基于AT89S51的液位控制系統

0 前言

液位是許多工業生產中的重要參數之一，在化工、冶金、醫藥、航空等領域里，對液位的測量和控制效果直接影響到產品的質量。由于單片微型計算機具有體積小，耗電少，控制精度高，運行可靠等的特點，所以廣泛應用于生產實際中。本文討論了一種以AT89C51為核心研制的液位控制系統，該系統不僅能對液位進行巡回檢測、顯示和報警，同時也能對液位進行智能控制。

1 系統硬件設計

系統硬件組成框圖如圖1所示。主要由AT89S51、輸入電路組成和輸出電路組成。

圖1 系統硬件組成框圖

1.1 微機系統

系統的核心部分是一片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結構的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，進一步減少了芯片的功耗。其內部除了配有4K的FLASH，還具有128字節的RAM、2個16位定時器/計數器，5個兩級中斷源結構，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，就能構成液位智能控制系統，整個系統的結構十分緊湊。這種緊湊的結構，有助于降低功耗、提高系統的可靠性。

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。分別實現液位上、下限顯示、液位上、下限的設定等功能。顯示器由4位LED組成，用于實時顯示各個液位的高度，以及顯示液位的上、下限值。

報警功能是當液位的高度超出設定值范圍時，進行聲、光報警。

1.3 數據采集和輸出控制部分

數據采集部分由液位變送器、放大電路和A/D轉換器組成。液位變送器的輸出為4 ~ 20mA的電流信號，經過轉換放大電路轉換成A/D0809所能接收0 ~ 5V電壓信號。在AT89C51單片機的控制下，實時采集液位數據，并對數據進行處理。

輸出控制部分根據PID算法所的結果，通過步進電機對流量閥進行控制，實現液位控制的目的。

2 軟件設計

系統軟件主要由主程序、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，設置液位的上限和下限，顯示實時液位值，鍵掃描等工作。

2.2 采樣和數據處理模塊

本系統利用定時循環輪流對8個液位進行實時采樣，對實時數據進行數據處理，并采用PID控制方案。

由于本系統的執行機構是步進電機，所以我們采用了增量式PID控制。根據遞增原理可得

根據以上推導，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。當液位的高度超出或低于設定值時，進行聲光報警，以提醒操作人員進行及時的處理。

3 抗干擾對策

3.1硬件抗干擾設計

系統電源是一個重要部件，又是與外部電網直接聯系的部分，為了防止從電源系統引入干擾信號，在電源輸入端設置低通濾波器，濾去高次諧波成份。另外還采用了AT89S51中的看門狗定時器，以進一步提高系統硬件抗干擾的能力。

3.2軟件抗干擾設計

在程序設計時，將各程序模塊分區存放，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和調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，因為PC只要錯一個數碼，那么整段程序就會面目全非，從而造成檢測系統的混亂。

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個數據求算術平均值。

4 結束

該液位智能控制系統采用了單片機作為主控制器，結構簡單，可靠性高，抗干擾性強，由于應用了PID控制方案，系統的響應速度快，超調量小，系統穩定性好，具有一定的實用價值。

參考文獻

1 AT89S51手冊，http://www.atmel.com

2 劉金昆，先進PID控制及其MATLAB仿真，北京，電子工業出版社，2003

3 周航慈，單片機應用程序設計技術，北京，北京航空航天大學出版社，1991