【導(dǎo)讀】活帶來很多方便，設(shè)計(jì)出一個優(yōu)良的液位控制系統(tǒng)具有極其重要的意義。功能的家庭水箱液位控制器。系統(tǒng)采用MPS20N0020D-S型液壓傳感器檢測液位，用三。軟件部分使用C語言作程序開發(fā)，易于編寫和升級維護(hù)，使得作品性能更優(yōu)良。序易于調(diào)試、一部分出現(xiàn)故障不會影響其他部分的工作、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。的使用價值和良好的市場前景。

　　

【正文】 PWM 方法控制 等 [9]。數(shù)控電壓源、數(shù)控電流源控制的 方法 實(shí)現(xiàn) 起來 太過復(fù)雜，將其舍棄，設(shè)計(jì) 中 采用的是 PWM 的方法。 PWM 控制方法中 驅(qū)動 的 器件是 TIP22 達(dá)林頓管 ，其具體實(shí)現(xiàn)如下所述。 TIP122 達(dá)林頓管 TIP122 是一種 NPN 型達(dá)林頓管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 （ b） 所示。該器件應(yīng)用廣泛，被大量應(yīng)用于線性電源、開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動等電路當(dāng)中。承受電壓高達(dá) 100V，集電極最大電流為 5A，最大耗散功率 65W，寬工作溫度范圍 60~150℃ ，具有這些優(yōu)良性能，能夠滿足本設(shè)計(jì)中驅(qū)動水閥的要求。具體參數(shù)如表 所示。 （ a） 外形 （ b） 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 TIP122 表 TIP122特性參數(shù) 符號 參數(shù) 數(shù)值 單位 VCBO 集電極 基極電壓 100 V VCEO 集電極 發(fā)射極電壓 100 V VEBO 發(fā)射極 基極電壓 5 V IC 集電極電流 5 A ICM 集電極峰值電流 8 A IB 基極電流 A Ptot 耗散功率 Tcase25℃ 65 W Tamb25℃ 2 W Tstg 存儲溫度 60150 ℃ Tj 上限工作溫度 150 ℃ hFE β 值 1000 水閥驅(qū)動電路 的設(shè)計(jì) 圖 中 51 單片機(jī)的 ， 引腳直接控制 TIP122 的基極 ，當(dāng)這兩個引腳輸 第 20 頁 共 48 頁 出 高電平時 ，電流從 上拉電阻 流 入 TIP122 的基極，其大小為： （ ） V/5k=860uA，致使達(dá)林頓管飽和導(dǎo)通，驅(qū)動了 水閥； 當(dāng) ， 變?yōu)榈碗娖綍r， TIP122 會截止，水閥將通過并聯(lián)的二極管續(xù)流。 當(dāng) ， 輸出一定頻率 的PWM 脈沖時， TIP122 快速通斷，不同的占空比對應(yīng)等效成不同的驅(qū)動電流，從而實(shí)現(xiàn)水閥開度的控制。 水閥是靠電磁線圈工作的，當(dāng)達(dá)林頓管關(guān)斷時 線圈 會 產(chǎn)生一個極大的電動勢，因此必須在水閥電磁線圈兩端并聯(lián)二極管作為保護(hù) [10]，在達(dá)林頓管關(guān)斷時起到續(xù)流作用。 圖 水閥驅(qū)動電路原理圖 電源 電路設(shè)計(jì) 電源由 220V交流電經(jīng)過 1:9— 20W 的 變壓器 后，電壓 降到 177。 12V輸出，整流濾波后直接向水閥提高 +12V電 壓 ，向信號調(diào)理電路輸出 177。 12V電源供運(yùn)放使用 。數(shù)字控制系統(tǒng)的 +5V電壓由 LM7805 穩(wěn)壓片提供 [11]，如圖 所示。 （ a）177。 12V 電源 （ b） +5V電源 圖 電源電路原理圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了 各個功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì) ： 電源電路為整個系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的電源、數(shù)據(jù)采集電路和信號調(diào)理電路完成了模擬量的采集和處理； 數(shù)模轉(zhuǎn)換 實(shí)現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換；主控芯片 STC89C52 在搭建的最小系統(tǒng)中 能上電后自動運(yùn)行 ；人機(jī)接口電路提供 第 21 頁 共 48 頁 了良好的 交互接口；執(zhí)行單元利用 TIP1122 耦合了控制信號和驅(qū)動器件，實(shí)現(xiàn)了水閥的開度控制。 3 系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 該控制系統(tǒng)的程序采用 C 語言編寫，利用了其可讀性強(qiáng)、編寫靈活、維護(hù)及修改簡單的特點(diǎn) [12]。程序在主函數(shù)中設(shè)置了大循環(huán)， 大 循環(huán)中結(jié)合中斷系統(tǒng)相繼處理各種事件。事件的 處理 由子程序?qū)崿F(xiàn)，子程序有：初始化子程序、顯示掃描子程序、 AD 采樣子程序、按鍵中斷子程序、報警子程序等等 ，具體實(shí)現(xiàn)由 下闡述。 系統(tǒng)軟件編譯開發(fā)環(huán)境 8051系類單片機(jī)共擁有 111條系統(tǒng)指令，可實(shí)現(xiàn) 51種 基本操作。然而 匯編語言指令卻 由于 程序的可讀性低，程序開發(fā)人員的開發(fā)時間長與開發(fā)難度大，程序移植性差等缺點(diǎn)。 C語言是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語言。 它 兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。用 C語言來編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會大大縮短開發(fā)周期，增加 軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。用 C語言進(jìn)行 51系列單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的必然趨勢。 KEIL C51開發(fā)工具套件可用于匯編 C語言程序、匯編源程序，鏈接和定位目標(biāo)文件和庫，創(chuàng)建 HEX文件以及調(diào)試目標(biāo)程序。 本設(shè)計(jì)使用 KEIL C51 μVision 4為開發(fā)編譯 環(huán)境，使用 C語言編寫程序，實(shí)現(xiàn)各模塊功能設(shè)計(jì)。 主程序流程圖 該系統(tǒng)在主 函數(shù)中的死循環(huán)中動態(tài)掃描數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)顯示功能；它有四種工作模式：自動運(yùn)行模式、設(shè)置上限水位、設(shè)置下限水位、 手動 運(yùn)行模式，分別對應(yīng) 變量 state 的值 為 0、 3。 在 T0中斷服務(wù)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)采集；處于自動運(yùn)行模式 時，水閥的通斷 由 PWM輸出子程序控制 ， 處于手動控制模式時，水閥的通斷由用戶通過按鍵決定。 主函數(shù)的每次循環(huán)都會讀取是否有進(jìn)、排水、報警標(biāo)志 ，并執(zhí)行 相關(guān)的動作。 第 22 頁 共 48 頁 圖 主函數(shù)流程圖 初始化 子程序 設(shè)計(jì) 單片機(jī)上電后馬上執(zhí)行程序， 為了使系統(tǒng)正常工作時有一個穩(wěn)定的軟件環(huán)境，在系統(tǒng)進(jìn)入大循環(huán)之前需要建立好各種初始化數(shù)據(jù)， 如設(shè)置定時器工作模式、設(shè)置定時時間、設(shè)置 IO 引腳使水閥默認(rèn)關(guān)閉、系統(tǒng)初始工作模式等等， 該功能由初始化函數(shù)完成。 初始化子程序 主要設(shè)置的變量、寄存器如下表： 表 系統(tǒng)初始化的變量、端口 變量 /端口 初始值 功 能 WATER_IN/ 0 進(jìn)水控制端 ，初始為不 進(jìn)水 WATER_OUT/ 0 排水控制端 ，初始為 不排水 WARNING/ 0 水位超限報警 ，初始為 不報警 UNEXPECT/ 0 水閥異常報警 ，初始為 不報警 State 0 工作模式選擇，初始為自動 運(yùn)行模式 讀取水位數(shù)碼管掃描手動控制模式 ？否根據(jù)按鍵控制水閥通斷處理排 、 進(jìn)水 、 報警 事務(wù)滿足 超限 、 水閥異常 報警條件 ？是是否開始系統(tǒng)初始化根據(jù) P WM 脈沖控制水閥通斷 第 23 頁 共 48 頁 TMOD 0x21 設(shè)定 定時器工作方式 ： T0為 16位 定時器模式，T1為 8位 自動重裝定時器模式 TH0 0x3c T0定時 50ms 表 （續(xù)） 系統(tǒng)初始化的變量、端口 變量 /端口 初始值 功能 TL0 0xaf TH1 0xbf T1定時 64us TL1 0x00 EA 1 開總中斷 EX0 1 開外部中斷 0 ET0 1 開定時器中斷 0 ET1 1 開定時器中斷 1 TR0 1 定時器 0運(yùn)行 ，啟動了 AD轉(zhuǎn)換 TR1 1 定時器 1運(yùn)行 IT0 1 設(shè)置 外部中斷 0為下跳沿觸發(fā) 顯示 子程序 顯示子程序 將特定的數(shù)據(jù)輸出到固定的數(shù)碼管中顯示出來。 由于 AD 采樣的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制形式，要轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制形式 才能在數(shù)碼管上顯示， 因而需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制 BCD轉(zhuǎn)換，方法為 個位數(shù)字可直接對 10 求 余獲得，十位數(shù)字須先除以 10 再對 10 求余 ，再利用轉(zhuǎn)換結(jié)果查表找到數(shù)碼管的碼值，該步驟稱 為顯示碼值轉(zhuǎn)換 ， 嵌套 在顯示子程序中，顯示子程序流程 如下： 入口輸出碼值輸出位選信號返回顯示碼值轉(zhuǎn)換延時 20 ms掃描到最后一位 ？位選信號加 1是取出顯示碼值否 第 24 頁 共 48 頁 圖 顯示 子程序 流程圖 A/D 數(shù)據(jù)采集 子程序 液位傳感器 輸入信號的采集是在 T0 的中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行的，為了減輕系統(tǒng)的開銷，我們設(shè)置為每 450ms 進(jìn)行一次液位 AD數(shù)據(jù)采樣， 只需在 定時 中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用采樣函數(shù)， 為了數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確需要進(jìn)行數(shù)字濾波， 其函數(shù)流程如圖 所示， 方法為累計(jì)三次采集數(shù)據(jù)后取平均值 ， 可以 每 450ms 更新一次 顯示的 數(shù)據(jù)， 這樣 已能很好地滿足速度、實(shí)時性 、精確度 的要求。 ADC0809 的操作時序如圖 所示， START 的上升沿清除內(nèi)部寄存器（復(fù)位），下降沿啟動控制電路開始轉(zhuǎn)換。 ALE 上跳沿將地址打入內(nèi)部通道地址寄存器中，下跳沿鎖住地址。 在 ADC0809 的采樣函數(shù)中，數(shù)據(jù)輸出采用定時傳送方式， ADC0809D 的轉(zhuǎn)換 時間為128us，故需要在讀端口之前作個簡單延時，確保數(shù)據(jù)有效。 AD 采樣 函數(shù)的操作流程如圖 。 圖 ADC0809的操作時序圖 地址 ALE START 地址鎖存 AD 啟動 寄存器清 0 第 25 頁 共 48 頁 圖 ADC0809操作程序流程圖 液位超限、水閥異常報警 子程序 該判斷函數(shù)由 主函數(shù) 調(diào)用 ，和數(shù)碼管掃描函數(shù)共同處于主函數(shù)的大循 環(huán)當(dāng)中，每次檢測后都會根據(jù)檢測結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的全局標(biāo)志 ，其他模塊則根據(jù)這一全局標(biāo)志執(zhí)行相應(yīng)的動作進(jìn)行相應(yīng)的處理：控制水閥的通斷、發(fā)出報警信號等等 ，判斷流程如圖 所示 。 水閥異常是指當(dāng)進(jìn)水 或排水命令發(fā)出時，若 15s 之后液位基本沒有變化則判為水閥故障異常。而水位在 15s 之內(nèi)可變高可變低， 會出現(xiàn)水位有變動，但前后兩次檢測的水位值相同的情況，這樣會被誤判為水位無變動， 因而不能采用簡單地比較 15s 前后水位的 水閥異常 判斷 方法 。 本設(shè)計(jì)采用水位變動累計(jì)的方法（累加變動的絕對值），這樣做的 好處是避免了誤判，提高可靠性。若在 15s 期間水位有明顯變動，則將 定時累計(jì)值清 零，重新開始下一段 15s 的 檢測， 實(shí)現(xiàn)程序 流程如圖 所示 。 T 0 中斷入口采樣值累加累加了 3 次 ？是取平均值賦給全局變量中斷返回否啟動 AD 采樣讀取采樣值定時器再次賦值 、 啟動 第 26 頁 共 48 頁 圖 水位超限、水閥異常判斷流程圖 圖 水閥異常 報警 流程圖 入口15 s 到 ？水位累計(jì)變動 2 cm ?否液位變動 6 cm ？是返回否否水閥異常報警是關(guān)閉異常報警重新累計(jì) 15 s是開始液位超上限 ？關(guān)進(jìn)水閥 、 開排水閥 ，發(fā)出報警 ，關(guān)排水閥 、 開進(jìn)水閥 ，發(fā)出報警發(fā)出水閥異常報警結(jié)束判斷液位超下限 ？進(jìn)水或排水閥開啟 ，15 s 后水位無變化 ？否 否 否是 是是 第 27 頁 共 48 頁 按鍵檢測子程序 本設(shè)計(jì)利用外部中斷 0實(shí)現(xiàn)按鍵功能，其檢測流程 如 圖 。 中斷產(chǎn)生后 將 在中斷服務(wù)函數(shù)中 作 簡單延時消抖，之后再次讀入 、 、 的 數(shù)據(jù)，若確實(shí)有按鍵按下則進(jìn)行相應(yīng)的處理，否則直接退出中斷服務(wù)函數(shù)，不做任何處理。 圖 按鍵中斷處理流程 開度控制 方法 的設(shè)計(jì)與編程 設(shè)計(jì)中應(yīng)用 PWM 控制理論， 將 采集到的數(shù)據(jù)和參考值做比較后 利用 巧妙的軟件算法產(chǎn)生不同占空比的矩形波，使得水閥有不同的開度。 水閥電感線圈電流與 PWM 波 占空比的關(guān)系 電磁水閥的主要元件是線圈，它具有一定的內(nèi)阻，可以把它看做是一個純電感與一個電阻串聯(lián)的 RL 電路。 I NT 0 中斷入口延時消抖再次判斷是否有鍵按下 ？中斷返回按鍵處理是否 第 28 頁 共 48 頁 圖 RL 電路充放電曲線示意圖 圖 ， If 是電路在直流情況下的最大電流。設(shè)在 PWM 占空比為 m 時電路中的電流值在充電曲線上的 t1 時刻的電流值附近波動，此時應(yīng)該