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摘要
随着工业自动化水平的迅速提高,液位控制系统在工业领域的应用越来越广泛。本文
以 STC89C52 单片机作为控制器,通过单片机和水位传感器等硬件系统和软件设计来实现
具有液位检测和控制的功能,并对液位值进行显示,用 LED 显示器完成显示部分,通过模
数转换把这些信号送入单片机中,并把这些信号与单片机内部设定值相比,单片机判断是
否需要进行相应操作,实现单片机的自动控制液位的目的。本设计用单片机来控制,软硬
件结合,实现液位的控制。
关键词 STC89C52 单片机;模数转换;水位传感器模块;水泵;电磁阀;
目 录
1 课程设计说明 .............................................................................................................................1
1.1 题目说明 ...............................................................................................................................1
1.2 系统设计要求 .......................................................................................................................1
1.3 系统设计指导 .......................................................................................................................1
2 总体控制方案设计 .....................................................................................................................2
2.1 系统的组成 ...........................................................................................................................2
2.2 结构框图 ...............................................................................................................................2
2.3 系统工作原理 .......................................................................................................................2
2.4 系统控制方案 .......................................................................................................................2
2.4.1 不同控制方案的对比 .....................................................................................................2
2.4.2 系统的总体控制方案 .....................................................................................................3
3 系统模型的建立 .........................................................................................................................4
4 系统硬件选择 .............................................................................................................................7
4.1 微控制器选择 .......................................................................................................................7
4.2 A/D 转换器的选择................................................................................................................8
4.3 液位传感器的选型 .............................................................................................................10
4.3.1 液位传感器简介 ...........................................................................................................10
4.3.2 液位传感器选型 ...........................................................................................................10
4.4 水泵的选型 .........................................................................................................................11
5 硬件设计 ...................................................................................................................................12
5.1 控制器总体方案设计 .........................................................................................................12
5.2 硬件电路的设计 .................................................................................................................12
5.2.1 时钟电路 .......................................................................................................................12
5.2.2 复位电路 .......................................................................................................................13
5.2.3 数码管显示电路 ...........................................................................................................13
5.3 系统总电路 .........................................................................................................................14
6 软件设计 ...................................................................................................................................15
6.1 软件设计概要 .....................................................................................................................15
6.2 基于 SIMULINK 的 PID 仿真 ...........................................................................................16
结论 ...............................................................................................................................................18
参考文献 .......................................................................................................................................19
附录 ...............................................................................................................................................20
1 课程设计说明
1.1 题目说明
设计一个储水罐液位控制系统。被控系统为一储水罐。系统如图 1-1 所示,储水罐内
为清水,下部设有出水管,流量记为 Q2。储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内,流
量记为 Q1,清水池内的水位可视为固定值 2 米(即在储水罐补水过程中液位不变化)。已
知储水罐的截面积 A=1 平方米,高度 H=2 米,要求控制目标液位高度为 1 米。
图 1-1 储水罐系统示意图
1.2 系统设计要求
1. 要求控制系统调节时间
st
≤2 分钟,超调量≤10%。
2. 设计人机接口实时显示储水罐液位高度。
1.3 系统设计指导
控制系统建模过程中,出水管流阻 R 的确定可使用实验法或查询文献来确定。水泵的
选型要考虑调节时间的限制。传感器选型时要考虑分辨率及量程。为便于分析设计,水泵
的控制量与流量 Q1 的关系可作适当简化。驱动电路的设计要与所选的水泵匹配。
清水池
储水罐
目标液位
高度
水泵
2
Q
1
Q
2 总体控制方案设计
2.1 系统的组成
该控制系统由储水罐、水泵、控制器、液位传感器、A/D 转换器、电磁阀等组成。
2.2 结构框图
将模拟过程控制系统中的控制器功能用计算机来实现,就组成了一个典型的基于计算
机的控制系统,其结构框图如图 2-1 所示。
储水罐
液位传感
器
微控制器
A/D
D/A
水
泵
Q1
电磁
阀
Q2
图 2-1 结构框图
2.3 系统工作原理
打开电源、启动水泵后,储水罐液位开始上升,液位传感器实时采集液位信息,并将
所采集到的数据经 A/D 转换器模数转换后,微型控制器根据传输来的信息分析,如果水位
达到额定值时,微控制机经 D/A 转换模块把数字量转换为模拟量控制水泵的工作状态,根
据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵和排水阀,从而调节储水罐液
位,实现液位的自动控制。
2.4 系统控制方案
2.4.1 不同控制方案的对比
方案一:基于 PLC 的液位控制系统。
PLC 控 制 系 统 实 践 环 节 主 要 是 以 可 编 程 序 逻 辑 控 制 器 PLC 为 核 心 , 以
STEP7-Micro/WIN 软件为开发平台,以实验台上的各种设备为对象使用梯形图语言进行
PLC 控制程序的开发来控制各种设备。MCGS 组态软件用于生成和运行水塔监控的组态工
程文件。完成构建的 PLC 控制系统的监控功能。
PLC 控 制 系 统 实 践 环 节 主 要 是 以 可 编 程 序 逻 辑 控 制 器 PLC 为 核 心 , 以
STEP7-Micro/WIN 编程软件为开发平台,以试验台上的各种设备为对象使用梯形图语言进
行 PLC 控制程序的开发来控制各种设备。
PLC 的可靠性高,抗干扰能力强,且硬件配套齐全,使用方便,适应性强。
方案二:基于单片机的液位控制系统。
在液位控制系统的设计中采用以 STC89C52 单片机为核心,数据采集用 8 位 ADC0809,
输出控制数据采用 8 位 D/A 转换芯片 DAC0832 用来把计算机结果转换为相应模拟信号,
再通过变送器把电流转换为电压信号控制水泵,达到对液位的自动控制。
使用单片机实现储水罐液位控制具有较高的实用价值和稳定性好的特点。单片机不仅
有体积小,安装方便,功能较齐全等优点,而且有很高的性价比,应用前景广,同时有助
于发现可能存在的故障,通过微机实现给水系统的自动控制与调节,维持稳定系统,保证
安全经济运行。使用单片机控制与使用 PLC 控制相比大大降低了成本,提高了控制运行速
度。且使用单片机控制系统能很好的运行,将液位控制在给定的范围内,对过高和过低进
行安全报警,稳定性能好,容易操作和控制,保证了生产的正常进行。
综合以上的种种优点可以预见采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一
块芯片上集成了一片微型计算机所需的 CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世
以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。
一般工业控制系统的工作环境差、干扰强,利用单片机控制就能克服这些缺点,因此单片
机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制液体液位是很好的选择。
所以本文采用方案二,以单片机为核心来进行液位控制。
2.4.2 系统的总体控制方案
本文采用 STC89C52 单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现储水罐液位的控制。在
用液位传感器测量液位的同时,STC89C52 单片机循环检测传感器输出状态,并用 LED 显
示液位高度,检测液位数据,当储水罐液位低于用户设定值时,系统自动打开水泵上水,
当水位达到设定值时,系统自动关闭水泵或打开排水阀。
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ohmygodvv
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