基于单片机的液位控制系统设计

随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展,工业生产中传统的检测和控制技术发生了根本性的变化。液位作为化工等许多工业生产中的一个重要参数,其测量和控制效果直接影响到产品的质量,因此液位控制成为过程控制领域中的一个重要的研究方向。本文设计了一种以单片机为核心的液位控制系统,使得液位控制更加精确稳定,并具有良好的人机交互功能。

一、系统结构

系统采用下位机以单片机为核心的控制系统。系统由单片机、D/A、A/D转换、V/I转换、电动调节阀、放大电路以及液位传感器等组成。其系统结构框图如图1所示。系统的核心采用AT89C52单片机,该芯片具有极高的性价比,適用于多数嵌入式系统。

上位机采用普通PC机,通过串口与单片机进行通信。同时利用Visual C++ 6.0设计了监控软件,使其具有友好的人机界面,方便监控室工作人员对液位进行监控。

二、硬件系统设计

1.液位传感器

系统选用CYB31型压力液位变送器来进行液位的测量。CYB31系列隔离式液位变送器采用进口不锈钢隔离膜片的高精度、高稳定性的力敏芯片,经合理精密的结构设计和厚膜技术温度补偿、信号放大、V/I转换,对不锈钢壳体进行全密封焊接,使用有通风导管的防水电缆,使传感器背压腔与大气连通,从而制成工业标准的4～20mA或0～10mA信号输出且性能稳定可靠的全固态产品。

2.A/D转换模块

考虑到转换器的转换位数和速率,本系统采用了TI公司的10位模数转换器TLC1549。它采用CMOS工艺,具有内在的采样和保持,采用差分基准电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换范围。通过A/D转换器可以将传感器输入的模拟电压量转换为数字量通过串行通信送给计算机。

3.液位调节

系统经过单片机得到控制量输出后,经D/A转换器转换为模拟量,再经放大器放大从而调节阀门的开度来改变液体的流量,以达到对液位的控制。

4.液位设定、显示及报警

单片机的P1口连接了一个4×4的16键行列式键盘,通过键盘可以实现液位上、下限的设定。系统采用了4个LED数码管进行液位高度的实时显示,以及液位上、下限值的显示。系统还设置了报警灯和扬声器,当测量值小于液位下限值或高于液位上限值时,报警灯和扬声器发出相应的报警信号。

三、软件系统设计

下位机软件主要由主程序、采样程序和PID算法程序以及一些其他的子程序组成。

1.主程序

主程序的功能主要是完成对单片机的初始化,设置液位的上、下限,实时显示液位值以及键盘扫描等工作。主程序的流程图如图2所示。

2.采样和数据数据处理

采样子程序主要负责对液位数据的采集。数据处理子程序的功能主要包括:将采集到的液位数据与液位的上、下限值进行比较,若超过上、下限则发出相应的报警信号;根据预先设定的液位值,采用PID控制方案对液位进行控制。

3.其他功能

用户可以通过键盘设定液位的上限值和下限值,以及预先设定液位的高度。并能通过串口与上位机进行通信,将设定的参数、液位的实时测量值以及报警信息传送给上位机。

在工业生产过程控制系统中,选择合理的控制方案保证液位控制的准确可靠,对于提高工业生产的自动化水平以及降低生产成本具有十分重要的意义。

(作者单位:海南省高级技工学校)