采用AT89S51微处理器和PID控制方案实现液位控制系统的设计
前言
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。
1、 系统硬件设计
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。
图1 系统硬件组成框图
1.1 微机系统
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。
1.2 键盘、显示和报警部分
p1.0 ~ 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。
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。
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。
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。
2、 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。
2.1 主程序
主程序的流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
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
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。
图3 增量式pid控制算法的流程图
2.3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。
3、 抗干扰对策
3.1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
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。
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。
4 、结束
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。
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1、 系统硬件设计
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。
图1 系统硬件组成框图
1.1 微机系统
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。
1.2 键盘、显示和报警部分
p1.0 ~ 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。
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。
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。
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。
2、 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。
2.1 主程序
主程序的流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
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
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。
图3 增量式pid控制算法的流程图
2.3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。
3、 抗干扰对策
3.1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
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。
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。
4 、结束
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。
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