1606年，意大利人波尔塔（公元1538—1615年）在他撰写的《灵学三问》中，论述了如何利用蒸汽产生压力，使水槽中的液位升高。还阐述了如何利用水蒸汽的凝结产生吸力，使液位下降。在此之后，1615年，法国斯科，1629年，意大利布兰卡，1654年，德国发明家盖里克，1680年，荷兰物理学家惠更斯，法国物理学家帕潘，随后的英国军事工程师托玛斯·沙弗瑞都先后进行了研究。这些研究仅仅是初步探索阶段，还用不到自动调节。此次我选择的设计题目是《基于单片机的水位控制》。研究对象是生产的全自动水箱液位控制过程，其主要控制芯片C51单片机的控制原理，以及内部控制算法——PID算法的C语言程序。
1. 生产用全自动水箱液位控制过程
生产用全自动水箱液位控制的主要过程是液位传感器对液位的测量、测量信号的A/D转换、转换信号的PID运算、输出信号的放大与D/A转换、控制信号的传输与控制。
1.1 液位的测量
液位的测量一般采用压差式液位传感器，其工作原理是：在一般的圆形水箱的中其 截面圆的面积S是不变的，那么，重量G=△P*S，又有△P=g△h，所以G=g△h*S ，S不变，G与△P成正比关系。即，只要准确地检测出△P值，就能算出高度△h。在温度变化时，虽然液体的体积膨胀或缩小，实际液位升高或降低，所检测的压力是不变的。所以还需引入介质温度补偿。
1.2 测量信号的A/D转换
将测量所得模拟信号转换成数字信号的过程，称为A/D转换。因为单片机所能处理的信号都是数字量信号，而通过液位传感器所检测的信号为模拟量信号。所以，我们必须先将检测的这些模拟信号经A/D转换电路转换为数字量信号，才能进行PID运算。
1.3 转换信号的PID运算
检测信号经A/D转换后成为数字量信号后，便输入主控制芯片C51单片机中。以内部设定的PID算法为基准，对其进行运算处理。
1.4 输出信号的放大与D/A转换
经由单片机运算后得数字信号即为输出信号。所以，输出信号是为数字量信号且很微弱。而能够控制执行装置的却是很强的模拟信号。所以，此时我们必须将输出信号进行放大、D/A转换等处理后，方能变为控制信号。
1.5 控制信号的传输与控制
此时的控制信号为较强的模拟量信号。经过特定线路的传输，送到执行装置，来控制执行装置的相应动作。通过执行装置的动作，来达到我们控制液位的目的。
2. C51单片机的控制原理
MCS-51系列单片机的应用很广泛，是学习单片机技术较好的系统平台，同时也是开发单片微型计算机应用系统的一个重要系列。它集成了中央处理器（CPU）、存储系统（RAM和ROM）、四年股市、计数器、并行接口、串行接口、终端系统及一些特殊功能寄存器（SFR）。它们通过内部总线紧密的联系在一起。它的总体机构仍是通用CPU加上外围的芯片的总线
机构。其工作主要是通过中央处理器的运算部件，对检测信号进行算术逻辑运算。
3. PID算法
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、…）。而课题中，我们采用PID算法中的一种——PID增量算法。其功能有：
3.1 滤波的选择
可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。
3.2 系统的动态过程加速
在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。
由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。
为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|< β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e(t)|>= β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。
3.3 PID增量式算法的饱和作用及其抑制
在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。
纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。
参考文献：
【1】 谢维成，杨加国 《单片机原理与运用及C51程序设计》—— 北京：清华大学出版社，2006
【2】 陈杰，黄鸿 《传感器与检测技术》 ——北京：高等教育出版社，2002.8
【3】 潘立登 《过程控制》 ——北京：机械工业出版社，2008.3
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容