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1、
畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）
畢業(yè)設(shè)計（論文、作業(yè)）題目：
利用壓力傳感器實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計
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2、：
指導(dǎo)教師：
完成日期：
目錄
內(nèi)容摘要........................................................................................................................I
一、前言...................................................
3、.....................................................................1
（一）概述....................................................................................................................1
（二）發(fā)展趨勢................................................................................................
4、............1
二、液位控制系統(tǒng)分析................................................................................................2
（一）液位控制系統(tǒng)的工作原理................................................................................2
（二）液位控制的實現(xiàn)方式...................................................................
5、.....................2
1、簡單的機械式控制方式........................................................................................2
2、復(fù)雜控制系統(tǒng)控制方式.........................................................................................3
三、液位控制系統(tǒng)的設(shè)計..........................................................
6、..................................3
（一）硬件設(shè)計 .........................................................................................................3
1、單片機的選用.......................................................................................................3
2、傳感器的選用.........................
7、...............................................................................4
3、鍵盤電路的選用...................................................................................................4
4、液位顯示電路的設(shè)計 .........................................................................................5
5、A
8、D轉(zhuǎn)換電路及控制輸出.....................................................................................6
（二）軟件設(shè)計............................................................................................................7
1、液位控制系統(tǒng)模型框圖.......................................................................
9、.................7
2、液位控制系統(tǒng)鍵盤程序....................................................................................... 8
五、總結(jié).......................................................................................................................9
參考文獻(xiàn)...............................................
10、.........................................................................9
致 謝............................................................................................................................10
內(nèi)容摘要
傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器
11、技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計算機、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。
通過本文的研究，總結(jié)出了壓力傳感器實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的優(yōu)勢：體積小，實際應(yīng)用系統(tǒng)簡單實用，成本低，效益好；具有較高的性能價格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高。基于單片機的過程控制系統(tǒng)應(yīng)用到實際生產(chǎn)過程做了有益的嘗試也為提高過程控制自動化水平提供了有參考價值的設(shè)計思路。
關(guān)鍵詞：
傳感器；傳感器技術(shù)；液位控制系統(tǒng)
I
利用壓力傳感器實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的設(shè)計
一、前言
傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之
12、一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項技術(shù)都離不開傳感器,因此,許多國家對傳感器技術(shù)的發(fā)展十分重視,如日本把傳感器技術(shù)列為六大核心技術(shù)(計算機、通信、激光、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和傳感器) 之一。
（一）概述
在各類傳感器中壓力傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低、便于集成化的優(yōu)點，可廣泛用于壓力、高度、加速度、液體的流量、流速、液位、壓強的測量與控制。除此以外，還廣泛應(yīng)用于水利、地質(zhì)、氣象、化工、醫(yī)療衛(wèi)生等方面。由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合，又便于集成化,所以可用來制成血壓計、風(fēng)速計、水速計、壓力表、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為
13、各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。
壓力傳感器是用于測量液體與氣體的壓強的傳感器。壓力傳感器工作時將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出。隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制系統(tǒng)作為壓力傳感器的一種被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使自己對單片機控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機控制的智能型液位控制系統(tǒng)作為研究項目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)自己分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識的潛能。并且，液位控制在高層小區(qū)水塔水位控制，污水處理設(shè)備和有毒，腐蝕性液體液位控制中也被廣泛應(yīng)用。
（二）發(fā)展趨勢
由于該技術(shù)是平面工藝與立體加工相結(jié)合,又便于集成化,所以可用
14、來制成血壓計、風(fēng)速計、水速計、壓力表、電子稱以及自動報警裝置等。壓力傳感器已成為各類傳感器中技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、性價比最高的一類傳感器。
國外液位控制系統(tǒng)的發(fā)展已相當(dāng)成熟，我們國內(nèi)也在朝著這方面努力，而且好多企業(yè)與國際接軌，有了不菲的成績。比如單片機控制的智能型液位控制系統(tǒng)的運用等等?？偟膩碚f，發(fā)展方向有：
(1)高速化，高效化，低能耗。提高液位控制系統(tǒng)的工作效率，降低生產(chǎn)成本。
(2)機電液一體化。充分合理利用機械和電子方面的先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)整個控制系統(tǒng)的完善。
(3)自動化、智能化。微電子技術(shù)的高速發(fā)展為液位控制系統(tǒng)的自動化和智能化提供了充分的條件。智能化不僅僅體現(xiàn)的在液位控制，應(yīng)
15、能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調(diào)整，具有與液面不接觸的特點。
二、液位控制系統(tǒng)分析
隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機控制的智能型控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使我們對單片機控制的智能型控制系統(tǒng)有較深的了解。
利用單片機為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。
（一）液
16、位控制系統(tǒng)的工作原理
基于單片機實現(xiàn)的液位控制系統(tǒng)是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、AD轉(zhuǎn)換、傳感器，電源和控制部分等組成。
工作過程如下：水箱(水塔)液位發(fā)生變化時，引起連接在水箱(水塔)底部的軟管管內(nèi)的空氣氣壓變化，氣壓傳感器在接收到軟管內(nèi)的空氣氣壓信號后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號；該信號經(jīng)過運算放大電路放大后變成幅度為0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入AD轉(zhuǎn)換器，AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行處理，根據(jù)設(shè)定要求控制輸出，同時數(shù)碼管顯示液位高度。通過鍵盤設(shè)置液位高、低和限定值以及強制報警值。該系統(tǒng)控制系統(tǒng)特點是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高
17、度。
圖1 控制器原理框圖
（二）液位控制的實現(xiàn)方式
對于液位進(jìn)行控制的方式有很多，而應(yīng)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(fù)雜的控制系統(tǒng)控制方式。兩種方式的實現(xiàn)如下：
1、簡單的機械式控制方式
其常用形式有浮標(biāo)式、電極式等，這種控制形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。存在問題是精度不高，不能進(jìn)行數(shù)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(jìn)行通信較難實現(xiàn)。
2、復(fù)雜控制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電信號的模擬信號，經(jīng)過前置放大、多路切換、AD變換成數(shù)字信號傳送到
18、單片機，經(jīng)單片機運算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由DA變換給調(diào)壓變頻調(diào)速裝置輸入給定端，控制其輸出電壓變化，來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以達(dá)到控制水箱液位的目的。
針對上述2種控制方式，以及設(shè)計需達(dá)到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時考慮到成本需要把PID控制去掉。最終形成的方案是，利用單片機為控制核心，設(shè)計一個對供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對象的特征，要求實時檢測水箱的液位高度，并與開始預(yù)設(shè)定值做比較，由單片機控制固態(tài)繼電器的開斷進(jìn)行液位的調(diào)整，最終達(dá)到液位的預(yù)設(shè)定值。檢測值若高于上限設(shè)定值時，要求報警，斷開繼電器，控制水泵停止上水；檢測值若低于下限設(shè)定值，要求報警
19、，開啟繼電器，控制水泵開始上水?，F(xiàn)場實時顯示測量值，從而實現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。
三、液位控制系統(tǒng)的設(shè)計
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,計算機控制技術(shù)在過程控制中占有十分重要的地位。眾所周知,控制系統(tǒng)已被廣泛使用,在其研究與發(fā)展上也已趨于完善,在工業(yè)生產(chǎn)過程中控制的應(yīng)用也起到了使工程流程正常運轉(zhuǎn)。
（一）硬件設(shè)計
液位控制系統(tǒng)的硬件主要包括由單片機、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。
1、單片機的選用
單片機采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，如圖2所示。其中，P0口用于A／D轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個35的鍵盤；P2口用
20、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2是AT89C51芯片的引腳功能說明。
圖2 AT89C51芯片外形結(jié)構(gòu)和引腳分布圖
2、傳感器的選用
傳感器使用SY一9411L—D型變送器，它內(nèi)部含有1個壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國SM公司生產(chǎn)的555—2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補償及標(biāo)定
(O～70℃)，傳感器經(jīng)過特殊加工處理，用堅固的耐高溫塑料外殼封裝。其引腳分布如圖3所示。1腳為信號輸出(一)；2腳為信號輸出(一)；3腳為激勵電壓；4腳為地；5腳為信號 輸出(+)；6腳為信號輸出(+)。
圖3
21、SY-9411L-D型變送器引腳結(jié)構(gòu)圖
在水箱底部安裝1根直徑為5mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸送到A／D轉(zhuǎn)換器。
3、鍵盤電路的選用
行列式鍵盤輸入適合于按鍵輸入多的情況，如有16個按鍵輸入，用簡單按鍵輸入用要占用2個輸入口（共16位），而使用行列式鍵盤輸入只需占用一個輸入口（8位）。P1口作為鍵盤接口，連接一個44的鍵盤。結(jié)構(gòu)上采用行列方式，可定義鍵盤布局。結(jié)構(gòu)如圖4所示。P1口作為鍵盤引出端;P6口和P5口的部分引腳作為液晶的數(shù)據(jù)口和控制口;P1.4和P1.5分別作為可執(zhí)行機構(gòu)
22、1和2的控制信號輸出端。結(jié)構(gòu)如圖所示。
圖4 P1口鍵盤電路結(jié)構(gòu)圖
4、液位顯示電路的設(shè)計
液位顯示采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，范圍從0～999(單位可自定)，選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號是LDSl8820。在這里使用到了74LS373，它是一個8位的D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動器件，由于單獨使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動顯示，因此74LS373在這里只用作擴展的緩沖。
圖5 顯示電路原理圖
5、AD轉(zhuǎn)換電路及控制輸出
A/D轉(zhuǎn)換電路在控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器
23、輸出的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字量。該控制系統(tǒng)采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時可選擇中斷、查詢和延時等待3種方式編制A/D轉(zhuǎn)換程序。圖6是A/D轉(zhuǎn)換部分原理圖，在接線時先經(jīng)過運算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。
圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖
控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報警。另外在設(shè)計過程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開發(fā)使用。
（二）軟件設(shè)計
1、液位控制系統(tǒng)模型框圖
圖7 程序設(shè)計框圖
液位控制系統(tǒng)模型的軟件設(shè)計框圖如圖7所示。
圖7 程
24、序設(shè)計框圖
2、液位控制系統(tǒng)鍵盤程序
由于鍵盤采用的是44結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號為數(shù)字鍵，10～15號分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加／減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下：
KEY： MOV P2，#07H ；用反轉(zhuǎn)法查鍵
KEYI： MOV B，A ；有鍵按下，存鍵碼
MOV A，P2
MOV DPTR，#TABLE
ANL A，#07A
MOV R3，#OFFH
25、 ；存順序碼單元初始化
MOV B，A
KEY2：INC R3
MOV P2，#OF8H
MOV A，R3
MOV A，P2
MOVC A，@DPTR
ANL A，#OF8H
CJNE A，KEY3 ；判鍵碼，求順序碼
ORL A，B
MOV A，R3 ；若找到鍵碼，存順序碼
CJNE A，#OFFH,KEY1
RET
RET ；無鍵按下
KEY3: C
26、JNE A，#OFFH,KEY2 ；判是否查完
RET ；已查完，鍵碼未找到，以無按鍵處理
TABLE:DB OF6H，0EEH，0DEH，0BEH，7EH
；按鍵特征碼表
DB 0F5H，0EDH，0DDH，0BDH，7DH
DB 0F3H，0EBH，0DBH，0BBH，7BH，0FFH
…
A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：
…
ADCC:PUSH ACC ；模
27、數(shù)轉(zhuǎn)換程序
PUSH B
MOV DPTR，#0BFFFH
MOVX A ，@DPTR ；讀模數(shù)轉(zhuǎn)換值
MOV B，#0AH ；十六/十理家制轉(zhuǎn)換
DIV AB
MOV DSP2,B
MOV DSP3,A
POP B
POP ACC
SETB EA
RETI
…
值得注意的是，在用匯編語言編寫控制系統(tǒng)程序時，相對會比較麻煩，如果用C語言編寫程序會簡單很多，這里就不再做具體說明。
五
28、、總結(jié)
本次課程設(shè)計是我所做的最綜合的一個題目，基于單片機實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)模型設(shè)計的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準(zhǔn)確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。在做設(shè)計時，第一步是按照設(shè)計要求來確定該題目可能需要的元器件，再慢慢根據(jù)個電子元件的功能及題目的要求一一進(jìn)行篩選，最終確定用那些元件。第二步是設(shè)計方案并確定。最開始我選擇了兩個方案，但經(jīng)過方案的比較及論證后去掉不合理的一個，最終用那個最好的方案來設(shè)計。
通過這次課程設(shè)計我深刻的感到了理論和實踐之間的巨大差距極其之間的聯(lián)系。平時理論知識學(xué)的很好，但是在課程設(shè)計中并不能得心應(yīng)手，會遇到很多不會的操作，這就需要加強實踐能力，一個同學(xué)
29、的知識變成多個同學(xué)的知識，多個同學(xué)的知識變成一個同學(xué)的知識，這樣才能相互促進(jìn)、相互提高。另外，理論與實踐也存著必然的聯(lián)系，在指導(dǎo)老師的幫助下才能使課程設(shè)計最終成功。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃智偉.傳感器技術(shù).2002，21（9）：31～33
[2]竇振中.單片機原理主程序設(shè)計.北京航空航天大學(xué)出版社.2000
[3]賈民平.測試技術(shù).高等教育出版社
致 謝
此次論文的全部工作得到指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)．導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、誨人不倦的敬業(yè)精神以及高度的責(zé)任感使我受益非淺．同時，感謝我的上級領(lǐng)導(dǎo)，從專業(yè)知識上給我?guī)椭?。感謝我們公司的設(shè)備廠商工程師給予我的指導(dǎo)。值此論文完成之際，謹(jǐn)向幫助我完成設(shè)計的老師及同事們表示崇高的敬意和衷心的感謝！
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