DOC《液位自动控制器的设计与实现》

液位自动控制器的设计与实现 卢洪武,赵宁,孙梅梅,刘伟 (山东师范大学传播学院,济南 250014) 摘要:介绍了一种液位自动控制器的设计,包括各模块的具体实施方案的论证、硬件设计和软件开发流程.

关键词:液位数据监测;

单片机;

自动控制;

有线监控系统 中图分类号:TM764 Design and Implement of Automatic Liquid Level Controller LU Hong-wu, ZHAO Ning, SUN Mei-mei, LIU Wei (Comunition College, Shandong Normal University, Jinan 250014,China) Abstract: In this paper, the design and implement of an automatic liquid level controller were discussed,including the scheme of each module, design of hardware and development of software. Key words: liquid level data detecting;

microcontroller;

automatic control 液位监测与控制广泛应用于工业控制与城市供水等领域.多数采用机械浮漂控制和电极式控制器.这两种控制器均存在着控制精度低、机械故障多、电极锈蚀严重、易造成失控现象等缺点.本文介绍一种可靠性差由液位数据监测、单片机控制和键盘显示等三部分组成,用来实现对液位的监测与自动控制.液位数据监测由多圈电位器制作的监测装置及A/D转换芯片MC14433组成.控制部分主要是由单片机、8255芯片以及相应的接口电路组成.键盘为3*8矩阵排列,显示部分由LED数码管、发光二极管两部分组成.在本设计中,较好的实现了水位监测与控制的功能,而且,和普通液位控制装置相比,具有成本低、抗干扰性好等优点.为了使之更具有实用价值,还设计了多个从站,由主站统一控制. 1.主站基本方案 下面详细介绍该液位自动控制器的主站. 该装置是由液位数据监测、单片机控制和键盘显示等三部分组成,通过键盘设定容器里的液位,并通过控制电磁阀使液位达到设定值,误差不超过±0.3cm;

液位超过25cm或液位低于2cm时发出警报;

显示器能实时显示当前液位状态和容器内液体重量,以及阀门状态. 本设计中,采用传统89C51单片机作为控制核心,用于接收来自液位传感装置的信号,控制电磁阀冲放水,从而控制液位.89C51不仅价格低廉,控制相对简单,而且功能较齐备,运行速度适中. 用自制的监测装置代替液位传感器,用塑料泡沫作为浮子,需有一定浮力且不会四处游动,减小了液位波动带来的影响,将此装置放在容器上方,通过浮子带动多圈电位器旋转,然后用A/D转换芯片MC14433采集模拟信号进行模数转换.该方案原理简单、取材方便、适合现场应用,且实用性强. 本设计中键盘显示均不是太多,对输入显示模块要求不高,故选择8255作为输入和显示接口电路,使用传统的数码管显示.和液晶显示器相比,数码管易于维护、操作简单、精确可靠,采用动态显示,节省单片机的内部资源. 主站各模块的最终方案如下: 液位监测由监测装置代替液位传感器进行检测,用电磁阀控制冲放水;

控制部分主要是由单片机、8255芯片以及相应的接口电路组成;

键盘为3*8矩阵排列,显示部分由LED数码管、发光二极管两部分组成. 主站基本组成框图如图1所示. 图1 主站基本组成框图 2.系统硬件设计与实现 整个系统包括主站和从站,主站的基本设计如前所述,同时对从站具有控制功能,可显示从站传输过来的从站号和液位讯息,可控制从站液位. 从站只需能够输出从站号、液位讯息和报警信号,可以接收主站设定的液位控制信息并显示. 该液位自动控制器中,单片机89C51主要用于系统的实时控制、状态控制和显示等功能.其工作过程大致是:按液位设定键后,首先手动输入液位值,按确定键后,则打开电磁阀进行冲放水以调整液位.显示器实时显示当前液位状态和瓶内液体重量,以及阀门状态.单片机通过对液位的监测,当液位超过25cm或液位低于2cm时发出警报.然后按巡回扫描键,设定要查询的从站数量、从站号和各从站的液位讯息. 并显示从站传输过来的从站号和液位讯息,然后按下从站设定键后进行从站液位的自动控制.另外当收到从站发来的报警信号后,能声光报警并显示相应的从站号,同时自动调整从站液位为20cm. 从站输出从站号、液位讯息和报警信号,自动接收主站设定的液位控制信息并显示,另外可对异常情况进行报警和自动调整. 液位自动控制器采用89C51单片机为控制核心,另有信号采集与处理电路、控制电路、声光报警电路、显示电路、多机通信电路等共同组成.其框图如图2所示. 主要元器件及有关电路的选取 A/D转换器、传感器、驱动器件等是组成控制器的重要部件.因此,这几部分的选择与使用在整个控制器的实现中起着关键的作用. A/D转换器的选择要点是转换器的位数和速率.本系统中A/D转换器采用MC14433,要求采样输入电压幅值为1116―1999mV可变,对应的液位变化范围为0―250mm,可以计算出液位数值.通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量,并通过并行接口芯片将数字量送给计算机. 选用多圈电位器构成的监测装置作为传感器,抗干扰性较强,通过浮子进行检测,效果很好,同时也不用专门的驱动电路,比较方便. 驱动电路是微机的功率接口,这种接口电路形式较多,其中开关型功率接口是较为常见的一种,开关型驱动接口中微机控制输出的信号是开关量,常用的开关型驱动接口有晶闸管输出型驱动接口和继电器型驱动接口.系统中电磁阀的驱动就是靠控制它来实现的. 3.系统的软件设计 该统软件包括主程序和以下几个子程序模块:

一、液位设定控制模块;

二、声光报警模块;

三、实时显示模块;

四、多机通信模块.主程序主要起到一个导向和决策作用,决定键盘功能及显示,主程序流程图如下: 图3 主程序流程图 液位设定控制模块 通过键盘输入设定液位值,并通过电磁阀进行液位控制.8255控制键盘数码管显示,使用PA、PB口,PA输出位选,PB输出字型码,PA、PC低三位控制键盘,PA输出行列选择,PC输入键位.键值计算如下:行首键值+列值=键值. 键盘消抖:采用两次读键盘,丢开按键赋值方式. LL:LCALL getkey Cjne a,#0FFH Mov 71h,B LLL:LCALL getkey Cjne a,#07Fh,LLL MOV A,71H 重量换算如下: 通过反复实验与测量,求取平均值,得到kg/mm,则质量=液面高度*kg/mm. 液位设定控制模块子程序流图如图4: 图4 液位控制模块流程图 参考文献 [1] 李全利.单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2006 [2] 路而红.虚拟电子实验室―Multisim

7 & Ultiboard 7[M].北京:人民邮电出版社,2005. [3] 张毅刚,刘杰.MCS-51单片机原理及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004. 作者简介:卢洪武,教授,研究单片机与嵌入式系统;

孙梅梅,女,硕士研究生,研究方向为单片机. 作者单位:山东师范大学传播学院教育技术研究所 通讯地址:山东师范大学传播学院2005级研究生 邮政编码:250014 E-mail: [email protected]