液位控制系统设计

1 系统设计方案比较说明
对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。两种方式的实现如下：
(1)简单的机械式控制方式。其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。
(2)复杂控制器控制方式。这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。
针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式，同时考虑到成本需要把PID控制去掉。最终形成的方案是，利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。
2 系统组成以及工作原理
（1）原理框图

图1系统组成原理框图
（2）工作原理
基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、A／D转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为0～5 V标准信号，送入A／D转换器，A／D转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。
3 硬件设计
液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、A／D转换器和输出控制电路等。
（1）单片机
单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片，如图1所示。其中，P0口用于A／D转换和显示；P1口连接一个3×5的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等。图2是AT89C51芯片的引脚功能说明。

图2AT89C51各引脚说明

（2）传感器
传感器使用SY一9411L—D型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的555—2型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O～70℃)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温塑料外壳封装。其引脚分布如图3所示。1脚为信号输出(一)；2脚为信号输出(一)；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出(+)；6脚为信号输出(+)。在水箱底部安装1根直径为5 mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到A／D转换器。

图3SY-8411L-D外部引

（3） 键盘电路
P1口作为键盘接口，连接一个4×4键盘。结构上采用行列方式，可定义键盘布局。结构如图4所示。

图4键盘输入电路
4 软件设计
液位控制器模型的软件设计框，首先进行键盘设计。每个按键都有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信键盘的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么？还要消除按键在闭合或断开时的抖动两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地；另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能从键盘输入目的液位高度，单片机控制的电磁阀开启液位升高。液位的实际高度通过压力传感器SY一9411L—D测量转换为标准电压信号，再经过运算放大电路、A/D转换电路将测量值送给控制芯片判断与目的液位的偏差，偏差值再通过D/A转换电路送给电磁阀控制其开度。下图即为原理框图。

图6液位控制原理框图
值得注意的是，在用汇编语言编写控制器程序时，相对会比较麻烦，如果用C语言编写程序会简单很多，这里就不再做具体说明。