基于單片機(jī)的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的檢測和控制技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。液位作為化工等許多工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要參數(shù)，其測量和控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因此液位控制成為過程控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要的研究方向。本文設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的液位控制系統(tǒng)，使得液位控制更加精確穩(wěn)定，并具有良好的人機(jī)交互功能。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用下位機(jī)以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由單片機(jī)、D/A、A/D轉(zhuǎn)換、V/I轉(zhuǎn)換、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、放大電路以及液位傳感器等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的核心采用AT89C52單片機(jī)，該芯片具有極高的性價(jià)比，適用于多數(shù)嵌入式系統(tǒng)。

上位機(jī)采用普通PC機(jī)，通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)利用Visual C++ 6.0設(shè)計(jì)了監(jiān)控軟件，使其具有友好的人機(jī)界面，方便監(jiān)控室工作人員對(duì)液位進(jìn)行監(jiān)控。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.液位傳感器

系統(tǒng)選用CYB31型壓力液位變送器來進(jìn)行液位的測量。CYB31系列隔離式液位變送器采用進(jìn)口不銹鋼隔離膜片的高精度、高穩(wěn)定性的力敏芯片，經(jīng)合理精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和厚膜技術(shù)溫度補(bǔ)償、信號(hào)放大、V/I轉(zhuǎn)換，對(duì)不銹鋼殼體進(jìn)行全密封焊接，使用有通風(fēng)導(dǎo)管的防水電纜，使傳感器背壓腔與大氣連通，從而制成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA或0～10mA信號(hào)輸出且性能穩(wěn)定可靠的全固態(tài)產(chǎn)品。

2.A/D轉(zhuǎn)換模塊

考慮到轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)和速率，本系統(tǒng)采用了TI公司的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549。它采用CMOS工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持，采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍。通過A/D轉(zhuǎn)換器可以將傳感器輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過串行通信送給計(jì)算機(jī)。

3.液位調(diào)節(jié)

系統(tǒng)經(jīng)過單片機(jī)得到控制量輸出后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，再經(jīng)放大器放大從而調(diào)節(jié)閥門的開度來改變液體的流量，以達(dá)到對(duì)液位的控制。

4.液位設(shè)定、顯示及報(bào)警

單片機(jī)的P1口連接了一個(gè)4×4的16鍵行列式鍵盤，通過鍵盤可以實(shí)現(xiàn)液位上、下限的設(shè)定。系統(tǒng)采用了4個(gè)LED數(shù)碼管進(jìn)行液位高度的實(shí)時(shí)顯示，以及液位上、下限值的顯示。系統(tǒng)還設(shè)置了報(bào)警燈和揚(yáng)聲器，當(dāng)測量值小于液位下限值或高于液位上限值時(shí)，報(bào)警燈和揚(yáng)聲器發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件主要由主程序、采樣程序和PID算法程序以及一些其他的子程序組成。

1.主程序

主程序的功能主要是完成對(duì)單片機(jī)的初始化，設(shè)置液位的上、下限，實(shí)時(shí)顯示液位值以及鍵盤掃描等工作。主程序的流程圖如圖2所示。

2.采樣和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理

采樣子程序主要負(fù)責(zé)對(duì)液位數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理子程序的功能主要包括:將采集到的液位數(shù)據(jù)與液位的上、下限值進(jìn)行比較，若超過上、下限則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào);根據(jù)預(yù)先設(shè)定的液位值，采用PID控制方案對(duì)液位進(jìn)行控制。

3.其他功能

用戶可以通過鍵盤設(shè)定液位的上限值和下限值，以及預(yù)先設(shè)定液位的高度。并能通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，將設(shè)定的參數(shù)、液位的實(shí)時(shí)測量值以及報(bào)警信息傳送給上位機(jī)。

在工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，選擇合理的控制方案保證液位控制的準(zhǔn)確可靠，對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平以及降低生產(chǎn)成本具有十分重要的意義。

(作者單位:海南省高級(jí)技工學(xué)校)