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单片机驱动的双水箱液位自动控制设计
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更新于2024-06-24
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本篇文档是内蒙古科技大学一名测控技术与仪器专业的本科生完成的毕业设计,题目为《基于单片机的双容水箱液位控制器设计》。该研究针对工业生产环境中常见的液位控制问题,提出了一个利用单片机技术实现的解决方案。 在现代工业生产中,液位控制作为关键参数,对于保证产品质量、提高生产效率有着至关重要的作用。随着工业规模的扩大和技术的发展,传统的液位控制系统已经不能满足日益复杂的需求,因此,基于单片机的液位控制器因其稳定性、高精度、成本效益和易于操作的特点,成为了研究和应用的热点。 设计的核心是构建一个针对上下两个串联水箱的控制系统。系统利用压力变送器实时监测下水箱的液位,并将数据传输到以STC89C52单片机为核心的设计中。STC89C52作为一种常用的单片机,以其高效的处理能力和丰富的外围接口,能够有效处理液位传感器的数据,并执行PID(比例积分微分)控制算法。 PID算法是一种经典的控制策略,它通过调整控制量的比例、积分和微分部分,实现对液位的精确控制。在本设计中,采用的是增量型PID,这种算法可以更有效地处理连续变化的液位信号,提供更快的响应时间和更高的控制精度。 设计的关键组件还包括LED显示模块,用于直观地显示当前液位状态,便于操作人员实时监控和管理。在整个控制流程中,水泵电机始终保持恒定速度供水,确保了液位控制的平稳性和稳定性。 总结来说,这篇毕业设计不仅展示了单片机在工业液位控制领域的实际应用,还体现了理论知识与实践技能的结合,对于提升工业自动化水平、降低人工干预成本具有重要意义。通过这个设计,学生深化了对单片机编程、传感器技术、PID控制算法以及硬件设计的理解,为未来的职业发展打下了坚实的基础。
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内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)
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第二章 硬件组成
2.1 系统硬件组成概述
本设计的硬件结构如图 2.1 所示。
单片机
显示模块
液位变送器
D/A转换器
A/D转换器
V/I转换电路执行机构
I/V转换电路 上位机通讯
图 2.1 系统硬件结构框图
2.2 数据采集电路
数据采集电路的功能主要是采集容器中的实时液位高度,并且把这个采集到的模拟
信号转换成单片机可识别的数字信号送入单片机。
2.2.1 压力变送器
压力变送器测量的是压力信号,根据液位参数与压力参数的关系即式(2.1)得到液
位信号,从而将液位测量的数据转换为压力测量的数据。
ghP
�
�
(2.1)
本设计所选用的压力变送器是JYB-KO-HAG,技术参数如表2.1所示:
表2.1 JYB-KO-HAG压力变送器技术参数
环境温度
- 10℃~+60℃
介质温度
- 20℃~+70℃
电压输出型
输出阻抗≤ 250Ω(DC 24V 供电时):0~5VDC
供电电压
DC 24V(12V~32V)
负载能力
电流输出型≤ 500Ω:4~20mADC
JYB-KO-HAG压力变送器用途:航空航天领域,工业现场过程压力控制,仪器医疗
食品等行业,石油化工行业,航海及造船行业,水电、水利、发电厂等行业。
JYB-KO-HAG压力变送器具有以下的特点:抗过载、抗冲击、抗干扰等能力强;温
度补偿激光调阻,使用温域宽;防浪涌电压,反向极性保护;抗腐蚀性能好,可以测量
内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)
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多种介质;过流过压保护电路;进口陶瓷芯片或扩散硅,适用于不同场合的压力测量;
稳定性高,实用性广;安装简便,小巧精致等。
JYB-KO-HAG型扩散硅压力传感器的测量精度:A级(± 0.25%F.S),B级(±0.5%
F.S)。量程是:0-60MPa内任量程,最小量程为 5kPa。
JYB-KO-HAG型陶瓷压力传感器的测量精度:A级(± 0.5%F.S),B级(± 1%
F.S)。量程是:0-10MPa内任量程,最小量程为 30kPa。
2.2.2 I/V 转换电路
测量所得的液位模拟信号经过压力变送器输出4-20mA直流信号后,再经250Ω电阻
转换成直流1-5V标准电压信号,送入A/D 转换器。
2.2.3 A/D 转换器
在工业控制过程中,被测参数(如流量、温度、液位、压力、速度等)都是连续变
化的量,称为模拟量。而单片机只能处理数字量,所以在数据进入单片机之前,必须把
模拟量转换成为单片机可识别的数字量,能够达到这一目的的器件,称之为模数转换器,
即A/D转换器。A/D转换器有很多种,依据位数来区分,有16位、12位、10位、8位等。
其位数越高,分辨率也就越高。
通常使用的A/D转换器是将一个输入模拟信号转换为一个输出的数字信号,本设计
所用的A/D转换器是ADC0832,它可实现0-5V模拟电压信号的8位数字量转换。
本设计采用 ADC0832 模数转换器与 I/V 转换电路相连接,对输入的 1-5V 电压信号
进行采样。现场传来的 4-20mA 电流信号经过适当的输入转换电路转换为单片机可接受
的 1-5V 电压信号后直接接至单片机读写引脚上。同时对转换后的数字量进行数字滤波、
标度变换等数据处理,增加数据的可信度、提高其抗干扰能力和稳定性。
ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种双通道、8 位分辨率的A/D转换芯片。
由于它的兼容性、性价比高,体积小而深受企业及单片机爱好者欢迎,因此到目前为止
它已经有很高的普及率了。
ADC0832 具有以下特点:双通道A/D转换;8位分辨率;5V电源供电时输入电压在
0-5V之间;输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;一般功耗仅为15mW;8P、14P-DIP(双
列直插)、PICC 多种封装;商用级芯片温宽为0℃到+70℃,而工业级芯片温宽则为−40
℃到+85℃;工作频率为250KHz,转换时间为32μS。
芯片引脚如图2.2所示。
芯片接口说明:
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CS:低电平芯片使能,片选使能。
CH1:模拟输入通道1(或作为IN+或IN-使用)。
CH0:模拟输入通道0(作为IN+或IN-使用)。
GND:地(芯片参与0电位)。
DO:转换数据输出,数据信号输出。
DI:选择通道控制,数据信号输入。
VCC/REF:电源输入端及参考电压输入端(复用)。
CLK:芯片时钟输入端。
图2.2 ADC0832引脚
ADC0832为8位分辨率的A/D转换芯片,其最高可达256级分辨率,可以适应一般的
模数转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用(VCC/REF),使得芯片的模拟电压
输入在0-5V之间。芯片据有双数据输出,其可作为数据校验,以减少数据误差,芯片转
换时间仅为32μS,转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入,使处理器控制和
多器件挂接变的更加方便。通过DI数据输入端,可以轻易实现通道功能的选择。
正常情况下,单片机与ADC0832的接口应为4条数据线(CS、CLK、DO、DI)。其
中,由于DI端与DO端在通信时与单片机的接口是双向的并且未同时有效,所以电路设
计时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用。
当ADC0832没有开始工作时,它的CS使能端应为高电平,此时芯片禁用,DO/DI和
CLK的电平可任意。当要进行A/D转换时,需先将CS使能端置低电平并保持低电平直到
转换完全结束。此时芯片开始转换工作,同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟
脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲下沉之前DI
端必须置高电平,表示起始信号。在第二、三个脉冲下沉前DI端应输入2位数据用于选
择通道功能,其功能见表2.2。
如表2.2所示,当2位数据为“1、1”时,只对CH1进行单通道转换。当2位数据为
“1、0”时,只对CH0进行单通道转换。如表2.3所示,当2位数据为“0、0”时,CH1
作为负输入端IN-进行输入,将CH0作为正输入端IN+。当2位数据为“0、1”时,CH0作
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