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(jì)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。可根據(jù)需要設(shè)定液位控制高度，同時(shí)具備報(bào)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?jī)r(jià)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

中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 051 03

Design of Liquid Level Controller Based on Single Chip Computer

ZHONG Xiaoqiang

(Zhejiang Business Technology Institute,Ningbo,315012,China)

Abstract：This paper introduces a method for the design of liquid level controller based on single chip computer,this controller combines the single chip computer with peripheral hardware circuit to achieve the control performance.The controlled liquid level can be set as needed,it also has functions of displaying the liquid level and alarming.Due to the gas pressure sensor,it possesses the feature of non－contact with the liquid,thus can be used for the liquid level control of poisonous or corrosive liquid.It can be used for the teaching or research in school,and can be put into practical applications.

Keywords：sensor;A/D conversion ;controller;peripheral hardware circuit

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(duì)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(shí)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(duì)模型的設(shè)計(jì)可很好的延伸到具體應(yīng)用案例中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較說明

對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)作，且只能單獨(dú)控制，與計(jì)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(hào)的模擬信號(hào),經(jīng)過前置放大、多路切換、A/D變換成數(shù)字信號(hào)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(duì)上述2種控制方式，以及設(shè)計(jì)需達(dá)到的性能要求，這里選擇第二種控制方式，同時(shí)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(jì)一個(gè)對(duì)供水箱水位進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的特征,要求實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)值若高于上限設(shè)定值時(shí),要求報(bào)警,斷開繼電器,控制水泵停止上水;檢測(cè)值若低于下限設(shè)定值,要求報(bào)警,開啟繼電器,控制水泵開始上水［4］?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，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(hào)后，即把變化量轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)；該信號(hào)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(hào)，送入A/D轉(zhuǎn)換器， A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)量，由單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(bào)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(jì)

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(gè)3×5的鍵盤； P2口用于控制電磁閥和水泵動(dòng)作； P3口用于上、下限指示燈，報(bào)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。

3.2 傳感器

傳感器使用SY－9411L－D型變送器，它內(nèi)部含有1個(gè)壓力傳感器和相應(yīng)的放大電路。壓力傳感器是美國(guó)SM公司生產(chǎn)的555－2型OEM壓阻式壓力傳感器，其有全溫度補(bǔ)償及標(biāo)定(0～70 ℃),傳感器經(jīng)過特殊加工處理,用堅(jiān)固的耐高溫塑料外殼封裝［6］。其引腳分布如圖3所示。1腳為信號(hào)輸出（-）；2腳為信號(hào)輸出（-）;3腳為激勵(lì)電壓;4腳為地;5腳為信號(hào)輸出（+）;6腳為信號(hào)輸出（+）。

在水箱底部安裝1根直徑為5 mm的軟管，一端安裝在水箱底部；另一端與傳感器連接。水箱水位高度發(fā)生變化時(shí)，引起軟管內(nèi)氣壓變化，然后傳感器把氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到A/D轉(zhuǎn)換器。

3.3 鍵盤電路

P1口作為鍵盤接口，連接一個(gè)4×4鍵盤。結(jié)構(gòu)上采用行列方式，可定義鍵盤布局。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 液位顯示電路

液位顯示采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，范圍從0～999（單位可自定），選擇的數(shù)碼管是7段共陰極連接，型號(hào)是LDS18B20。在這里使用到了74LS373 ，它是一個(gè)8位的D觸發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中經(jīng)常使用，可以作地址數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展的鎖存器，也可以作為普通的LED的驅(qū)動(dòng)器件，由于單獨(dú)使用HEF4511B七段譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器來完成數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)顯示，因此74LS373在這里只用作擴(kuò)展的緩沖,圖5是顯示電路的原理圖。

3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路及控制輸出

A/D轉(zhuǎn)換電路在控制器中起主導(dǎo)作用，用它將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字量。該控制器采用CMOS工藝制造的逐步逼近式8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。在使用時(shí)可選擇中斷、查詢和延時(shí)等待3種方式編制A/D轉(zhuǎn)換程序。圖6是A/D轉(zhuǎn)換部分原理圖，在接線時(shí)先經(jīng)過運(yùn)算放大器和分壓電路把傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。

控制輸出主要有上下限狀態(tài)顯示、超限報(bào)警。另外在設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了串行口，供進(jìn)一步開發(fā)使用。

4 軟件設(shè)計(jì)

液位控制器模型的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

(1) 鍵盤程序

由于鍵盤采用的是4×4結(jié)構(gòu)，因此可使用的鍵有16個(gè)，根據(jù)需要分別定義各鍵，0～9號(hào)為數(shù)字鍵，10～15號(hào)分別是確定鍵、修改鍵、移位鍵、加/減鍵、取消鍵和復(fù)位鍵。程序如下：

KEY: MOV P2,#07H ；用反轉(zhuǎn)法查鍵

KEY1: MOV B,A ；有鍵按下，存鍵碼

MOV A,P2

MOV DPTR,#TABLE

ANL A,#07H

MOV R3,#0FFH ；存順序碼單元初始化

MOV B,A

KEY2: INC R3

MOV P2,#0F8H

MOV A,R3

MOV A,P2

MOVC A,@DPTR

ANL A,#0F8H

CJNE A,KEY3 ；判鍵碼，求順序碼

ORL A,B

MOV A,R3 ；若找到鍵碼，存順序碼

CJNE A,#0FFH,KEY1

RET

RET ；無鍵按下

KEY3: CJNE A,#0FFH,KEY2；判是否查完

RET ；已查完，鍵碼未找到，以無按鍵處理

TABLE:DB 0F6H,0EEH,0DEH,0BEH,7EH ；按鍵特征碼表

DB 0F5H,0EDH,0DDH,0BDH,7DH

DB 0F3H,0EBH,0DBH,0BBH,7BH,0FFH

…

(2) A/D轉(zhuǎn)換子程序

A/D轉(zhuǎn)換子程序如下：

…

ADCC:PUSH ACC；模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

PUSH B

MOV DPTR,#0BFFFH

MOVX A,@DPTR；讀模數(shù)轉(zhuǎn)換值

MOV B,#0AH；十六/十進(jìn)制轉(zhuǎn)換

DIV AB

MOV DSP1,B

MOV B,#0AH

DIV AB

MOV DSP2,B

MOV DSP3,A

POP B

POP ACC

SETB EA

RETI

…

值得注意的是，在用匯編語言編寫控制器程序時(shí)，相對(duì)會(huì)比較麻煩，如果用C語言編寫程序會(huì)簡(jiǎn)單很多，這里就不再做具體說明。

5 結(jié) 語

基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)液位控制器模型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于硬件電路的正確構(gòu)建，只有在電路準(zhǔn)確的前提下再進(jìn)行軟件編程才能取得成功。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 鐘曉強(qiáng) 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士。主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化和應(yīng)用電子技術(shù)。