基于单片机的水箱控制系统.docx

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1、一水箱控制系统的模型分析与设计1.系统的模型分析系统由以下几个部件组成：储水箱，潜水泵，变频器，控制器，出水管。系统有一个出水通道，一个输水通道。通过潜水泵向储水箱输水，以平衡出水道的水量流失，使水箱液面维持恒值。水箱的液位值有一只压力传感器测得，并通过A/D转换传输到控制器。控制器通过计算得出控制量，输送给变频器，变频器根据控制量向潜水泵输出功率，以控制潜水泵的抽水效率。系统原理图如图1所示：图1.由此可以建立系统的方框图：控制对象：水箱液位操纵变量：输水流量Q1扰动量:出水量Q2控制器：C51单片机执行机构：潜水泵（变频器）f二．主控制器硬件设计1.概述主控制器包括以下模块:中央处理

2、器，A/D转换器，D/A转换器，串口通信电路，数字显示器，键盘，蜂鸣警告器。使用ALTIUMDESIGNER8.0软件，设计集成电路板，将上述模块集成到一块小型的电路板上。2.中央处理器——AT89C55单片机因为系统是一个液位控制系统，控制精度并不要求十分高（控制在毫米级即可），控制速度不要求十分快。因此考虑到性能及成本问题，选用atmel公司的AT89C55单片机。AT89C55单片机的性能参数为：DIP40封装，32个I/0口（P0_0~P3_7），8个中断源，3个计时/计数器，256字节RAM，20字节ROM,时钟频率，12MHz。处理器接线如图8所示：图8处理器有8个空余管脚暂

3、未使用，以后可根据需要作功能扩展。3.模/数转换器——ADC0804要对水箱液位进行控制，首先要将水箱的即时数据采集给中央处理器。通过置于水箱中的压力传感器将水箱液位转换为电信号（0~5V电压信号或4~20mA电流信号），传输到模/数转换器，通过转换，将电信号模拟量变为数字量，供中央处理器处理。在这里采用NSC公司的ADC0804作为模/数转换器。ADC9804接受典型的传感器输入电信号，8位数据并行输出。它的处理速度为100μs，无论从速度还是精度（8位）都已经可以满足要求。ADC0804接线如图9所示：图9这里为了节约I/O口，采用了数据并入串出的方式，通过移位寄存器74164将转换

4、得的数字量逐位输入给中央处理器。这样虽然使得处理速度降低，但由于液位控制只需间隔一定时间对水箱液位进行数据采样即可，而采样周期一般远大于处理周期，因此，实际上并不会降低数据的处理效率。1.数/模转换器——DAC0832数/模转换是模/数转换的逆过程。中央处理器通过将当前的液位值与给定值比较，得出误差，再通过一定的控制算法处理误差，得出控制量。这时的控制量是数字量，必须转换成模拟量，才能传输到变频器的模拟量输入端子。在这里采用NSC公司的DAC0831作为数/模转换器，接线图如图10所示：图10.若不加接电路，输出的是电流信号。如果需要输出电压信号，则要加接电路图如下图11：图11这样，通

5、过运算放大器以及反馈电阻的组合，可以将电流输出转为电压输出。同理，为了节约I/O口，采用了数据串入并处的方式。1.输入键盘由于系统没有转门的给定值模块，所以给定值储存于中央处理器中。因此若要改变给定值，就必须要有输入装置。这里采用3X4矩阵键盘。原理图如图12所示：图12键盘实物图如图13所示：图13有4个空余键可由使用者通过修改中央处理器内部程序自定义。1.显示器——4X8段数码管为了方便使用者实时了解液位值及中央处理器内部信息，这里设置了一组有四个八段数码管组成的显示器。为了节省I/O口，这里同样采用了数据串入并处及数码管动态扫描显示的方式。接线如图14所示：图131.蜂鸣警告器实际

6、应用中有可能出现这样的情况：由于使用者的控制算法设计不当（积分时间常数太大，或者开环增益太大，造成很大超调量，或者算法中没有积分环节切除设置，导致积分饱和），使得液位超过上限，或低于下限，这时需要系统及时发出警告。这里使用简单的蜂鸣器即可。接线如图14所示：图14其中BEEP信号有中央处理器P2.0给出。高电平时三极管导通，蜂鸣器响。反之不响。2.直接串口通信——RS232为了使得系统可以与其他机器进行信息交流（单片机与单片机之间），这里设置一个RS232芯片为核心的串口通信接口。接线如图15所示：图151.USB转串口——PL2303。中央处理器的程序要根据实际情况和使用者需要随时修改

7、。程序从通用的PC机下载到中央处理器中。这里用的接口便是以PL2303为核心的电路。如图16所示：图162.电源接口考虑到电源提供能更廉价和方便，这里使用220v，50Hz的工频电源。但是如果在控制器集成版中内置变压器，变压器的强磁场对把板子内各块芯片的信号可能产生较大干扰，所以这里不采用位置的变压器，先将220v的交流电转成24v的直流电，再由内置的7805芯片转换成5v电压。接线如图17所示：图171.电路板原理图和PCB图电路