液位自动控制装置.doc

徐淑华教授点评：
该设计以单片机为核心，采用电容式传感器和电磁阀构成闭环的液位自动控制系统；并采用RS232总线组成主从分布式系统，实现了题目所规定的各项功能。总体设计方案合理，传感器选用及其预处理电路有其特点。所采用的全自动洗衣机用电容式液位传感器使用方便，性价比高，测试表明其时间稳定性好，精度和分辨率高，从而保证了样品的控制精度。该设计中从机采用了大尺寸高亮度数码管，适合分布式液位控制系统的实际使用环境，选件结合实际，立意新颖；样品中所发挥的掉电保护、时间显示、语音报警等功能也是特色。
该设计的样品实测性能较好，但在论文撰写、通讯总线选择等方面尚有缺憾。若选用RS485总线，则更能体现该设计结合实际使用环境的指导思想。

液位自动控制装置
海军航空工程学院(烟台)
车达升 魏斌 吴兵
摘要
本系统采用分布式微机控制系统，通过测量传感器的信号频率来获取液面高度。系统采用主从式结构，主站和从站都采用以“8051系列单片机+电容式液面高度传感器”模式。并通过电磁阀来调整液面高度，构成了一个闭环控制系统。可通过键盘设定所需液面高度，范围为0～25cm，误差不超过±0.3 cm。并可实时显示当前液位高度和瓶内液体重量以及阀门状态。当液面超过25cm或液位低于2cm时，可进行声光报警。
主从站之间通过RS232C总线构成串行通讯星型网络。主站可对8个从站进行定点或巡回监测查询各从站的实时状态，并可显示其从站传输过来的从站号和液位讯息，并可控制从站液位。并且在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号和各从站的液位讯息。当收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号，可自动调整从站液位为20cm。从站能够输出从站号、液位讯息和报警信号，并且能对主站设定的液位控制信息相应。
该系统布局合理，运行平稳，控制精度较高，完全达到了题目基本部分的要求，并基本实现了发挥部分要求。
一、总体方案的设计
1、主站的整体设计：
以单片机为控制核心，通过液位传感器实时获取储液瓶B的液面高度，并通过显示器实时显示液面高度、重量。当键盘有输入时，单片机根据键盘输入的功能要求，单片机通过控制电磁阀1、2来提升或降低液面高度达到设定值，根据题意整体规划主站的系统如图（1）所示。

图（1）
2、主站和从站整体设计
主从站之间通过RS232C总线构成串行通讯网络，主站定期查询液面信息，并对液面信息进行控制。

图（2）
二、系统模块的确定和设计
分析题目要求，系统为一个主从式测控系统。由通讯网络把主站和多个从站连成一个系统。通讯网络可采用RS232C等接口组成。液位监测与控制装置的功能可有多种方案实现，但一般都都由控制单元、执行机构和检测单元单元三部分组成。
下面具体论述一下液位监测与控制装置的各个部分模块的方案确定和设计。
1、检测元件的选择
（1）传感器的选择
检测液面高度有多种元件可选，如超声波传感器和电容传感器等。
方案—：使用超声波传感器。超声波具有不受被测液体的浓度和导电性能影响的特性，因此精度比较高，但价格比较贵。
方案二：使用电容式传感器。电容式传感器在测量高频信号时，精度较高。但要求液位变化速度较为缓慢，而且距离不能太远，本题采用的进出水管较细，进出水速度合适，由于只要求测量范围最大为0～25cm，距离较小，此传感器正好符合条件，而且该传感器比较经济，考虑到液体流速和测量范围、精度以及价格，故从实用性和经济性角度考虑选择电容式传感器。
我们选择第二种方案，由于采用了电容式传感器，所以我们需要对电容信号进行采集。
（2）电容信号采集方案的选择和设计
方案—：将电容信号转换为电压信号。由于输出电压信号比较微弱，采用该方案时，采集信号的灵敏度不高，误差一般较大，难以控制，而且电压信号要通过A/D转换后才能被单片机处理，比较复杂。原理图如图（3）所示：

图（3）
方案二：将电容信号转换为频率信号。压感电容传感器对由液面高度变化引起的水压变化的检测灵敏比较高，对由于液位高度的变化而引起的水压的微小变化，通过传感器中的压控电容的变化，得到的输出的信号的频率变化非常明显。我们通过采集信号的频率就能得出对应的液位的高度，从而通过控制单片机，来进行设置所对应的液面的频率就能对所要求的高度进行任意控制，这样的系统能满足题目所要求的基本要求。
综合考虑我们选择第二个方案，接着我们需要考虑如何将电容信号转换为频率信号。
（3）电容信号处理方案
方案—：用FPGA来测量频率。虽然它的测量频率范围广泛，实现简单，但对信号控制能力比较弱。
方案二：传感器外接一个单片机来检测信号频率。单片机处理信号操作简单，对信号处理和控制能力强，能够达到题目要求的精度，所以我们采用这种方案，信号处理电路如图（4）所示。

图（4）
经过反复检测得知在0～25cm范围内，信号频率在23～25KHz左右，而且经过反复测试，发现单片机处理的误差在要求范围内，大约在1mm左右，完全满足题目要求（小于3mm）。我们设定单片机的定时器1记数，定时器0定时，每秒产生225个定时中断，单片机每秒测一次信号频率。经过反复检测发现频率和液位高度的关系接近线性，1mm液位变化对应着的频率变化接近7Hz左右，这样可以通过控制频率差来控制液面上升或下降。
2、键盘方案的选择和设计
方案—： 采用矩阵式键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目，缺点为电路复杂且会加大编程难度。
方案二： 采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。缺点为当按键较多时占用单片机的I/O口数目较多，优点为电路设计简单，且编程相对比较容易。
综合考虑两种方案及题目要求，考虑到系统资源有限，故采用第一种方案。原理图如图（5）所示：

图（5）
3、数码管显示器的设计
根据设计要求，我们采用四个双数码管串联方式，能显示8位数字。由于数码管的原理图相同，现就用双数码管原理图来进行说明，如图（6）所示：

图（6）
4、电源设计
由于我们使用的单片机系统的电源为+5V,所以我们设计制作+5v稳压电源，其原理图如图（7）所示，电磁阀的+24V电源同理可设计。

图（7）
5、 声光报警器的设计

图（8）
当液面高度大于25cm或小于2 cm时，单片机发出信号使V2出现高电平，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声，其原理图如图（8）所示。
6、电磁阀的驱动装置的设计
电磁阀驱动电路由光电隔离器件TLP521-4和达林顿驱动电路组成。光电隔离器件把TTL电平的来自8051单片机的I/O管脚的控制信号转换成电平为24V左右的控制信号，再经过达林顿驱动后控制电磁阀的闭合和断开，为了吸收电磁阀闭合时的反向尖峰电流，电路中还使用了两个二极管。
电磁阀的驱动装置的原理图如图（9）所示：

图（9）

四、系统软件设计
1、主程序流程

图（10）
2、频率测量子程序
（1）、频率测量的原理介绍
根据实际测量，传感器输出的液面高度信号是一个23k左右的频率信号，液面高度每1mm的变化，对应频率有7Hz的增减。为了准确测量这个频率，使用了8051单片机的两个定时器，其中定时器1工作在计数模式，定时器0工作在定时模式，定时间隔为1s，在这1s的间隔内定时器1计数传感器来自的脉冲跳沿数，这样就能够准确测量出实际频率来。
（2）、频率测量子程序流程图：

图（11）
五、实验结果与分析
经过大量的实验，观测数据，发现实验结果的误差满足题目要求。液面变化控制精度在±1mm左右，并能够实时显示其液面高度、瓶中液体重量，达到题目要求。
六、收获和总结
经过紧张的四天三夜的奋力拼搏，与小组其他成员通力协作，团结互助，终于完成了实验项目。首先，我代表我们小组全体成员感谢主持本次竞赛的主委会和全体评审老师以及我们的辅导老师，谢谢你们给了我们一个提高自己和展现自己的舞台，让我们在以后的人生中更加自信和坚定。在教师节来临之际，我们全体成员祝所有评审老师和辅导教员节日快乐。回想这四天三夜，短暂而充实，就我个人而言，我在许多方面都有了明显进步和收获，无论是拼搏精神还是团队精神都是对我一生都是一笔丰富的财富。所以这次竞赛无论能否取得好名次，我都不会有遗憾，我会继续发扬这四天三夜的精神，在以后的日子里更加努力地提高自己、充实自己。同时，我希望我们在这四天三夜的努力有所肯定，希望我们能站在领奖台上。

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