原创 基于AT89S51的液位控制系统

摘要    本文介绍了一种基于AT89S51的液位控制系统。该系统能对液位进行巡回检测、显示和报警，同时采用增量式PID控制算法对液位进行智能控制。
i0e8ug]$C7b44606关键词     液位   微处理器  智能控制
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KKw"~dg^4Xg446060  前言电子园51单片机学习网i3WcJ#|+w4C9f x:Ob l

!~;{T&V!m@44606       液位是许多工业生产中的重要参数之一，在化工、冶金、医药、航空等领域里，对液位的测量和控制效果直接影响到产品的质量。由于单片微型计算机具有体积小，耗电少，控制精度高，运行可靠等的特点，所以广泛应用于生产实际中。本文讨论了一种以AT89C51为核心研制的液位控制系统，该系统不仅能对液位进行巡回检测、显示和报警，同时也能对液位进行智能控制。电子园51单片机学习网T"c1a7M-N-B ~r[

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1{(WwO4zsq446061  系统硬件设计电子园51单片机学习网A-i(hp:`9N9f$d| f

9`!R `Z O T y1`+l,A44606       系统硬件组成框图如图1所示。主要由AT89S51、输入电路组成和输出电路组成。

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图1  系统硬件组成框图

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gV0U'\^*wSc^;~446061.1  微机系统电子园51单片机学习网m7y dl%t;G$v |

y"_X I,r.]44606系统的核心部分是一片AT89S51微处理器。这是一种与MCS –51系列芯片兼容，带有4KB闪速可擦除只读存储器的低功耗、高性能CMOS结构的8位微处理器。它除正常工作外还可工作于低功耗的闲置和掉电模式，进一步减少了芯片的功耗。其内部除了配有4K的FLASH，还具有128字节的RAM、2个16位定时器/计数器，5个两级中断源结构，32位并行输入/输出口和一个全双工的串行口，看门狗定时电路等。由于AT89C51集FLASH、RAM、I/O、串行口于一体，所以只须配置少量的外围电路，就能构成液位智能控制系统，整个系统的结构十分紧凑。这种紧凑的结构，有助于降低功耗、提高系统的可靠性。电子园51单片机学习网 Z3_!v}Y*D

1.2 键盘、显示和报警部分

4C3luY'v5L6rh*P44606P1.0 ~ P1.5作为键盘的接口，连接一个2×4的键盘。分别实现液位上、下限显示、液位上、下限的设定等功能。显示器由4位LED组成，用于实时显示各个液位的高度，以及显示液位的上、下限值。

6}|(]&V I'_B44606报警功能是当液位的高度超出设定值范围时，进行声、光报警。电子园51单片机学习网)G6u(v/q,c5?

1.3 数据采集和输出控制部分

         数据采集部分由液位变送器、放大电路和A/D转换器组成。液位变送器的输出为4 ~ 20mA的电流信号，经过转换放大电路转换成A/D0809所能接收0 ~ 5V电压信号。在AT89C51单片机的控制下，实时采集液位数据，并对数据进行处理。

`mb8F0}%xdu44606         输出控制部分根据PID算法所的结果，通过步进电机对流量阀进行控制，实现液位控制的目的。电子园51单片机学习网H/~'q*\Z ~

5CHK)PbFa1c446062  软件设计

         系统软件主要由主程序、采样程序和PID算法程序和一些子程序组成。电子园51单片机学习网 s{S H'G

2.1 主程序电子园51单片机学习网bNoZ@0K4o

+e#X5kp f44606         主程序的流程图如图2所示。电子园51单片机学习网d c fv?5{

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图2       主程序流程图

$kqnXW6}1uC44606       主程序的主要功能是完成AT89C51的初始化，设置液位的上限和下限，显示实时液位值，键扫描等工作。

2.2 采样和数据处理模块

本系统利用定时循环轮流对8个液位进行实时采样，对实时数据进行数据处理，并采用PID控制方案。

由于本系统的执行机构是步进电机，所以我们采用了增量式PID控制。根据递增原理可得

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;J#Sdo M#H d6]44606根据以上推导，得到增量式PID控制算法的程序流程图如图3所示。

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图3  增量式PID控制算法的流程图

+~XPL r t[446062.3其他功能电子园51单片机学习网$z N,U${i]3i#S

用户可以通过键盘设定液位的上限值和下限值，以及在任意时候显示液位的上下限值。当液位的高度超出或低于设定值时，进行声光报警，以提醒操作人员进行及时的处理。电子园51单片机学习网 d*q?^5@u6m#]O9g B2\`

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3  抗干扰对策电子园51单片机学习网iG,roGAZ_

:O3z#x H,NRv446063.1硬件抗干扰设计

系统电源是一个重要部件，又是与外部电网直接联系的部分，为了防止从电源系统引入干扰信号，在电源输入端设置低通滤波器，滤去高次谐波成份。另外还采用了AT89S51中的看门狗定时器，以进一步提高系统硬件抗干扰的能力。

3.2软件抗干扰设计电子园51单片机学习网c!m0I Jbakp

在程序设计时，将各程序模块分区存放，彼此之间空出一些存储单元，在这些单元中填充FF（RST指令）。同时对程序中重要的跳转和调用子程序指令前均加入三个NOP指令，以保证程序流向的正确性，因为PC只要错一个数码，那么整段程序就会面目全非，从而造成检测系统的混乱。电子园51单片机学习网q.w.{"J(D]Zb X

,}S*g\;Mck,g44606利用滑动平均滤波法求取平均值。将最近6次采样得到的液位值，去除最大值和最小值，剩下的4个数据求算术平均值。电子园51单片机学习网)[+M j ?7x

4  结束

oZM2E*V44606该液位智能控制系统采用了单片机作为主控制器，结构简单，可靠性高，抗干扰性强，由于应用了PID控制方案，系统的响应速度快，超调量小，系统稳定性好，具有一定的实用价值。电子园51单片机学习网z Q5|RXc

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参考文献电子园51单片机学习网${O/H@9TT

1     AT89S51手册，http://www.atmel.com

2         刘金昆，先进PID控制及其MATLAB仿真，北京，电子工业出版社，2003电子园51单片机学习网3VfZiX

V5]Z m l,s-T446063         周航慈，单片机应用程序设计技术，北京，北京航空航天大学出版社，1991