基于单片机的流量控制系统设计—(共23页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上广东环境保护工程职业学院毕 业 设 计（论 文）题目：基于单片机的流量控制系统设计系： 机电工程系 专 业： 机电设备维修与管理 班 级： 13机电设备维修与管理3班 姓 名： 黄启熙 指导教师： 完成时间： 2016年4月17日 专心-专注-专业摘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：    

2、;目录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

3、。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。第一章绪论1.1  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

4、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

5、工程l          交通运输l          生物技术l          科学实验1.3  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

6、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事故，对生产安全和经济效益，有不可估量的实际作用。第二章 工作原理及系统硬件设计2.1  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 硬件构成本系统主要

7、由水泵、流量传感器、电动阀门和MCS-51单片机控制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。    

8、0;      系统硬件结构图如图所示：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

9、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。2.4 流量计的选择本次所选

10、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/sin2×T/(Tup·Tdown)。其中:

11、     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播时间T = Tup Tdown。第三章 软件设计3.1  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

12、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u        主程序部分，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u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

13、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73H77H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

14、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； 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： SHAPE  * 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。第四章 中断服务子程序4.1  设定值输入程序本程序将4位BCD码按千、百、

15、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  

16、 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A/D中断子程序流程图如下所示：程序代码如下：INT0：PUSH   ACC        ；保护现场PUSH   DPH    &

17、#160;   PUSH   DPL        PUSH   PSW        SETB   PSW.3      ；选工作寄存器区1        MOV    DPTR，#0DF01H；读取8155A口数据 

18、       MOVX   A，DPTR        MOV    R2，  A        ANL    A， #0F0H    ；屏蔽低4位        JNZ    N

19、D5          ；        MOV    A，R2        JNB    02H， D51    ；判断是否采样零信号        MOV    

20、C，  ACC.0  ；        MOV    30H，  CMOV    C，  ACC.7              MOV    37H，C          

21、;    AJMP   D14D51：   MOV    C，ACC.0     ；万位和标志位荷重信号缓冲器             MOV    48H，C             MO

22、V    C，ACC.7             MOV    4FH，C             AJMP   D14ND5：  MOV  A，R2         

23、；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

24、0; A， #0FH       ；千位零信号缓冲器            SWAP  A            MOV   25H，A            AJMP 

25、  D14D41： ANL  A，#0FH                   SWAP  A           MOV   28H， A           AJMP

26、     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   R1，  #25H     ；百位零信号缓冲器   

27、;   ANL   A，#0FH      XCHP  A，R1      AJMP  D14D31： MOV   R1，  #28H           ANL   A，#0FH      XCHD  A，R1 

28、60;    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 

29、0;    SWAP  A      MOV   24H，  A      AJMP  D14D21： ANL   A，  #0FH           SWAP  A      MOV   24H，A

30、0;     AJMP  D14ND2： JNB   02H，D11       ；判断是否采样零信号      ANL   A，#0FH        ；个位零信号缓冲器      MOV  R，#24H      X

31、CHD  A，R1      CLR   02H      MOV   DPTR，#0DFF3H  ；启动A/D转换      MOV  A， #30H      MOVX  DPTR，  AADS1：SETB   P1.6      NO

32、P      NOP      CLR   P1.6      AJMP   D14          D11： ANL   A，#0FH      MOV   R1，#27H   

33、0;  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   2

34、EH，28H      MOV   2FH，29H      SETB  03H            ；置一次A/D采样结束标志D14： POP   PSW            ；恢复现场   &

35、#160;       POP   DPL           POP   DPH           POP   ACCRETI4.3  定时器中断子程序定时器T0中断程序流程图如下图所示。程序代码如下：PIT0：  PUSH  

36、0; PSW            ；保护现场        PUSH    ACC        PUSH    DPH        PUSH    DPL  

37、60;     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   &#

38、160;    MOV     10H，#0A0H  ；恢复采样周期计数器初值MOV     11H，  #0FHSETB     0FHCLR          0DHCLR      P3.4MOV      DPTR，  #

39、0DFF3H ；    对零点采样MOV    A，   #00H        MOVX   DPTR，  ASETB     04HSETB     04HT02： JB   01H，   T05      T01  

40、; 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  &#

41、160;         ；使P1.4产生方波MOV    16H，17HT06： POP    DPL               ；恢复现场POP   DPHPOP   ACCPOP   PSWERTI4.4  数码管显示子程序程序流程

42、图如下所示：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     

43、60;  ；截取高4位 MOV  P1，A           ；送1#MC14495 MOV  A，20H          ；20H中数送A SWAP  A               ；低4位送

44、高4位ANL  A，#0F0H         ；去掉低4位 INC  A                 ；A1A0指向2#MC14495 MOV  P1，A            ；送2#MC14

45、495 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   

46、0;        ；送3#MC14495 MOV  A，21H           ；21H中数送A SWAP  A               ；低4位送高4位 ANL  A，#0F0H   &#

47、160;     ；去掉低4位 ADD  A，#03            ；A1A0指向4#MC14495 MOV  P1，A            ；送4#MC14495 RET4.5  步进电机控制程序程序代码如下：ORG  2100H PUSH

48、0; ACC                  ；保护现场 MOV  R4，#N                ；步进马达步进数送R4CLR  C        

49、0;             ；Cy清零ORL  C，PSW.5               ；转向标志状态送CyJC  ROTE                

50、;    ；若为反转，则转ROTEMOV  R0，#20H               ；正转模型始址送R0AJMP  NEXT                  ； 转入NEXTROTE：MOV  R0，#27H &#

51、160;             ；反转模型始址送R0NEXT：MOV  A，R0                ；输出控制模型的值MOV  P1，A             &#

52、160;     ；输出控制脉冲               ACALL  DELAY                ；延时（形成脉宽）           &

53、#160;   INC  R0                       ；准备下个模型指针               MOV  A，#00H   

54、0;            ；判断送完一遍模型值               ORL  A，R0               JZ  TPL    &

55、#160;                  ；若模型结束，则TPL LOOP：DJNZ  R4，NEXT             ；若步进数未走完，则NEXT           

56、;   POP  ACC                   ；恢复现场              RET             

57、;            ：返回TPL：MOV  A，R0                             CLR  C     &

58、#160;    SUBB  A，#06H                          MOV  R0，A                   ；恢复模型始址AJMP  LOOP          &#