AT89C52單片機的液位檢測系統

隨著(zhù)現代測量技術(shù)的發(fā)展，對測量系統提出了越來(lái)越高的要求。在自動(dòng)蒸餾測控系統中，準確及時(shí)地檢測出蒸餾過(guò)程中從冷凝管餾出的第一滴液滴是獲取初餾點(diǎn)的前提;實(shí)時(shí)、準確地測量出量筒中回收液體體積的變化是控制蒸餾過(guò)程中不同時(shí)段不同蒸餾速度的依據。而目前擔負著(zhù)對冷凝管餾出的液滴進(jìn)行檢測、回收、計量、測速等任務(wù)的完成有諸多不盡人意的地方，需要更加完善、合理的液滴、液位檢測跟蹤控制系統。

從液位測量的方法看，按檢測器與液體接觸與否分為兩大類(lèi)：一是接觸式測量，二是非接觸式測量。當需要通過(guò)測量液位變化確定體積變化時(shí)，一般采用非接觸式測量方法。但在大多數非接觸式測量中，液位傳感器測試范圍較大，絕對分辨率均大于0.5ml，因而在體積變化范圍為0-100ml，液位變化范圍為0-200mm時(shí)，要達到0.1ml的分辨率，普通的傳感器就難以滿(mǎn)足要求。為此，需要研制一種測量普通100ml玻璃量筒中液體體積實(shí)時(shí)變化的高精度液位檢測系統。

針對以上所存在的問(wèn)題，本文介紹了一種以AT89C52單片機為核心的液位檢測系統，實(shí)現了對變化的液位進(jìn)行高精度體積測量的目的。

一、 積測量原理

由于量筒的容積

是確定的，且制作均勻，那么一定體積的液體在量筒內對應的高度也是一定的。傳感器與螺桿是相互耦合的，螺桿的頂端與步進(jìn)電機的中軸是直接相連的，步進(jìn)電機每走一步，螺桿就跟著(zhù)轉一個(gè)小角度。因此，在電機步距和螺桿螺距一定的情況下，量筒的單位高度與電機步數成正比關(guān)系。于是，可將量筒內液體的體積直接轉換成電機的步進(jìn)數，即電機每走一步所代表的液體的體積是多少毫升。

體積測量示意圖如圖1所示。為了確定電機的步進(jìn)數與確定量筒內液體的體積毫升數之間的換算關(guān)系，我們需要對此系統進(jìn)行校準，具體校準的方法是：

1. 測量體積為10ml液體的電機步進(jìn)數，將其值設為L(cháng)1;

2. 測量體積為100ml液體的電機步進(jìn)數，將其值設為L(cháng)2;

根據以上步驟記錄的數據，計算出電機每走一步所代表的體積毫升數，將其值設為T(mén)，則有如下的計算公式：T=90/(L2-L1)。這樣就可以很方便地計算出跟蹤器所跟蹤的液體體積。

二、 硬件電路組成及原理

本系統的基本組成是：紅外光電傳感器、輸入電路、時(shí)鐘電路、復位電路、顯示電路、步進(jìn)電機及驅動(dòng)電路、單片機實(shí)時(shí)處理與控制電路等。

其基本的工作原理是：紅外光電傳感器檢測到的各種信號，經(jīng)過(guò)信號處理電路后，把光信號轉換成了電信號，同時(shí)把電信號送給單片機進(jìn)行判斷和計算處理后，再發(fā)出控制指令，控制步進(jìn)電機工作，完成對變化液位的檢測與跟蹤。

該硬件電路原理框圖如圖2所示：

1、紅外光電傳感器

紅外光電傳感器是由紅外發(fā)射二極管和敏感三極管組成，紅外發(fā)射二極管發(fā)出的紅外光的波長(cháng)和敏感三極管的受光波長(cháng)相同或相近。當發(fā)射管和接受管之間沒(méi)有障礙物時(shí)，敏感三極管由于收到紅外光信號而導通，電路輸出電平為低電平;當發(fā)射管和接受管之間有障礙物擋住時(shí)，敏感三極管由于收不到紅外光信號而截止，電路輸出電平為高電平。

該系統中，對量筒中的液體表面的檢測基本上是利用散射原理，在玻璃量筒中液體表面處的液體會(huì )發(fā)生外延現象或吸附現象而形成一個(gè)環(huán)形曲面，這個(gè)曲面正好供我們檢測用。它是由一對紅外光電對管組成的，在玻璃量筒中液體表面處的液體會(huì )發(fā)生外延現象或吸附現象而形成一個(gè)環(huán)形曲面,由于散射作用，接收管接收不到發(fā)射管的紅外光信號而截止，電路輸出電平為高電平。因此,可以利用其輸出電平的高低來(lái)檢測液面的位置，其輸出信號再通過(guò)電纜輸出到單片機接口電路和顯示驅動(dòng)電路進(jìn)行處理。為了適應本系統的特殊要求，我們將紅外發(fā)射、接受管分別裝在U形板的兩邊，兩管距離大于玻璃量筒的直徑。為了減少外來(lái)自然光的干擾，在兩管的發(fā)射、接受頭安裝有一定深度的導光孔槽，它一方面減少了外來(lái)光的干擾，另一方面可以限制光束直徑，以利于提高檢測分辨率。

2、步進(jìn)電機及驅動(dòng)電路

在步進(jìn)電機工作中，其電源大多是采用單極性直流電，通過(guò)對步進(jìn)電機的各相繞組按恰當的時(shí)序方式通電，就可使其執行步進(jìn)轉動(dòng)。本系統所用電機為四相電機，當兩相繞組通電時(shí)，相應的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉子形成磁路。在磁場(chǎng)的作用下，轉子將轉動(dòng)一定的角度，使轉子齒與定子齒對齊，從而使步進(jìn)電機向前“走”一步。因此，控制電機轉動(dòng)主要是按照電機轉動(dòng)方向的要求,由單片機順序地輸出相應的控制信號即可。

下面以正轉為例進(jìn)行說(shuō)明，正轉時(shí)，要求按ABCDA的順序依次輸出寬為8ms的正脈沖，且兩脈沖之間有一小延時(shí)。由此可以往8255的PC0～PC3口依次輸出1000、0100、0010、0001、1000等一系列的信號，每一個(gè)高電平保持8ms,輸出時(shí)間間隔為1ms，即可滿(mǎn)足控制需要。同理，也可以控制電機反轉，只是輸出信號的順序相反。于是在寄存器中的初始控制字可設為00010001B(即11H)，電機每走一步，則對此寄存器的內容向左(正轉)或向右(反轉)循環(huán)移一位，然后取出此寄存器的內容并輸出，就可以完成對電機的控制。

3、單片機實(shí)時(shí)處理及控制

針對本課題而言，硬件電路應該盡量的簡(jiǎn)單，部分能用軟件實(shí)現電路盡可能的不用硬件電路，以此來(lái)達到產(chǎn)品的小型化、價(jià)格低、性能可靠的目的。在選擇單片機時(shí)也應充分考慮其便利和實(shí)用，8031單片機最大缺點(diǎn)是需要外接EPROM，電路復雜，而且EPROM還是用紫外線(xiàn)進(jìn)行擦除的，使用起來(lái)很不方便。在經(jīng)過(guò)廣泛的比較之后，確定采用ATMEL 公司的AT89C52 FLASH單片機。它不僅具有8031單片機的一切功能，還有許多功能是8031所沒(méi)有的。其內部帶有8KB可多次擦寫(xiě)的FLASH內部程序存儲器，可用電擦除，十分方便。

AT89C52單片機主要有以下一些特點(diǎn)：

(1)、與MCS-51產(chǎn)品兼容;

(2)、具有8KB可改寫(xiě)的FLASH內部程序存儲器，可進(jìn)行1000次擦/寫(xiě)操作;

(3)、全靜態(tài)操作：0Hz到24MHz;

(4)、三級程序存儲器加密;

(5)、256字節內部RAM;

(6)、32條可編程I/O線(xiàn);

(7)、3個(gè)16位定時(shí)/計數器;

(8)、8個(gè)中斷源;

(9)、可編程串行口;

(10)、低功耗空閑和掉電方式。

單片機實(shí)時(shí)處理及控制部分的主要功能是接收來(lái)自紅外光電傳感器轉換過(guò)的電信號，同時(shí)接收輸入電路送來(lái)的狀態(tài)信息，經(jīng)過(guò)判斷計算后，一方面發(fā)出控制指令，控制電機的運轉，進(jìn)行液位的檢測與跟蹤;另一方面送出所需要的數據，進(jìn)行數據的顯示和狀態(tài)指示。因此，這一部分是本系統的關(guān)鍵部分，它的性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統的性能好壞。具體硬件電路是以AT89C52單片機為核心，通過(guò)擴展并口8255來(lái)實(shí)現的，其電路如圖3所示。

由圖3可以看出，鍵入電路與AT89C52的P1口相連，接收所鍵入的狀態(tài)信息并送單片機。液位信號直接送P3.0口，在自動(dòng)跟蹤時(shí)，單片機對P3.0口不斷地查詢(xún)，一有信號就進(jìn)行判斷處理。液滴信號與P3.2口(即INT0中斷引腳)相連，由于液滴的檢測是隨時(shí)的，因此需要用中斷來(lái)控制，當液滴信號一來(lái)中斷便響應，記錄下液滴數。上、下限位信號分別接P3.4、P3.5口，在運行中，一但出現了上、下限位信號時(shí)，說(shuō)明已超出了預定的運行范圍，單片機收到信號后，發(fā)出控制指令，停止電機的轉動(dòng)。其它一些如顯示、電機驅動(dòng)等控制信號的發(fā)出由總線(xiàn)分時(shí)送8255，完成預定的任務(wù)。

8255的片選信號/CS及口地址選擇線(xiàn)A0和A1分別由AT89C52的P2.7和P0.0、P0.1經(jīng)地址鎖存后提供，故8255的A口、B口、C口及控制口地址分別為7FFCH、7FFDH、7FFEH和7FFFH。8255的D0～D7分別與AT89C52的P0.0～P0.7相連，其/RD、/WR與AT89C52的/RD、/WR一一對應相接。

三、 軟件設計

系統軟件是整個(gè)系統的重要組成部分，只有在它的指揮控制下硬件電路才能進(jìn)行工作，完成相應的功能，而且部分硬件電路的缺陷還可以通過(guò)軟件編程加以彌補。根據系統的功能要求，軟件是用MCS-96匯編語(yǔ)言，采用模塊化結構，由主程序、自動(dòng)檢測跟蹤子程序、校準子程序、顯示子程序等組成。在本系統中，高精度測量的實(shí)現在很大程度上是由軟件來(lái)保證的。

主程序包括系統參數初始化和循環(huán)工作過(guò)程，是本系統中軟件部分的核心。它主要完成的任務(wù)是：首先，對單片機狀態(tài)參量和程序自定義的狀態(tài)參量進(jìn)行系統初始化;其次，對各子程序進(jìn)行管理和控制，安排相應的指令，提供子程序的入口數據，以達到完成系統功能的目的。

液位自動(dòng)檢測跟蹤子程序的功能是控制液位跟蹤器以底液液面為起始位置，連續地跟蹤液面的變化，并換算出實(shí)際的液體體積值，實(shí)時(shí)地進(jìn)行顯示。其執行步驟是：首先，紅外光電傳感器自動(dòng)檢測到液位，并設此液位為跟蹤的底液面，顯示為“0”。然后，進(jìn)入實(shí)時(shí)跟蹤狀態(tài)，只要液位有變化(上升)，檢測器便會(huì )自動(dòng)跟蹤，實(shí)時(shí)顯示所跟液體的體積，直到液位不再變化為止。

校準子程序是在每次更換量筒時(shí)進(jìn)行的，目的是找出量筒內液體的體積與電機的步進(jìn)數之間的對應關(guān)系，然后送給單片機，進(jìn)行體積計算時(shí)就有了新的標準，以此來(lái)提高測量精度。

四、結束語(yǔ)

采用AT89C52單片機實(shí)現的液位檢測系統在標準100ml玻璃量筒中，液位變化范圍在0-200mm時(shí)，能達到0.1ml的分辨率。實(shí)踐證明，本液位檢測系統性能價(jià)格比高、控制方式可靠，其設計思路和方法可以為自動(dòng)蒸餾測控系統所借鑒，具有廣闊的應用前景。