水箱自动控制系统设计 - 图文

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文）

水箱自动控制系统设计

年 级：2004级. 学 号：20040985 姓 名：刘凯

专 业：机械设计制造及其自动化 指导老师：肖世德

2008年06月

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院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2004级 姓 名 刘凯 题 目 水箱自动控制系统设计

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成 绩

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年 月 日

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毕业设计（论文）任务书

班 级 机械8班 学生姓名 刘凯 学 号 20040985 发题日期：2008 年 3 月 5 日 完成日期：2008年 6 月 10 日 题 目 水箱自动控制系统设计

1、本论文的目的、意义温度液位压力流量是工业自动化常见控制参量，实现其监测与控制是基础性工作，也是机械电子工程专业学生必须掌握的基础内容。本课题要求学生综合利用所学知识，培养动手能力，在前人工作基础上，改进完善，实现多通道模拟水箱温度液位压力流量信号采集和处理显示，实现上下限报警和电磁继电器和开关通断控制。该课题对于机电测控实验中心完善实验建设具备价值。

2、学生应完成的任务

（1）查阅收集资料、熟悉设计原始资料、完成相关不少于10000个字符的外文资料翻译。 （2）完成毕业实习调研以及实习报告的撰写 。 （3）现有温度压力液位流量监测与控制系统调研和资料搜集。 （4）多路参量监测与控制系统方案设计。 （5）接口电路板制作和加工 。 （6）实验程序设计与调试。 （7）完整程序和实物一套。 （8）整理完成不少于24000字的毕业论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 14 周） 第一部分 调研准备和资料搜集 （2周） 第二部分 方案设计和元器件采购

（2周）

第三部分 硬件制作 （3周） 第四部分 软件调试 （4周） 第五部分 系统集成，撰写毕业论文 （2周） 评阅及答辩 评阅答辩 （1周）

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备 注

指导教师： 审 批 人： 年 月 日 年 月 日

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摘要

工业中很多控制问题都可以归结于水箱控制问题，研究水箱控制系统具有很好的科研和实用价值。温度、液位、压力、流量是水箱控制中最常用的控制量，可以应用于很多控制方案中。比如：在水塔供水系统、高位水箱供水系统、汽车水箱供水系统、液压泵供油系统等系统中都有广泛的应用。

本文以80C51单片机系统为核心，开发设计了一套水箱温度、液位、压力、流量的自动控制系统。该系统可以实现设定参数的键盘输入；温度、液位、压力、流量的自动控制；日历时间的显示；自动声光报警。整个系统搭建方便，价格便宜，具有一定的实用价值。控制系统设计流程为：①报警参数键盘输入和显示；②模拟量信号采集；③A/D转换和数字滤波；④对A/D转换数据进行LCD显示；⑤温度、液位、压力、流量的控制；⑥时间和日历显示。相关功能采用具有实时性的汇编语言实现。

本论文详细论述了怎样实现水箱温度、液位、压力、流量的自动控制，第一章简要的介绍了水箱温度、液位、压力、流量自动控制系统的应用，以及单片机控制系统概述。第二章介绍了控制系统的总体功能设计分析以及方案设计。第三章介绍了系统的主要硬件配置和传感器选择。第四章详细的介绍了系统的软件设计。第五章介绍了系统的调试以及运行结果。最后则对本次设计进行了全面的回顾以及对水箱温度、液位、压力、流量自动控制系统的不足提出改进方案。 关键字： 水箱 80C51 自动控制

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2.3 系统软件模块

根据系统总体功能设计分析，本系统软件设计模块组成如下：

1) 参数输入模块，交互式输入系统的报警上限和报警下限，以提供系统报

警的数据。

2) A/D采样及信号转换模块，将从传感器采集到的模拟信号进行转换并且

输出数字信号。

3) LCD显示模块，进行参数的交互式输入，并且显示各个通道的值、转换

数据值和时钟日历信息。

4) 控制模块，对温度、液位、压力、流量进行恒定控制，并且在超出报警

上限或下限是提供声光报警。

5) 时钟日历显示模块，为系统提供精确的年月日、时分秒等时钟信息。

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第三章 系统主要硬件配置

3.1 控制系统主要硬件介绍

由系统总体设计可知，控制系统主要用到的硬件模块有：单片机控制模块，ADC0809模块，8155 I/O扩展模块，DS12887时钟模块，LCM12232A液晶模块。 本节将简要的介绍一下这些模块的功能特性。

3.1.1单片机控制模块

单片机控制模块采用MCS-51单片机，芯片为8031，其引脚如图3-1所示。

图3-1 MCS-51引脚图

8031是MCS-51系列单片机的产品，产品型号的不同主要是内部程序存储器的差别，其内部结构相同。MCS-51系列的内部结构分以下几个部分: 1. 中央处理器

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，主要由运算器和控制器组成 运算器由8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和8位暂存寄存器TMP2等组成。

控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。

CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

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2. 数据存储器(RAM)

随机存取存储器（Random Access Memory）,简称RAM。它不但能够随时读取已存放在其各个存储单元中的数据，而且还能够随时写入新的信息。RAM是易失性存储器，关闭电源甚至暂时的电源掉电都会使所存的信息全部消失。8031内部256个字节被分为两个区域：00~7FH是真正的RAM区，可以读写各种数据，而80H~FFH是专门用作21个特殊功能寄存器（SFR）的区域。 3. 定时/计数器

MCS-51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数，当定时/计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。使用定时器来实现定时或延时控制，则CPU不必通过等待来实现延时，就可以提高CPU的效率。定时器具有以下特点：

1) 定时/计数器可以有多种定数方式，可以是计数方式也可以是定时方式等

等。

2) 计数器模值是可变的，当然计数的最大值是有一定限制的，这取决于计

数器的位数。计数的最大值也限定了计时的最大值。

3) 可以按照规定的定时或计数值，当定时的时间或者计数终止时，发出中

断申请，以实现规定的定时或计数控制。

4. 并行输入输出(1/0)口

MCS-51共有4个8位的并行1/0口(P0, P1, P2, P3)，用于对外部数据的传输。 5. 全双工串行口SBUF

并行通信一次可以传送8位或者更多位的数据，传送的速度也快，但是需要的传输线的数目也多。在长距离通信时，传输线的成本急剧增加。这时就需要采用串行通信。8031内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 6. 中断系统

MCS-51具备较完善的中断功能，有五个中断源(两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断)，可基本满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。 7. 时钟电路

MCS-51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。

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3.1.2 ADC0809模块

图3-2 ADC0809引脚图

ADC0809引脚如图3-2所示，它是CMOS工艺的比较型8位A/D转换器，目前在8位微机系统中广泛使用。它由8路模拟开关、地址锁存、译码器、8位A/D转换器以及三态输出锁存器构成。0809可以处理8路模拟输出信号。为了区分是对那一路输入信号进行A/D转换，有三个通道地址号ADDA，ADDB和ADDC来决定是那一路模拟信号被选中并送入A/D转换器去转换。输出为8位数字量DB7--DB0。主要控制信号还有：

START：启动信号。加上正脉冲之后，A/D转换才开始。

ALE：地址锁存信号。高电平有效时把三个通道地址信号送入地址锁存器，并经译码器得到地址输出，以选择相应的模拟输入通道。

EOC：转换结束信号，是芯片的输出信号。转换一开始，EOC信号变低，转换结束时EOC返回高电平。这个信号可以作为A/D转换器的状态信号来查询，也可以直接用作中断请求信号。

CLOCK时钟信号。最高允许值为640KHZ。和转换速率有关，时钟信号频率越高，转换速率越快，一般取500KHZ。

VREF（+）和VREF（-）都是A/D转换器的参考电压。

VCC电源电压。由于是CMOS芯片，允许的电压范围较宽，可以从+5～+15V。 8位模拟开关的地址输入和输入通道的关系见表3-1。模拟开关的作用和8选1的数据选择器的作用相似，但是输入和输出都不是数字量而是模拟量。当通道被选中时，模拟开关的输出应该和该通道的模拟输入尽量一致，以避免模拟失真。

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表3-1 8位模拟开关和输入通道关系

ADDC 0 0 0 0 1 1 1 1 ADDB 0 0 1 1 0 0 1 1 ADDA 0 1 0 1 0 1 0 1 输入通道 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

ADC0809芯片的转换速率在最高时钟频率下为100μs左右，在目前的工艺水平下不算很高。正因为速度低，在和CPU接口时要求采用查询方式或者中断方式。

ADC0809在ALE=1期间，模拟开关的地址（ADDA,ADDB,ADDC）存入地址锁存器，在ALE=0时，地址锁存，输入启动信号START的上升沿复位ADC0809，它的下降沿启动A/D转换，EOC为输出的转换结束信号，正在转换时为0，转换结束时为1，OE是另一个输入控制信号，在转换开始结束后开始有效，用来打开输出三态门以便从0809输出这次转换的结果。

3.1.3 8155并行I/O口扩展模块

图3-3 8155引脚图

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2. 复位

该指令为软件复位指令，执行该指令后，显示起始行置为第0 行，列地址置为0，页地址置为3。其复位格式如下： R/W 0 A0 0 D7 1 D6 1 D5 1 D4 0 D3 0 D2 0 D1 0 D0 0 3. 占空比选择

在选择占空比时，如果D0=0，则选择的占空比为1/16，D0=1 为1/32。当驱动32 行液晶显示时，应使D0=1；驱动16 行时，应使D0 为0。格式如下：

R/W 0 A0 0 D7 1 D6 0 D5 1 D4 0 D3 1 D2 0 D1 0 D0 1/0 4. 显示起始行设置

该指令设置了对应显示屏上首行的显示RAM 中的行号。有规律的修改该行号，可实现滚屏功能。格式如下： R/W 0 A0 0 D7 1 D6 1 D5 0 D4 显示起始行 D3 D2 D1 （0～31） D0 5. 终止驱动选择

该指令用软件终止 SED1520 的 LCD 驱动的输出。使系统在不显示状态下停止对 LCD 的驱动输出，从而降低系统的功耗。终止驱动指令须在关显示状态下输入。 D0＝1 为终止驱动，D0=0 为正常驱动。

R/W 0 A0 0 D7 1 D6 0 D5 1 D4 0 D3 0 D2 1 D1 0 D0 1/0 6. ADC 选择指令

该指令用来设置列驱动输出端与液晶显示屏的列驱动线的连接方式。一般设置为ADC=0。该指令的格式如下： R/W 0 A0 0 D7 1 D6 0 D5 1 D4 0 D3 0 D2 0 D1 1 D0 1/0 7. 显示开/关指令

下面是显示开/关指令的格式： R/W 0 A0 0 D7 1 D6 0 D5 1 D4 0 D3 1 D2 1 D1 1 D0 1/0 其中D0=1 为开显示；D0=1 为关显示。该指令不影响RAM的内容显示。 8. 设置页地址的设置格式如下：

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D6 0 D5 1 D4 1 D3 1 D2 1 D1 D0 R/W 0 A0 0 D7 1 页地址（0～3） 9. 设置列地址

一般情况下，显示RAM 被分成四页，每页80个字节，当设置了页地址和列地址后即可确定显示RAM中的唯一单元，该单元由低到高的各个数据位对应于显示屏上某一列的8 行数据位。列地址的设置格式如下： R/W 0 A0 0 D7 D6 1 D5 D4 D3 D2 D1 D0 页地址（0～79） 10. 改写方式设置指令

该指令发出后，使得每次写数据后列地址自动增 1，而读数据后列地址仍保持原值不变。这种称为 “改写模式” (Read Modify Write)的方式,为逐个读取像点修改的工作提供了方便。 R/W 0 A0 0 D7 1 D6 1 D5 1 D4 0 D3 0 D2 0 D1 0 D0 0 11. 改写方式结束指令

该指令执行后，将结束改写方式，以后无论读或写数据后，列地址都增 1。 R/W 0 A0 0 D7 1 D6 1 D5 1 D4 0 D3 1 D2 1 D1 1 D0 0 12. 写数据 R/W 0 A0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 显示数据 13. 读数据

正常状态下，写数据或读数据后，列地址将自动增 1。 R/W 1 A0 1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 显示数据 3.2 传感器的选择

在工业控制中，无论我们要实现什么样的控制，都需要先检测被控制的信号。而检测信号在通常情况下都需要使用传感器。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

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它是实现自动检测和自动控制的首要环节。也就是把非电量的变化转换成电量的变化，以便我们进行采集和处理。

目前，市场上出售的传感器种类繁多，其性能和用途差别很大。选用一个合适的传感器对我们的系统设计是非常重要的，这个关系设计成本，系统性能等各个方面。

对于一般传感器常用的性能参数有： 1. 量程：

在任何的传感器进行测量的过程中，如果被测量超出规定测量范围，测量的结果会出现较大的误差或者造成传感器的破坏。所以进行传感器的选择时必须考虑传感器的量程。 2. 线性度：

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。其线性度：

ef???max?100% (3-1) ?F.S.其中 ef为线性度，?max为输出平均值与基准拟和直线的最大偏差

?F.S.为传感器满量程输出平均值

选用传感器时一般要求其线性度较高，否则处理数据麻烦，且结果准确度不高。 3. 分辨力

是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率越高则系统测试的精度越高。选用传感器时应该满足分辨率即可，因为分辨率越高，价格越贵。 4. 灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化?y对输入量变化?x的比值它是输出——输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。

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输出量的变化?y? (3-2)

输入量的变化?x

S?提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。故一般系统灵敏度满足要求即可。 5. 滞后（迟滞）

传感器的滞后特性指在相同工作条件下，传感器在正反行程期间输出—输入曲线不重合的程度。其滞后度：

et???max?100% (3-3) UF.S.其中UF.S.为满量程输出。

传感器的滞后反映出了传感器的机械部分不可避免的缺陷，在选择的时候也要有所注意。

6. 零点温度影响（俗称零点温漂）

表征此传感器在环境温度变化时它的零点的稳定性。一般以每10℃范围内产生的漂移为计量单位。故选用传感器时，要考虑温漂影响，一般要求温漂不要过大，否则所测数据误差较大。 7. 允许使用温度

规定了此传感器能适用的场合，对于传感器的影响很大。例常温传感器一般标注为：-20℃ —— +70℃。高温传感器标注为：-40℃ —— +250℃。当传感器超过或低于其使用温度时，会产生很大误差。故选用传感器时应注意。

本系统所要控制的量有温度、压力、液位、流量。为其选择合适的传感器很重要：一是这些传感器的性能决定了整个系统的性能；而是不同的传感器价格相差很大，选择性能适合，价格便宜的传感器对于搭建低成本系统很重要。

3.2.1温度传感器选择

常用的温度检测元件主要有热电偶、热电阻、热敏电阻等。

图3-11 热电偶原理图

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热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路（如图3-11），如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。产生接触电势随温度变化而变化，从而达到测温的目的。测量准确，价格适中测温范围宽，线性度较好。因此是本系统的最佳方案。

热敏电阻由金属氧化物或半导体材料制成，灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜。但其测量的稳定性和复现性差，而且线性度差，需要进行查表线性拟合，大大浪费控制器的资源，因此不能选用。

热电阻是利用金属的电阻率随温度变化而变化的特性，将温度量转化成电阻量。其优点是准确度高，稳定性高，性能可靠，热惯性小、复现性好，价格适中。但是其温度与电阻值是非线性关系，处理起来比较复杂，因此不适合本系统。

考虑到测温范围和价格问题，本系统选用康铜热电偶。其价格便宜，测温范围-50～150℃。然后选择一个相适应的温度变送器。CS-WBⅡ型变送器就是一个很好的选择。该变送器模块测量精度对于热电阻为±0.2-0.5%，温度飘移±0.025%/℃，功耗≤0.5，电流或电压输出线性度0.01%。输出4～20m A电流信号。变送器的原理为：①通过确认阻值的不同计算出当前的温度 。②再根据热点阻的量程变送输出对应的标准信号(4-20mA）值。即：温度变化--热电阻--电阻变化--温度变送器—4～20mA信号。

3.2.2 液位传感器选择

常用的液位传感器按照原理可分为浮体式，声波式，电容式，直流电极式，光纤式和压差式几大类。

1. 浮体式液位传感器

浮体式测量仪表主要分为浮筒式与浮子式, 其中钢带浮子式液位传感器在原理及使用中更为典型, 它是一种最简单的液位测量装置, 由一根不锈钢管和一个空心球组成, 不锈钢管内部装有若干个干簧继电器,空心球内装有一块永磁铁, 当空心球随着水位上下运动时, 磁铁作用于继电器产品与液位相应的信号。另一种浮体式液位传感器是在滑轮组上用钢丝绳一端挂浮球, 另一端挂重锤, 通过浮球与重锤的运动距离达到液位检测的目的, 其缺点是钢丝绳与滑轮间存在滑动摩擦力, 回位误差较大, 特别是在钢丝绳和滑轮生锈的情况下, 回位误差更大甚至失效。

这种类型测量装置仅适用于清洁液体液面的连续测量与位式测量, 不宜在脏污的、粘性的以及在环境温度下冻结的液体中使用。 2. 声波式液位传感器

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