基于单片机的流量控制系统设计—

1、广东环境保护工程职业学院广东环境保护工程职业学院毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）题目：题目：基于单片机的流量控制系统设计基于单片机的流量控制系统设计系：系： 机电工程系机电工程系 专专 业：业： 机电设备维修与管理机电设备维修与管理 班班 级：级： 1313 机电设备维修与管理机电设备维修与管理 3 3 班班 姓姓 名：名： 黄启熙黄启熙 指导教师：指导教师： 完成时间：完成时间： 20162016 年年 4 4 月月 1717 日日 摘摘要要流量是自动化生产过程中重要的过程参数之一。以下采用 AT89C51 单片机,对流量控制系统 的硬件和软件系统进行了设计。传感器采集流量信息,由变

2、换器变换为模拟电信号,并通过 AD 转换器转化成离散信号,传给单片机。控制系统的软件处理信息输出 离散的控制信号,实现对流量的控制。关键词关键词： 单片机 叶片式 霍尔传感器 流量控制3目录目录题目：题目：基于单片机的流量控制系统设计基于单片机的流量控制系统设计 .1摘摘要要.2关键词：关键词： 单片机单片机 叶片式叶片式 霍尔传感器霍尔传感器 流量控制流量控制 .2目录目录.3前言前言.4第一章绪论第一章绪论 .51.1 研究目的、意义及研究内容.61.3 流量计概述 .6第二章第二章 工作原理及系统硬件设计工作原理及系统硬件设计.62.1 系统工作原理.72.2 硬件构成.72.3 流量计

3、的介绍.82.4 流量计的选择.9第三章第三章 软件设计软件设计.103.1 软件设计思路.103.2 主程序设计 .103.3 流量控制子程序.11第四章第四章 中断服务子程序中断服务子程序.134.1 设定值输入程序.134.2 A/D 中断子程序.134.3 定时器中断子程序.164.4 数码管显示子程序.184.5 步进电机控制程序.20总总 结结.22参考文献参考文献.24广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）前言前言4前言前言工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量

4、进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广泛。 【1】在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了的特别关注，因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准确度和可靠性要求特别高。此外，在环境保护领域，流量测量仪表也扮演着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测；废液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进

5、行控制。于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第一章 绪论5第一章绪论第一章绪论1.1 研究目的、意义及研究内容研究目的、意义及研究内容流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标 。流量测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。 本课题的主要研究内容是对流量进行控制，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过 AD 转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的

6、设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。1.2 流量计的应用领域流量计主要用于以下几个领域。l 工业生产过程l 能源计量l 环境保护工程l 交通运输l 生物技术l 科学实验1.3 流量计概述流量计概述所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。用于测量流量的仪表称为流量计，流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一。流量计也成为流量传感器，是一种指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的流速监测装置。主要功能是当流速未达到设定的流速阀值时发出检测信号，经计算机控制，进行报警或启动连锁保护系统，保护关键设备，能够以及时制止在生产中的突发

7、事故，对生产安全和经济效益，有不可估量的实际作用。广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第二章工作原理及系统硬件设计6第二章第二章 工作原理及系统硬件设计工作原理及系统硬件设计2.1 系统工作原理系统工作原理系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD 转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA 转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。2.2 硬件构成硬件构成本系统主要由水泵、流量传感器、电动阀门和 MCS-51 单片机控制

8、系统以及液体管线和控制线、监视线等组成。 系统结构框图如下所示：流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量。本控制系统的任务是对通过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制。本系统采用单片机控制，通过流量计采集流量信息，传给单片机。单片机通过预先设定值和系统软件进行分析，发出相应的控制信号，驱动调节阀动作，从而确定降粘剂的配比与耗量，实现生产过程自动化。 系统硬件结构图如图所示：广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第二章工作原理及系统硬件设计7其中，电磁流量计作为流量传感器，采集流量信息，经放大器放大后送到 AD 转换器。AD 转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量。单片

9、机收到流量信号后，在控制系统软件的作用下，发出相应的执行命令给执行机构步进电机。步进电机带动阀门动作，对流体流量进行控制。2.3 流量计的介绍流量计的介绍工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大致分为：转子流量计，差压式流量计，节流式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。本设计选用的是超声波流量计。目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点。而超声波流量计却克服了这些问题。超声波流量计是近十几年来随着集成电路

10、技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响。广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第二章工作原理及系统硬件设计82.4 流量计的选择流量计的选择本次所选的超声波流量计为北京中元瑞得公司的 ZYF-300.本流量计的优点为：最新计算机技术、IC 技术同步发展的高技术的流量测量仪表，与其它

11、常规类型流量计或其它超声波流量计相比，除具有高精度（达到 0.1）、高可靠性、高性能、价格低廉；内置流量日月年累计器 * 内置上电断电记录器；0.5 秒基本测量周期 * 内部 32 位浮点数据处理；频率信号输出 * 40 皮秒时间测量分辨率；测量周期为 500ms 等。此流量计的工作原理为:当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下面表达式：V=MD/sin2T/(TupTdown)。其中: 为声束与液体流动方向的夹角 M 为声束在液体的直线传播次数D 为管道内径Tup 为声束在正方向上的传播时间Tdown 为声束在逆方向上的传

12、播时间T = Tup Tdown。广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第三章 软件设计9第三章第三章 软件设计软件设计3.1 软件设计思路软件设计思路该控制系统的软件设计可以分为三部分：1.主程序部分：该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调用各个子程序，完成主要的控制功能。2.流量控制程序：通过 PID 控制算法，编写出相应的流量控制子程序，实现对流量的控制，达到预期的控制要求；3.各子程序：各个子程序完成具体的实现方法，主要包括：设定值输入、数码管显示、步进电机控制、AD 转换中断、T0 定时器中断、采样中断等。软件流程图如下：3.2 主程序设计主程序设计u 主程序部分，

13、主要完成存储器分配、系统初始化和系统整体控制等，并通过调用各子程序段，实现软件的总体设计功能。主程序流程图广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第三章 软件设计10u 初始化：系统初始化程序的功能是对 8155 和 89C51 进行初始化，使 D/A 输出为 0，步进电机处于停机状态，将 RAM 中的标志位和工作单元置为初始状态，提示符 CPUREADY 写入缓冲器。更新显示器子程序的功能是将显示缓冲器的内容，分别转化为段数据，输出到 8155。显示器 012 的显示数据缓冲器分别为 73H7FH 单元。当系统处于停机状态时，显示器 04 显示参数，显示器 57 显示参数地址，所以 73H7

14、7H 作为数据缓冲器，78H7AH 作为地址缓冲器，在运行状态时，73H77H 作为瞬时流量缓冲器，78H7FH 作为累计流量缓冲器。初始化程序的流程如图所示：3.3 流量控制子程序流量控制子程序在流量测试的基础上，把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比较计算出误差，采用数字 PID 调节算法，计算输出到 AD0809 的变量 Uio 增量式 PID 控制算法的计算公式为式中：ei 为本次实际测得的流量和设定值之差；广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第三章 软件设计11 SHAPE * MERGEFORMAT P 为比例系数；I 为积分系数；D 为微分系数；输出控制变量表达式为： S

15、HAPE * MERGEFORMAT 程序的入口参数：偏差 ek、ek-1、ek-2、测量值 y、给定值 r。这 5 个参数均为 3 字节的浮点数，分别将它们存放在 RAM 单元中。低字节存放浮点数的阶数和符号，其中符号存放在最高位，阶数以补码的形式存放在另 7 位中。尾数以原码的形式存放在另 2 个字节中。广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序12第四章第四章 中断服务子程序中断服务子程序4.1 设定值输入程序设定值输入程序本程序将 4 位 BCD 码按千、百、十、个依次存放在 89C51 片内 RAM 的 30H33H单元中，每个地址单元的高 4 位为 0，低 4

16、位为 BCD 码。 程序代码如下：RDS：MOV R0，#30H；初始化，存放单元首址MOV R2，#7FH；P1 口高 4 位置控制字及低 4 位置输入方式MOV R3，#04H；读入 4 个 BCD 码MOV A，R2LOOP：MOV P1，A；P1 口送控制字及低 4 位置输入方式MOV A，P1；读如 BCD 码ANL A，#0FH；屏蔽高 4 位MOV R0，A；送入存储单元INC R0；指向下个存储单元MOV A，R2；准备下一片拨盘的控制端置 0RR A；MOV R2，A；DJNZ R3，LOOP；未读完返回RET；读完结束4.2 A/D 中断子程序中断子程序A/D 中断子程序流

17、程图如下所示：广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序13程序代码如下：INT0：PUSH ACC ；保护现场PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW SETB PSW.3 ；选工作寄存器区 1 MOV DPTR，#0DF01H；读取 8155A 口数据 MOVX A，DPTR MOV R2， A ANL A， #0F0H ；屏蔽低 4 位 JNZ ND5 ； MOV A，R2 JNB 02H， D51 ；判断是否采样零信号 MOV C， ACC.0 ； MOV 30H， CMOV C， ACC.7 MOV 37H，C AJMP D14D51： MOV C，A

18、CC.0 ；万位和标志位荷重信号缓冲器广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序14 MOV 48H，C MOV C，ACC.7 MOV 4FH，C AJMP D14ND5： MOV A，R2 ；判断是否读出千位 JNB ACC.7,ND4 JNB 02H，D41 ；判断是否采样零信号 ANL A， #0FH ；千位零信号缓冲器 SWAP A MOV 25H，A AJMP D14D41： ANL A，#0FH SWAP A MOV 28H， A AJMP D14ND4： JNB ACC.6， ND3 ；判断是否读出百位 JNB 02H，D31 ；判断是否采样零信号 MOV

19、R1， #25H ；百位零信号缓冲器 ANL A，#0FH XCHP A，R1 AJMP D14D31： MOV R1， #28H ANL A，#0FH XCHD A，R1 AJMP D14ND3： JNB ACC.5， ND2 ；判断是否读出十位 JNB 02H， D21 ；判断是否采样信号 ANL A， #0FH ；十位零信号缓冲器 SWAP A MOV 24H， A AJMP D14D21： ANL A， #0FH SWAP A MOV 24H，A AJMP D14ND2： JNB 02H，D11 ；判断是否采样零信号广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序15 A

20、NL A，#0FH ；个位零信号缓冲器 MOV R，#24H XCHD A，R1 CLR 02H MOV DPTR，#0DFF3H ；启动 A/D 转换 MOV A， #30H MOVX DPTR， AADS1：SETB P1.6 NOP NOP CLR P1.6 AJMP D14 D11： ANL A，#0FH MOV R1，#27H XCHD A，R1 MOV 2AH，24H ； 采样数据送处理缓冲器 MOV 2BH，25H MOV 2CH，26HMOV 2DH，27H MOV 2EH，28H MOV 2FH，29H SETB 03H ；置一次 A/D 采样结束标志D14： POP PSW

21、 ；恢复现场 POP DPL POP DPH POP ACCRETI4.3 定时器中断子程序定时器中断子程序定时器 T0 中断程序流程图如下图所示。广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序16程序代码如下：广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序17PIT0： PUSH PSW ；保护现场 PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL JNB 00H， T01 ；允许采样否？ DJNZ 10H， T02 ；采样周期计数器减 1，不为 1 转 T02 DJNZ 11H，T02 MOV 10H，#0A0H ；恢复采样周期计数器初值MOV 11H，

22、 #0FHSETB 0FHCLR 0DHCLR P3.4MOV DPTR， #0DFF3H ； 对零点采样MOV A， #00H MOVX DPTR， ASETB 04HSETB 04HT02： JB 01H， T05 T01 SETB P1.7 NOPCLR P1.7T05：CLR P1.6DJNZ 16H， T06 ；调试用脉冲周期计数器减 1CPL P1.4 ；使 P1.4 产生方波MOV 16H，17HT06： POP DPL ；恢复现场POP DPHPOP ACCPOP PSWERTI4.4 数码管显示子程序数码管显示子程序程序流程图如下所示：广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）

23、第四章 中断服务子程序18在单片机内部 RAM 的 20H 和 21H 单元中有四位十六进制数(20H 中为高两位)，以下是将其自左到右显示出来的程序。 程序代码如下：ORG 2000HSDIAPLAY：MOV A，20H ；20H 中数送 A ANL A，#0F0H ；截取高 4 位 MOV P1，A ；送 1#MC14495广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序19 MOV A，20H ；20H 中数送 A SWAP A ；低 4 位送高 4 位ANL A，#0F0H ；去掉低 4 位 INC A ；A1A0 指向 2#MC14495 MOV P1，A ；送 2#M

24、C14495 MOV A，21H ；21H 中数送 AANL A，#0F0H ；截取高 4 位 ADD A，#02H ；A1A0 指向 3#MC14495 MOV P1，A ；送 3#MC14495 MOV A，21H ；21H 中数送 A SWAP A ；低 4 位送高 4 位 ANL A，#0F0H ；去掉低 4 位 ADD A，#03 ；A1A0 指向 4#MC14495 MOV P1，A ；送 4#MC14495 RET4.5 步进电机控制程序步进电机控制程序程序代码如下：ORG 2100H PUSH ACC ；保护现场 MOV R4，#N ；步进马达步进数送 R4CLR C ；Cy

25、清零ORL C，PSW.5 ；转向标志状态送 CyJC ROTE ；若为反转，则转 ROTEMOV R0，#20H ；正转模型始址送 R0AJMP NEXT ； 转入 NEXTROTE：MOV R0，#27H ；反转模型始址送 R0NEXT：MOV A，R0 ；输出控制模型的值MOV P1，A ；输出控制脉冲 ACALL DELAY ；延时（形成脉宽） INC R0 ；准备下个模型指针 MOV A，#00H ；判断送完一遍模型值 ORL A，R0 JZ TPL ；若模型结束，则 TPL LOOP：DJNZ R4，NEXT ；若步进数未走完，则 NEXT广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第

26、四章 中断服务子程序20 POP ACC ；恢复现场 RET ：返回TPL：MOV A，R0 CLR C SUBB A，#06H MOV R0，A ；恢复模型始址AJMP LOOP ；判断步进马达步数走完？DELAY：MOV R2，#M1 ；延时DELAY1：MOV R2，#M2DELAY2：DEC A JNZ DELAY2DJNZ R2，DELAY1RETEND上述控制程序是利用程序延时来控制电机的通电时间（即形成控制脉冲）以达到正转、反转、启动和停止的。这种控制的缺点是 CPU 因执行延时程序而降低了效率。为了提高 CPU 的使用效率，常常也可采用单片机内部定时/计数器编制上述程序。广东环

27、境保护工程职业学院毕业论文（设计）总结21总总 结结随着毕业设计的结束，我的大学生涯也将随之要划上一个句号了。在设计的这段日子里，又学到了很多东西，突然觉得自己做什么事情都特别的认真了起来，也许是以前从未认真做过一件事吧。每天守着一大堆资料，随时还要上网查询，有时为了查一个数据就要耗去近一个小时的时间，证实了却又感到莫名地兴奋与愉悦。整个设计过程都是那么的紧张、严紧。偶然间就回到了过去的学习深处，也就是在那里留下了我些许的遗憾和欣慰。遗憾里有后悔，有痛恨，曾经是那么的无知。欣慰的是事过境迁，深刻地认识了自己，一切改过还来的及。顺利如期的完成本次设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本

28、专业的发展前景充满信心，无论给水系统还是排水系统，我都采用了一些新的技术和设备他们有着很多的优越性但也存在一定的不足这些不足在一定程度上限制了我们的创造力，这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，本设计在王老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择到具体构思和内容，无不凝聚着老师的心血和汗水，在三年的专科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。到一个多月后，就是我要离开大学殿堂的时候了，收获的季节，我却并没有看累累硕果，但我会带着一颗火热而年轻的心上路，去寻找属于我的那方热土，奉献我的热血予需要我帮助的人，这也算是我今后的人生方向吧！致 谢大学三年学习时光已接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、我的