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摘要 本文介紹了一種基于at89s51的液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對液位進(jìn)行巡回檢測、顯示和報警,同時采用增量式pid控制算法對液位進(jìn)行智能控制。
關(guān)鍵詞 液位 微處理器 智能控制
0 前言 液位是許多工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一,在化工、冶金、醫(yī)藥、航空等領(lǐng)域里,對液位的測量和控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。由于單片微型計(jì)算機(jī)具有體積小,耗電少,控制精度高,運(yùn)行可靠等的特點(diǎn),所以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中。本文討論了一種以at89c51為核心研制的液位控制系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅能對液位進(jìn)行巡回檢測、顯示和報警,同時也能對液位進(jìn)行智能控制。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。主要由at89s51、輸入電路組成和輸出電路組成。 
圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖 1.1 微機(jī)系統(tǒng) 系統(tǒng)的核心部分是一片at89s51微處理器。這是一種與mcs –51系列芯片兼容,帶有4kb閃速可擦除只讀存儲器的低功耗、高性能cmos結(jié)構(gòu)的8位微處理器。它除正常工作外還可工作于低功耗的閑置和掉電模式,進(jìn)一步減少了芯片的功耗。其內(nèi)部除了配有4k的flash,還具有128字節(jié)的ram、2個16位定時器/計(jì)數(shù)器,5個兩級中斷源結(jié)構(gòu),32位并行輸入/輸出口和一個全雙工的串行口,看門狗定時電路等。由于at89c51集flash、ram、i/o、串行口于一體,所以只須配置少量的外圍電路,就能構(gòu)成液位智能控制系統(tǒng),整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分緊湊。這種緊湊的結(jié)構(gòu),有助于降低功耗、提高系統(tǒng)的可靠性。 1.2 鍵盤、顯示和報警部分 p1.0 ~ p1.5作為鍵盤的接口,連接一個2×4的鍵盤。分別實(shí)現(xiàn)液位上、下限顯示、液位上、下限的設(shè)定等功能。顯示器由4位led組成,用于實(shí)時顯示各個液位的高度,以及顯示液位的上、下限值。 報警功能是當(dāng)液位的高度超出設(shè)定值范圍時,進(jìn)行聲、光報警。 1.3 數(shù)據(jù)采集和輸出控制部分 數(shù)據(jù)采集部分由液位變送器、放大電路和a/d轉(zhuǎn)換器組成。液位變送器的輸出為4 ~ 20ma的電流信號,經(jīng)過轉(zhuǎn)換放大電路轉(zhuǎn)換成a/d0809所能接收0 ~ 5v電壓信號。在at89c51單片機(jī)的控制下,實(shí)時采集液位數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 輸出控制部分根據(jù)pid算法所的結(jié)果,通過步進(jìn)電機(jī)對流量閥進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)液位控制的目的。 2 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件主要由主程序、采樣程序和pid算法程序和一些子程序組成。 2.1 主程序 主程序的流程圖如圖2所示。 
圖2 主程序流程圖 主程序的主要功能是完成at89c51的初始化,設(shè)置液位的上限和下限,顯示實(shí)時液位值,鍵掃描等工作。 2.2 采樣和數(shù)據(jù)處理模塊 本系統(tǒng)利用定時循環(huán)輪流對8個液位進(jìn)行實(shí)時采樣,對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并采用pid控制方案。 由于本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī),所以我們采用了增量式pid控制。根據(jù)遞增原理可得  根據(jù)以上推導(dǎo),得到增量式pid控制算法的程序流程圖如圖3所示。 
圖3 增量式pid控制算法的流程圖 2.3其他功能 用戶可以通過鍵盤設(shè)定液位的上限值和下限值,以及在任意時候顯示液位的上下限值。當(dāng)液位的高度超出或低于設(shè)定值時,進(jìn)行聲光報警,以提醒操作人員進(jìn)行及時的處理。 3 抗干擾對策 3.1硬件抗干擾設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電源是一個重要部件,又是與外部電網(wǎng)直接聯(lián)系的部分,為了防止從電源系統(tǒng)引入干擾信號,在電源輸入端設(shè)置低通濾波器,濾去高次諧波成份。另外還采用了at89s51中的看門狗定時器,以進(jìn)一步提高系統(tǒng)硬件抗干擾的能力。 3.2軟件抗干擾設(shè)計(jì) 在程序設(shè)計(jì)時,將各程序模塊分區(qū)存放,彼此之間空出一些存儲單元,在這些單元中填充ff（rst指令）。同時對程序中重要的跳轉(zhuǎn)和調(diào)用子程序指令前均加入三個nop指令,以保證程序流向的正確性,因?yàn)閜c只要錯一個數(shù)碼,那么整段程序就會面目全非,從而造成檢測系統(tǒng)的混亂。 利用滑動平均濾波法求取平均值。將最近6次采樣得到的液位值,去除最大值和最小值,剩下的4個數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值。 4 結(jié)束 該液位智能控制系統(tǒng)采用了單片機(jī)作為主控制器,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,抗干擾性強(qiáng),由于應(yīng)用了pid控制方案,系統(tǒng)的響應(yīng)速度快,超調(diào)量小,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,具有一定的實(shí)用價值。 參考文獻(xiàn) 1 at89s51手冊,http://www.atmel.com 2 劉金昆,先進(jìn)pid控制及其matlab仿真,北京,電子工業(yè)出版社,2003 3 周航慈,單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù),北京,北京航空航天大學(xué)出版社,1991 |
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