基于单片机的锅炉水位控制系统的设计.doc

学 号：

XINJIANG INSTITUTE OF ENGINEERING

毕业设计

设计题目：基于单片机的锅炉水位控制系统的设计
学生姓名：××××××
专 业：电气工程及其自动化
班 级：电气工程及其自动化13-2（本）
系 部：电力工程系
指导教师：××××××

六月五日

摘 要
液位控制是工业控制过程中一个重要的参数控制，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，并且也关系着生产的安全。以前，大量的对液位控制是由相应的人员进行操作的，这样的人工方式带来了很大的弊端，比如液位的控制，夜间的监控等等，操作员稍有疏忽，或者简易的监测器件损坏，将带来无法填补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全等。所以，假如可以使用精密的并且完全会严格按照生产规定运营的自动化系统，可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源并能有效提高生产的效率。
本文通过对液位控制系统的研究，设计了以8051单片机为核心、以光电传感器为检测元件的液位控制系统，实现了报警和自动切换功能。该系统操作方便、性能良好，比较符合锅炉水位控制的需要。本文还具体的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了汇编语言程序。

关键词：单片机 光电传感器 液位 报警

Abstract
Liquid level control is an important parameter control in the process of industrial control. Its performance and quality of work not only have a great impact on production, but also related to the safety of production. Previously, a large number of liquid level control is by the staff to operate, so that artificial means a lot of drawbacks, such as liquid level control, and so on the night of monitoring, the operator slightly negligence, or simply monitor parts damaged, will bring irreparable loss, a more serious crisis to production personnel the personal safety. So, if the use of sophisticated and complete production will be in strict accordance with the provisions of the operation of the automation system, can maximize the chances of avoiding accidents, but also save resources and can effectively improve the efficiency of production.
Through the research of the liquid level control system, this paper designed a liquid level control system with 8051 single chip microcomputer as the core and photoelectric sensor as the detection element, and realized the alarm and automatic switching function. The system is easy to operate and has good performance. It meets the need of boiler water level control. This paper also gives the detailed hardware block diagram and software flow chart, and compiles the assembly language program.

Key words: single chip microcomputer; photoelectric sensor; liquid level; alarm

目 录
摘要………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………………Ⅱ
1 绪 论 1
1.1 课题研究背景及意义 2
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本系统设计内容 3
2 液位控制系统总体方案设计 3
2.2 系统硬件总体方案 5
2.3 系统软件总体方案 5
2.4 本章小结 6
3 液位控制系统硬件的设计 7
3.1 核心芯片8051单片机 7
3.2 液位传感器 9
3.3 光电式传感器的基本特性 12
3.3.1光谱特性 12
3.3.2 伏安特性 13
3.3.3 光电特性 13
3.3.4 温度特性 13
3.3.5 频率特性 13
3.4 A/D转换器ADC0809 15
3.4.1 A／D转换基本原理 15
3.4.2 ADC0809转换芯片 18
3.5 键盘及显示接口 19
3.6报警电路 20
3.7 本章小结 24
4 液位控制系统软件的设计 25
4.1单片机液位控制系统控制算法及实现 25
4.1.1控制对象 26

4.1.2　控制指标 26
4.1.3控制回路的调节 28
4.2 软件设计流程图 28
4.3本章小结 30
5系统调试 31
5.1仿真调试 31
5.2控制软件的调试 31
5.3 数据测试 32
结论 34
参考文献 35
谢辞 37
附录 液位检测的主程序 38

1 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
液位控制系统是以液位为被控制参数的系统，它在工业生产的很多领域都有普遍的应用。在工业生产过程中，有些地方需要对容器内的介质进行液位控制，液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达成所规定的控制精度。液体液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:
1直观而集中显示各运营参数,能显示液位状态。
2在运营中可以随时方便的修改各种各样的运营参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位的上限、下限。
3 具有控制过程的自动化解决以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运营参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性
综合以上的优点可以预见到采用计算机控制系统是行业的大势所趋。单片机是在一块芯片上集成了一片微型计算机所需的CPU、存储器、输入、输出等部件。单片机自问世以来,性能不断提高和完善,体积小、速度快、功耗低的特点使它的应用领域日益广泛。一般,工业控制系统的工作环境差,干扰强,运用单片机控制就能克服这些缺陷,因此单片机在控制领域得到广泛的应用,使用单片机控制液体液位是很好的选择[1] 。
1.2 国内外研究现状
近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡蓄水槽、污水解决厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以容易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。
近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。
在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，并且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的合用范围更加广泛。国外的液位控制器在朝着高精度、智能化等方向快速发展。
在我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的发展水平还是不高，同先进国家的差距很大。国内液位控制器以常规的PID控制器为主，无法合用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。
随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的规定越来越高，特别是高精度、智能化，人性化得液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势 [2] 。
1.3 本系统设计内容
本控制系统以液位作为研究对象。设计一个基于单片机的液位控制系统，其中涉及液位的检测，信号的解决和控制元器件的选型。系统的原理是采用液位式传感器测量液体的液位值,通过单片机的转换与分析在LED上显示及输出控制;根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,需要关闭阀门。

2 液位控制系统总体方案设计
本设计是采用8051单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时, CPU循环检测传感器输出状态,并用3位七段LED显示液位高度,检测液位数据,实行报警安全提醒,当水体液位低于用户设定的值时,系统自动打开泵上水,当水位到达设定值时,系统自动关闭水泵或打开排水泵。

CPU

传感器
A/D转换器

LED显示

报警装置

控制执行装置

图2-1 基于单片机的液位控制系统框图
由图2-1可观测到传感器通过对液面进行测量，输出模拟信号，再通过模数转换器把输入的模拟信号转换成数字信号，通过8051单片机的运算控制，在通过LED进行显示,通过报警装置进行报警,报警显示之后再通过对阀门的启动实现对水体的液位进行调节控制,阀门的驱动设备是电动机 [3] 。
2.1液位控制器系统的必要性及与传统的浮球阀控制系统的比较
水位控制器可以采用水位或时段控制进水（本文采用水位控制）。把浮球阀改成水位控制器，就相称于无形中增大了水厂清水池，对于水厂的均衡生产势必会带来极大好处
1.安全性：
液位控制器智能程控系统采用：低电压（12伏电压），微电流作为控制电源，运用稳定高效的智能集成电路根据各种不同类型功能的给排水工程（如建筑楼宇，住宅社区，地铁隧道，工矿公司等）的不同需求，结合“给排水系统”不同时期水位的变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制“给排水系统”运转的原理进行设计。由于采用独特的多点接触式感应程序，分级分段控制解决水位信息，有效的防止了水池水位过高溢出或缺水，水位过低，断水导致水泵空转损坏。彻底排除了“给排水系统”发生漏电，断水，浸水给人员，设备，环境带来的安全隐患，从而保障给排水系统的安全畅通，保证用电安全。传统的浮球阀控制系统采用220V交流电源作控制电源，运用浮球阀在水中上下浮动不同角度的变化，通过阀内的钢珠推动杠杆，启动内置开关来操控水泵或阀门系统工作。由于受工作环境的影响，浮球阀的电源电缆长期处在阴暗潮湿的地方，在平常清理维护过程中，很容易导致破损，（老鼠也也许导致破坏）；特别是浮球阀长期浸在水中（浮球阀都是由上下两部分粘结合成）一断发生渗漏，破损，即使有少量进水就会导致钢珠生锈，开关等系统失灵，断路，烧毁，甚至也许出现漏电；如此隐患一断发生，轻者导致“给排水系统”失控，水泵烧毁和局部浸水，断水；严重的有也许导致大面积漏电，对人员生命，设备环境将形成极大的威协，后果十分严重！
2.稳定性：
液位控制器智能程控系统采用稳定高效的智能集成电路，根据各种不同功能类型的给排水工程（如住宅楼宇，地下建筑工程 ，地铁隧道，工矿公司等）的不同需求，结合“给排水系统”
不同时段水位的变化，通过多点接触式感应程序，分级分段控制“给排水系统”的运转。由于我们采用独特的多点接触式感应程序，分级分段控制解决水位信息，独立的缺水保护系统功能，有效保证水泵及设备安全；因此整个系统工作状态，不会受到任何环境的影响（感应触点固定，必要时可加上防护罩）时刻保障“给排水系统”及时畅通无阻。传统的浮球阀控制系统（即机械浮球阀其重要用材为：塑料浮球阀，不锈钢浮球阀，铜质浮球阀等）通过浮球阀在水中上下浮动的不同角度，使浮球阀内的钢珠推动杠杆，从而启动内置开关来控制水泵或阀门系统工作。由于受工作环境的影响，浮球阀的浮动容易受到外部环境的干扰（如杂物等），很难准确体现实时的水位信息；此外由于浮球阀是由两部分粘结合成，容易发生渗漏，破裂，即使有少量的积水，都会导致钢珠锈蚀，开关失灵断路，严重的有也许使“给排水系统”失控，相关设备水泵等烧毁导致局部断水或浸水。导致重大经济损失和极坏的社会影响。
3.经济性：
液位控制器智能程控系统由于采用稳定高效的智能集成电路，与目前普遍使用的“给排水系统”的配电，监控管理系统设施能有机的结合，形成配套系统。因此不会影响工程成本。但在管理成本，维修维护费用方面，液位控制器智能程控系统比传统的浮球阀控制系统节省费用90％左右。由此可见液位控制器智能程控系统使用的经济价值远远大于传统的浮球阀控制系统。
2.2 系统硬件总体方案
系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值，并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提醒。用LED显示是由于它具有显示清楚、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否启动和关闭驱动阀门的电动机。本设计重要运用了液位传感器测液位,第三章将着重介绍。

2.3 系统软件总体方案
水位检测是通过四对由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。
本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,并且运用计算机与组态软件技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性重要在于：一方面，通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要.
2.4 本章小结
本章在分析了基于单片机的液位控制系统设计任务后，有针对性的提出了任务的解决方法，给出了系统设计的整体方案。并对系统的各个模块根据其功能做出了合理的划分，并论述它们之间的关系。根据实际设计的具体规定，选择了合理的解决办法。在后面的几章，将对各个模块进行具体的阐述，并给出具体的实现方法。

3 液位控制系统硬件的设计
广泛的液位控制系统涉及对水体的液位，压力等的控制，本系统只侧重于介绍液位的控制。液位控制是运用由高亮二级管和光敏三级管所组成的液位传感器，把液位的状态转换成模拟信号,再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机通过运算控制，输出数字信号，输出接口接LED进行显示,实现液位的报警和键盘的显示与控制 [5] 。
3.1 核心芯片8051单片机
的系列产品有8051、8031、8051。其中影响极为深远就是8051。很多其他系列的单片机都以它的技术为核心,所以本设计所采用核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备,从运用功能上看,CPU其中包含两个部分：运算器和控制器以及对输入信号的分析和解决 [6] 。
控制信号采集、解决、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM，并可以直接控制键盘参数输入、LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。
系统的原理是运用液位式传感器测量液体的液位值,通过单片机的转换与分析，在LED上显示及输出控制。根据当前的液位值以及用户设定的水位决定是否进行开关水泵,以及是否到达危险高、低水位,必要时关闭阀门。
外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。8051单片机引脚功能：
8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10p-30p。此外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。本设计采用外部时钟电路，外接晶振和电容组成振荡器。
输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。
在对单片机设计中，P0口作为程序存储器扩展口，且是扩展并行输入/输出接口的接口，此外也作为模数转换的数据传输口,P2口为程序存储器扩展口的高八位地址总线口，P1口为输入/输出口 [7] 。8051的初始态如表3-1。
特殊功能寄存器
初始态
特殊功能寄存器
初始态
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
07H
00H
TH0
00H
DPL
00H
TL0
00H
IP
xxx00000B
TH1
00H
IE
0x00000B
TL1
00H
TMOD
00H
TCON
00H
SCON
xxxxxxxxB
SBUF
00H
P0-P3
1111111B
PCON
0xxxxxxxB
表3-1 寄存器初始状态

8051的复位方式可以是自动复位见图3-2。此外，RESET/Vpd还是一复用脚， 此设计采用自动复位电路。

3.2 液位传感器
在液体液位控制系统中,传感器的选择是极为重要的,传感器是能感受规定的被测量数据,并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成,它的性能直接影响到整个检测系统,对检测精确度起着重要的作用。
传感器的种类很多,有光学传感器，加速度传感器, 压力传感器，温度传感器,本设计重要采用的是由高亮二级管和光敏三级管所组成的光电传感器来对液位进行控制，再把检测到的电信号通过ADC0809输入单片机进行分析,接着由LED进行显示和键盘控制,实行对液位的报警，进而控制液体液位。
光电检测方法具有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多，传感器的结构简朴，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
本设计采用的是四对高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器，这种液位传感器如图3-3所示：

图3-3 液位传感器
由图3-3可知，液位传感器的重要元件是高亮二极管和光敏三极管,它们都属于光电元件,光电元件重要采用的是光电效应,光电效应分外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。光电效应的原理是PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子、空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增长，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。假如入射光的照度变化，光生电子,空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光电效应的原理就是光电二极管的原理,光敏二极管就把光信号转换成了电信号,它是最简朴的光学元件。而光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度，也是把光信号转化成电信号。
光敏三级管是由高亮二极管进行发光的, 高亮二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它的原理和光敏二极管相似,也是产生光电效应。只但是原理正好相反,当有电流导体内部产生光电流,照射在PN结上,在内部产生光电流,它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。
而本设计的液位传感器的重要组成光敏三级管就是属于模拟式光电传感器。通过吸取高亮二极管的光来测量液位的高度,在转化成光电流传到模拟传感器ADC0809中。

a 光敏三极管的结构示意图 b 基本电路
图3-4 光敏三极管
这样集电极电流IC将随入射光照度的改变而更加明显地变化。
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成,如图3-5光电传感器框图:

图3-5 光电传感器框图
光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，如图3-5所示。图中，Ф1是光源发出的光信号，Ф2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们可以分别导致光源自身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用 [10] 。
3.3 光电式传感器的基本特性
3.3.1光谱特性
在入射光照度一定期，光敏晶体管的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光敏晶体管只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光敏晶体管的光谱特性，见图3-6。
由曲线可以看出，当入射光波长增长时，相对灵敏度要下降，这是由于光子能量太小。当人射光波长太短时，光波穿透能力下降，却不能达成PN结，因此相对灵敏度也下降。
从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9μm左右，锗管的峰值波长为1.5μm左右。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管性能较差。因此在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适 [11] 。

3.3.2 伏安特性
如图3-7所示。在这里改变光照就相称于改变一般三极管的基极电流，从而得到这样一簇曲线。
3.3.3 光电特性
一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增长较小，。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。
3.3.4 温度特性
温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著。因此，光敏晶体管在高照度下工作时，由于亮电流比暗电流大得多，温度的影响相对来说比较小。但在低照度下工作时，由于亮电流较小，暗电流随温度变化就会严重影响输出信号的温度稳定性。在这种情况下，应当选用硅光敏管，这是由于硅管的暗电流要比锗管小几个数量级。同时还可以在电路中采用适当的温度补偿措施，或者将光信号进行调制，对输出的电信号采用交流放大，运用电路中隔直电容的作用，就可以隔断暗电流，消除温度的影响。
3.3.5 频率特性
光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。如图3-6所示。减少负载电阻能提高响应频率，但输出减少。一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。

图3-6光敏晶体管的光谱特性

图3-7 光敏三极管的伏安特性
光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。最后，随着技术的不断发展，光电传感器在价钱方面也可以同其他传感器相比有优势。
3.4 A/D转换器ADC0809
A/D是把模拟信号转换成数字信号,把由传感器传来的液位控制的模拟信号转换成数字信号,然后再通过8051单片机的分析解决进行LED显示和液位及压力的报警。
3.4.1 A／D转换基本原理
A／D转换接口技术是应用系统后向通道典型应用技术之一。它涉及了A/D转换芯片的选择参考电压源的配置、数字输入码与模拟输出电压的极性等问题，而其中最核心的问题是A／D转换芯片的选择与应用问题。
A/D转换器的基本功能是将一个用二进制表达的数字量转换成相应的模拟量。实现这种转换的基本方法是相应于二进制的每一位，产生一个相应的电流，而这个电流的大小正比于相应的二进制位的权。D／A转换器重要由三部分构成，即加权电阻解码网、受输入数字量控制的电子开关组和由运算放大器构成的电流转换器。电子开关组受输入二进制数据D7～DO控制，当某一位为“1”时，则电子开关闭合，基准电压Vin接电阻解码网络，使某一支路电阻上有电流流过。当某一位为“0”时，则电子开关断开，该支路电阻上无电流流过。加权电阻解码网络各支路的电阻值与二进制数据D7～DO的“权”相相应，“权”大的电阻值小，“权”小的电阻值大。因此各支路的电流不仅决定于输入数字量的值(0或1)，还决定于“权”，各支路的电流如下 [12] ：

（3-1）
因此，总电流为Iout：
（3-2）
该总电流经电流转换器后有:
（3-3）
其中
（3-4）

由上述A/D转换公式可知：
当水位达成最高点即2m时，输入数据D7~D0为11111111B
I=Vref/R
I7=I/2^1 I6=I/2^2 I5=I/2^3……………………………………..I0=I/2^8
I01=-I7+I6+I5+I4+I3+I2+I1+I0
=(I/2^8)*(2^7+2^6+2^5+2^4+2^3+2^2+2^1+2^0)
若Rfb=R，则：
V0=-I01*Rfb
=-I01*R
=-((Vref/R)/2^8)*( 2^7+2^6+2^5+2^4+2^3+2^2+2^1+2^0)*R
=-(5/2^8)*( 2^7+2^6+2^5+2^4+2^3+2^2+2^1+2^0)
由式（3-4）看出，尽管使用的网络结构不同，但对于D／A转换器的输入输出来说是等效的。就8位D／A转换器而言，每一数字输入位所代表的输出模拟量是其相邻的2倍，这样就组成二进制数字量到模拟量的转换器。
D／A转换芯片的重要性能指标如下:
1)分辨率。表征D／A转换器对微小输入量的敏感限度，通常用数字量的数位表达，如8位、12位、14位等。分辨率为10位的D／A转换器，表达它可以对满量程的1／1024的增量做出反映。
2)相对精度。在满刻度已校准的前提下，在整个刻度范围内，对于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。通常用偏差几个ISB来表达和该偏差相对满刻度的比例表达。
3)转换时间。数字变化量是满刻度时，达成终值±LSB／2所需要的时间，通常为几十纳秒至几微秒。
4)非线性误差。通常给出在一定温度下的最大非线性度，一般为0.l％～0.03％。
其工作过程是：比较开始时，一方面对二进制计数器(输出锁存器)的最高位置“1”，然后进行转换、比较判断。若模拟输入Uin大于Ui，比较器输出为1，则使输出锁存器的最高位保持为1。然后对较低的位依次按照该办法进行比较和调整，无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。此时D／A转换器的数字输入(输出锁存器内容)即为相应模拟输入信号的数字量。将此数字量输出就完毕了A／D转换过程。这种方法好比用天平称一个物体的重量，第一次放最大的砝码，若不合适，就改放小一号的，依次类推。一旦天平指示砝码太重说明刚才放进去的那个应当取走，显然对于n位的转换器，总共需要反复这种过程n次。
3.4.2 ADC0809转换芯片
本开发系统的A／D转换实验硬件重要是由ADC0809转换芯片和四个可变电位器组成的。ADC0809是8位8通路逐次逼近式A／D转换器，输入电压在(O～5)V，最大不可调误差小±1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、反复性好等优点。ADC0809芯片的引脚图如图3-8所示。由图3-8可看芯片重要是由一个8位A／D转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，一方面通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中档待CPU来取，取后由CPU启动新一次的地址译码，反复以上完毕新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。图3-8为ADC0809芯片的引脚图 [14] 。

图3-8 ADC0809 芯片的引图
ADC0809是带有8位A/D转换器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分可以进行锁存和译码，并且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。
3.5 键盘及显示接口
本设计显示部分采用三位7段LED显示器，LED显示器是单片机应用中最常用的输出部件，它是由若干发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光，不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。用LED是由于它具有显示清楚、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长的特点。
在微型机系统中，LED常用的显示方法有两种。一种是静态显示，一种是动态显示。所谓的静态显示是由单片机一次输出后就能显示后就能保持，直到下次送新的显示模式为止。这种显示占用机少，显示可靠；缺陷是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。这种显示器显示方式的每一个七位显示器需要一个八位输出控制，本设计采用的是静态显示。所谓动态显示就是单片机定期的对显示器进行扫描。这种方法中，显示器件分时工作，每次只能有一个器件显示，但由于人的视觉暂留现象，所以，仍感觉到所有的器件都“同时”显示。这种显示方法的优点是使用硬件少，因而价格低，但占用机时多， 显示。动态显示的亮度与导电电流有关，也与点亮时间和间隔时间比例有关。
键盘是有若干按键组成的开关矩阵，它是最简朴的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，来实现简朴的人机对话。键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。非编码键盘有并行接口扫描和串联接口扫描，本设计采用的是串行接口，它的组成是由移位寄存器74LS164和六个键组成，74LS164是一个14位脚的寄存器，集成电路芯片，由8051串行接口的TXD端输出列扫描信号到74LS164的1、2引脚，键闭合信号则用端口P3.3、P3.4、P3.5输入8051单片机，由8051单片机的TXD引脚输出移位时钟脉冲到74LS164的时针输入端（CLK）。尚有非前者用软件来辨认和产生代码，后者则用键盘来辨认，键盘解决程序实现对键盘的管理，显示具体图3-9。

图3-9 LED显示器
3.6报警电路
当液位控制系统中水体液位达成上限或者下限时，会发出报警，进而控制电磁阀打开或关闭。
下列二种情况发生系统报警。
1)当液位达成上限极限液位时报警，液位到达上限极限液位时系统发出报警；
2)当液位达成下限极限液位时报警，液位到达下限极限液位时系统发出报警。

图3-10报警电路的接线图
数字调节器
D/A
V/I
伺服
放大器
电动调节器
多容对象
液位检测元件
I/V
放大电路
A/D

图1 多容对象液位控制系统结构图
该控制系统由 51 单片机、 D/ A 转换、 V / I 转换、伺服放大器、 电动调节阀、 A/ D 转换、 放大电路、I/ V 转换、 液位检测元件等部分组成. 由 51 单片机给出控制量(数字量) ,经 D/ A 转换将数字量变为模拟量,由 V / I 将电压转换成电流并放大控制电动调节器控制容器里水的流入量. 然后检测液位,将检测量返回送给控制系统,控制系统根据返回的检测量与给定的差值进行调节。
　 控制对象
多容控制对象(以双容对象为例)为一水槽,其结构示意图为图 2
其中 R1 为 1 #水槽的流水阀液阻, R2 为 2 #水槽的流水阀液阻, C1 为 1 #水槽的液容, C2 为 2 #水槽的液容, T1 为 1 #水槽的时间常数, , T2 为 2 #水槽的时间常数,ΔH1 为微变量,ΔH2 为微变量, Kx 为流量阀的流量系数, K为放大系数,τ为进入对象时的纯滞后时间,考虑到输入水流量经一段距离, Kp 为比例系数, Td 为微分时间常数, T为积分时间常数, t为采样周期, 为积分系数; 微分系数。
　控制指标
在多容对象液位变化范围 h = 0 - 100mm内 ,通过选择合适的 PID 参数 ,规定能稳、 准、 快地稳定在所规定的液位上 , 误差不超过 ±013mm ,当发生扰动(正扰动或负扰动) 时,能迅速的恢复到本来所规定的液位值上。
　 控制算法
通过对控制对象分析得
,

消去中间变量后可得微分方程及传递函数

若 T1 = T2 = T ,即多容对象为等容环节,则有

通过实际实验测试,得其动态特性曲线如图 3 所示.