必須的用到的。供電可以通過 USB直接給單片機供電，也可以先通過變壓器，降壓的固定的值，然后就可以穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓處理得到 5V的電壓。 畢業(yè)設(shè)計 4 由于 USB的廣泛使用，本系統(tǒng)中采用 USB供電，同時后面提供降壓穩(wěn)壓處理電 路。 超聲波傳感器單元 本系統(tǒng)中主要是測液，根據(jù)測液的情況進行相關(guān)的動作。而測液有多種方法?，F(xiàn)在廣泛采用 壓力式 、 超聲波 、 磁翻板 、 雷達 等模塊進行測量液體的高度。液位檢測裝置的種類有磁浮子式，內(nèi)浮式，磁翻板，投入式等?？紤]到各種方式的適用性情況，我們這里采用超聲波測液。 主要優(yōu)點有： 可用于苛刻的環(huán)境 —— 可測量任何壓力、毒性最劇烈、腐蝕性最強、絕對無菌的或極高純度的液體。 安全 —— 在測量有毒害、有腐蝕、有壓力、易燃易爆、易揮發(fā)、易泄漏的液體時，由于測量頭和儀表都在容器外，所以安裝、維修、維護 操作時不接觸罐內(nèi)的液體和氣體，非常安全。即使在儀表損壞或維修狀態(tài)下，也絕無引起泄漏的可能。 環(huán)保 —— 真正的隔離測量，完全不與被測介質(zhì)接觸，決無泄漏液體甚至氣體的可能，不會污染環(huán)境，是真正的綠色環(huán)保儀表。 方便經(jīng)濟 —— 在線維護無需停產(chǎn)。由于不需在容器上開孔，不用法蘭盤，不用連通管，所以安裝、維護最方便、最經(jīng)濟。 耐用可靠 —— 測量頭和儀表內(nèi)無機械運動部件，并嚴格密封，與外界隔離，不會磨損或腐蝕，十分耐用可靠，維護工作量很小。 精確 —— 外測液位儀不斷地自動校準 ,永遠保證最高的測量精度。 鍵盤單元 單片機系統(tǒng)中常用的鍵盤有以下三種類型。 獨立型按鍵的一腳通過電阻接電源端或者地，而另一腳接單片機的 I/O口，其結(jié)構(gòu)如圖 22所示。在按鍵被按下和沒有按下時， I/O口電平剛好相反。這樣通過檢測 I/O口的電平狀態(tài)即可判斷哪個按鍵被按下了。 此類鍵盤的特點是按鍵電路配置靈活、按鍵的狀態(tài)識別簡單，但是每一個按鍵需要占用一個 I/O口，資源占用率較高，當按鍵的數(shù)量不是很多或者系統(tǒng)有較多的 I/O口剩余時，可以采用此類設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計 5 圖 22 獨立型按鍵 圖 23 矩陣掃描鍵盤 描鍵盤 矩陣掃描鍵盤有行線和列線組成。按鍵位子行列線的交叉點上，結(jié)構(gòu)圖如 23所示。一個 3*3的矩陣結(jié)構(gòu)就可以構(gòu)成一個含有 9個按鍵的鍵盤。按鍵設(shè)置在行列線的交叉點上，行列線分別接到按鍵開關(guān)的兩端。行列通過上拉電阻接到 +5V上。平時當沒有按鍵按下時，列線處于高電平的狀態(tài)；而當有鍵按下時，行列線導通，因此列線的電平狀態(tài)將由此相連接，各個按鍵按下與否影響該鍵所在的行列線的電平。這樣行列線配合起來進行適當?shù)奶幚?，即可確定按鍵的位置。 此類鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的 I/O口，適用于按鍵數(shù)量較多的場合。 PS/2接口 [2]是由 IBM公司開發(fā)的一種計算機接口。計算機上的鼠標和鍵盤使用的就是這種接口，現(xiàn)在在計算機上更多的是使用 USB接口。 PS/2鍵盤為每一個按鍵分配唯一的編碼。鍵盤內(nèi)的處理器對矩陣鍵盤進行掃描，當發(fā)現(xiàn)有案件拔按下或者釋放時，處理器就對發(fā)送“掃描碼 到計算機。掃描碼分為兩種不同的類型：通碼和斷碼。當鍵被按下，發(fā)送的是通碼；當鍵盤被釋放，發(fā)送的是斷碼。這樣通過查找掃描碼表就可以確定是哪一個按鍵， PS/2掃描碼共有三套，現(xiàn)在廣泛使用的是第二套掃描碼。 PS/2接口采用雙向串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 。每個字節(jié)為一楨，包含 11位 (一位起始位、 8位數(shù)據(jù)位、一位奇偶校驗位和一位停止位 )。 此類鍵盤的特點是集成度高，使用靈活。由于使用了串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，僅需要使用兩個 I/O端口即可 (由于程序設(shè)計的原因，其中一個端口通常要占用一個外部中斷端口 )，但成本較高，而且不易集成在系統(tǒng)內(nèi)部 [5]。 本設(shè)計選用的單片機 STC89C51的 I/O端口較多，在實際使用中，但本次設(shè)計要求實現(xiàn)的功能還是比較少，操作簡單，因此獨立型按鍵可以防止由于鍵盤操作人員的誤畢業(yè)設(shè)計 6 操作。綜合考慮實際的使用情況和成本，本設(shè)計采用獨立型按鍵進行數(shù)據(jù)輸入。 顯示單元 顯示可以有很多方法，可以利用字符液晶顯示，利用 LCD 顯示，可以利用數(shù)碼管顯示，由于顯示的內(nèi)容很小，并且顯示的亮度可以提高。本設(shè)計利用了數(shù)碼管進行顯示。 繼電器單元 繼電器是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。 繼電器的觸點有三種基本形式： 動合型（常開）（ H 型）線圈不通電時兩觸點是斷開的，通電后，兩觸點就閉合。 動斷型（常閉）（ D 型 ）線圈不通電時兩觸點是閉合的，通電后兩個觸點就斷開。 轉(zhuǎn)換型（ Z 型）這是觸點組型。這種觸點組共有三個觸點，即中間是動觸點，上下各一個靜觸點。線圈不通電時，動觸點和其中一個靜觸點斷開和另一個閉合，線圈通電后，動觸點就移動，使原來斷開的成閉合，原來閉合的成斷開狀態(tài)，達到轉(zhuǎn)換的目的。這樣的觸點組稱為轉(zhuǎn)換觸點。 繼電器的種類很多，而且額定電壓不同，基于本設(shè)計主控芯片的電源電壓為 5V所以采用 SRD05VDCSLC 型繼電器。 報警器單元 方案一：無緣蜂鳴器。無緣蜂鳴器內(nèi)部沒有震蕩源，蜂鳴器沒有內(nèi)部驅(qū) 動電路，有些公司和工廠稱為訊響器，國標中稱為聲響器。無源蜂鳴器工作的理想信號方波。如果給預(yù)直流信號蜂鳴器是不響應(yīng)的，因為磁路恒定，鉬片不能振動發(fā)音 ， 需要在其供電端加上高低不斷變化的電信號才能驅(qū)動蜂鳴器。 方案二： 有源蜂鳴器 。蜂鳴器內(nèi)部有振蕩、驅(qū)動電路，只需要一個高低電平就可驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。有緣蜂鳴器 和無源蜂鳴器的根本區(qū)別是產(chǎn)品對樣 。 有源蜂鳴器工作的理想信號是直流電，通常標示為 VDC、 VDD等。因為蜂鳴器內(nèi)部有一簡單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉(zhuǎn)化成一定頻率的脈沖信號，從面實出磁場交變，帶動鉬片振動發(fā) 音。但是在某些有源蜂鳴器在特定的交流信號下也可以工作，只是對交流信號畢業(yè)設(shè)計 7 的電壓和頻率要求很高，此種工作方式一般不采用。 因此 基于以上兩種方案， 我們選擇 方案二 有緣蜂鳴器作為報警模塊。 畢業(yè)設(shè)計 8 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 單片機控制模塊 本設(shè)計芯片采用的是宏晶公司生產(chǎn)的 STC 系列芯片，芯片為 40 個引腳足以應(yīng)對本次設(shè)計的控制要求。 STC89C51RC/RD 系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾，抗靜電，高速，高可靠，低功耗的單片機。 芯片 STC89C51RC 引腳描述 單片機 STC89C51RC 其引腳圖如圖 31 所示。 圖 31 STC89C51引腳圖 引腳功能介紹： 畢業(yè)設(shè)計 9 ： 電源電壓。 ： 地。 口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出 電流 )4 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 “ l”， 通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部 存在 上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IlL)。 Flash 編程和程序校驗期間， Pl 接收低 8 位地址。 表 31 P1口的第二功能 端口引腳 第二功能 MOSI(用于 ISP 編程 ) MISO(用于 ISP 編程 ) SCK(用于 ISP 編程 ) 口： P2 是 一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙 I/O口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門 電路。對端口寫“ l”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入 口，作輸入口 使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 (IIL)。 Flash 編程或校驗時， P2 亦接收高位地址和其它控制信號。 口： P3 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端口，作輸入端口時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 (IIL)。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重 要的用途是它的第二功能，如表 32 所示： 表 32 P3口的功能 端口引腳 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INT0(外部中斷 0) INT1(外部中斷 1) T0(定時／計數(shù)器 0) T1(定時／計數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) ：復位輸入；當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。 WDT 溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRT0 位 (地址 8EH)可打開或關(guān)閉該功能。 DISRT0 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。 ：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 畢業(yè)設(shè)計 10 ：振蕩器反相放大器的輸出端。 時鐘振蕩電路 本系統(tǒng)選用單片機 STC89C51RC，采用外部晶振作為時鐘頻率，晶體振蕩器 XTAL1與 XTAL2 分別為用做片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出。時鐘振蕩電路如下圖31所示。 圖 32 時鐘振蕩電路 單片機外接石英晶體 (或陶瓷諧振器 )及電容 C C2 接在放大器 (STC89C51RC中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益的反向放大器 )的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。為便于 CPU處理數(shù)據(jù)，讓計時器每計一次數(shù)就 是 1us,振蕩器采用了 的石英晶體。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，這里電容使用 33pF。 復位電路 單片機系統(tǒng)的復位方式有：手動按鈕復位和上電復位。 手動按鈕復位需要人為在復位輸入端 R