基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器設(shè)計

摘 要：介紹一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器的設(shè)計方法，該控制器以單片機(jī)為核心，通過外圍硬件電路來達(dá)到實(shí)現(xiàn)控制的目的?？筛鶕?jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時具備報警、高度顯示等功能，由于增加了氣體壓力傳感器，使其具有與液面不接觸的特點(diǎn)，可用于有毒、腐蝕性液體液位的控制，具有較高的研究價值。該控制器不僅可用于學(xué)校進(jìn)行教學(xué)研究，還可用于生產(chǎn)實(shí)際，是目前比較缺少的一種產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：傳感器；A／D轉(zhuǎn)換；控制器；外圍硬件電路

0 引 言
隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展，單片機(jī)控制的智能型控制器廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，為了使學(xué)生對單片機(jī)控制的智能型控制器有較深的了解。經(jīng)過綜合分析選擇了由單片機(jī)控制的智能型液位控制器作為研究項(xiàng)目，通過訓(xùn)練充分激發(fā)學(xué)生分析問題、解決問題和綜合應(yīng)用所學(xué)知識的潛能。另外，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。通過對模型的設(shè)計可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案比較說明
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(jī)械式控制裝置控制，一種是復(fù)雜的控制器控制方式。兩種方式的實(shí)現(xiàn)如下：
(1)簡單的機(jī)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(diǎn)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(dú)控制，與計算機(jī)進(jìn)行通信較難實(shí)現(xiàn)。
(2)復(fù)雜控制器控制方式。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、A／D變換成數(shù)字信號傳送到單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算和給定參量的比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得出調(diào)節(jié)參量；經(jīng)由D／A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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(shí)時顯示測量值，從而實(shí)現(xiàn)對水箱液位的監(jiān)控。

2 工作原理
2．1 原理框圖
原理框圖如圖1所示。

2．2 工作原理
基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的液位控制器是以AT89C51芯片為核心，由鍵盤、數(shù)碼顯示、A／D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(yùn)算放大電路放大后變成幅度為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號，送入A／D轉(zhuǎn)換器，A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)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(qiáng)制報警值。該系統(tǒng)控制器特點(diǎn)是直觀地顯示水位高度，可任意控制水位高度。

3 硬件設(shè)計
液位控制器的硬件主要包括由單片機(jī)、傳感器(帶變送器)、鍵盤電路、數(shù)碼顯示電路、A／D轉(zhuǎn)換器和輸出控制電路等。
3．1 單片機(jī)
單片機(jī)采用由Atmel公司生產(chǎn)的雙列40腳AT89C51芯片，如圖1所示。其中，P0口用于A／D轉(zhuǎn)換和顯示；P1口連接一個3×5的鍵盤；P2口用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。