电气工程综合设计终极版(储液罐液位计算机控制系统设计)

1、电气工程及其自动化专业综合设计 PAGE 23电气工程及其自动化专业综合设计(论文)储液罐液位计算机控制系统设计THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF THE STORAGE TANK LIQUID LEVEL COMPUTER学生姓名学生学号学院名称信电工程学院专业名称电气工程及其自动化指导教师2014年12月29日摘要本储水罐液位控制系统设计基于MCS51单片机系统而设计的，利用单片机强大的功能和方便通信接口，实现水位检测、电机速度控制，采用PI调节误差，进一步对液位控制系统优化。本设计还采用了液体压力传感器来对液位的信号采集，利用数码管来进行信号的输出显示,我设计

2、的硬件系统的结构简化,系统精度高，具有良好的人机交互功能,并设有液位报警灯，有问题立即就能发现，减小损失。通过自动调节控制液位并实现液体的液位报警。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。采用单片机设计出的工业液位控制器，能够针对液位的不同状态和不同外界条件进行控制,液位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业液体液位方面作业的稳定运行。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点,且系统硬、软件维护简单方便。关键词 单片机；液位；控制；报警目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc407

3、653009 1 绪论 PAGEREF _Toc407653009 h 1 HYPERLINK l _Toc407653010 1.1 题目说明 PAGEREF _Toc407653010 h 1 HYPERLINK l _Toc407653011 1.2设计要求 PAGEREF _Toc407653011 h 1 HYPERLINK l _Toc407653012 2 控制系统结构框图与工作原理 PAGEREF _Toc407653012 h 2 HYPERLINK l _Toc407653013 2.1系统结构框图 PAGEREF _Toc407653013 h 2 HYPERLINK l

4、 _Toc407653014 2.2 工作原理 PAGEREF _Toc407653014 h 2 HYPERLINK l _Toc407653015 3 控制系统数学模型与总体控制方案 PAGEREF _Toc407653015 h 3 HYPERLINK l _Toc407653016 3.1储水槽数学模型 PAGEREF _Toc407653016 h 3 HYPERLINK l _Toc407653017 3.2 D/A转换器的数学模型 PAGEREF _Toc407653017 h 4 HYPERLINK l _Toc407653018 3.3系统传递函数结构框图 PAGEREF _

5、Toc407653018 h 4 HYPERLINK l _Toc407653019 3.4系统总体方案 PAGEREF _Toc407653019 h 5 HYPERLINK l _Toc407653020 4 传感器与执行机构的选型设计 PAGEREF _Toc407653020 h 6 HYPERLINK l _Toc407653021 4.1液位传感器的选型 PAGEREF _Toc407653021 h 6 HYPERLINK l _Toc407653022 4.1.1液位传感器简介 PAGEREF _Toc407653022 h 6 HYPERLINK l _Toc40765302

6、3 4.1.2液位传感器工作原理 PAGEREF _Toc407653023 h 6 HYPERLINK l _Toc407653024 4.1.3液位传感器选型 PAGEREF _Toc407653024 h 6 HYPERLINK l _Toc407653025 4.2水泵选型 PAGEREF _Toc407653025 h 7 HYPERLINK l _Toc407653026 5 控制器与硬件电路的设计 PAGEREF _Toc407653026 h 8 HYPERLINK l _Toc407653027 5.1控制器总体方案设计 PAGEREF _Toc407653027 h 8 H

7、YPERLINK l _Toc407653028 5.2硬件电路的设计 PAGEREF _Toc407653028 h 8 HYPERLINK l _Toc407653029 5.2.1自动报警电路 PAGEREF _Toc407653029 h 8 HYPERLINK l _Toc407653030 5.2.2振荡电路 PAGEREF _Toc407653030 h 9 HYPERLINK l _Toc407653031 5.2.3复位电路 PAGEREF _Toc407653031 h 9 HYPERLINK l _Toc407653032 5.2.4数码管显示电路 PAGEREF _To

8、c407653032 h 9 HYPERLINK l _Toc407653033 5.2.5 A/D转换电路 PAGEREF _Toc407653033 h 10 HYPERLINK l _Toc407653034 5.2.6电机驱动电路 PAGEREF _Toc407653034 h 11 HYPERLINK l _Toc407653035 6 软件设计 PAGEREF _Toc407653035 h 13 HYPERLINK l _Toc407653036 6.1 PI算法 PAGEREF _Toc407653036 h 13 HYPERLINK l _Toc407653037 6.2软件

9、设计流程图 PAGEREF _Toc407653037 h 14 HYPERLINK l _Toc407653038 6.3软件主函数设计 PAGEREF _Toc407653038 h 15 HYPERLINK l _Toc407653039 结论 PAGEREF _Toc407653039 h 16 HYPERLINK l _Toc407653040 致谢 PAGEREF _Toc407653040 h 17 HYPERLINK l _Toc407653041 参考文献 PAGEREF _Toc407653041 h 18 HYPERLINK l _Toc407653042 附录 PAGE

10、REF _Toc407653042 h 19 HYPERLINK l _Toc407653043 附录1 PAGEREF _Toc407653043 h 19 HYPERLINK l _Toc407653044 附录2 PAGEREF _Toc407653044 h 221 绪论1.1 设计说明被控系统为一储水罐。系统如图1-1所示，储水罐内为清水，下部设有出水管，流量记为Q2。储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内，流量记为Q1，清水池内的水位可视为固定值2米（即在储水罐补水过程中液位不变化）。已知储水罐的截面积A=1平方米，高度H=2米，要求控制目标液位高度为1米。图1-1 储液罐系统图1

11、.2设计要求1要求控制系统调节时间ts2分钟，超调量10%。2 设计人机接口实时显示。2 控制系统结构框图与工作原理2.1系统结构框图图2-1系统结构框图图2-1中的控制器为PID控制器，其功能由计算计算机实现。计算机有强大的运算，逻辑判断和记忆功能。当给初始量和反馈量后，依照偏差值进行PID控制算法的运算，计算结果经DA转换器转换为模拟信号传送给执行机构完成对系统的控制。2.2 工作原理如图1-1所示打开电源水泵工作，将水抽入储水罐中，进水流量为Q1, 水槽液位高度上升，水槽底部有出水槽，水以流量Q2的速度流出。水槽中有一个液位控制器测量液位懂的高度，液位传感器将液位高度经AD转换器传至计算

12、机与给定液位高度比较得到偏差，经控制算法计算出相应的控制值，控制信号经DA转换器转换为模拟信号控制水泵抽水，从而达到给定的高度。液位检测是通过四对由高亮度发光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。当水位到达某一光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出高电平；当水位低于此光敏三极管的位置时，其输出端口就向单片机输出低电平。由上至下的第一个位置为水位上限报警线，即当水位高于此位置时，开水阀控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀有可能出故障；第二个位置是自动停止加水

13、线，即当水位高于此位置时，控制系统会自动关闭加水电磁阀，停止加水；第三个位置是自动加水线，即当水位低于此位置时，控制系统会自动接通加水电磁阀，开始加水；第四个位置是水位下限报警线，即当水位低于此位置时，控制系统就会自动报警，提醒工作人员注意，加水电磁阀可能出故障。 3 控制系统数学模型与总体控制方案3.1储水槽数学模型储水罐流入量与流出量之差可用式3-1表示 式（3-1）式中 表示输入水流量的增量； 表示输出水流量的增量； 表示储水罐液体贮存量； 表示储水罐横截面面积； 表示储水罐液位高度的增量；输出水量增量可由式3-2表示 式（3-2）式中 表示流量系数； 表示出水管的开度变化；2gh流出量

14、与液位高度的关系式为A002ghA00Q 式（3-3） 将式（3-2）和式（3-3）带入式3-2可得 式（3-4）式中 RRKKU对式3-4两端进行拉式变换得到储水罐的传递函数为 式（3-5） 由条件已知 ；假设： ； ;则 式（3-6）3.2 D/A转换器的数学模型D/A转换器把离散数字信号转换为连续模拟信号，D/A转换过程可以用零阶保持器取代，查阅相关资料得到零阶保持器的传递函数为： 式（3-7）将该传递函数近似实现： 式（3-8） 式（3-9）3.3系统传递函数结构框图 图3-1系统传递函数结构框图注：式中的符号T,K1,K2,K3将在硬件选择这一部分中确定。3.4系统总体方案在液位控制

15、系统的设计中采用以AT89C51单片机为核心，数据采集用8位ADC0809，输出控制数据采用8位D/A转换芯片DAC0832用来把计算机结果转换为相应模拟信号再通过放大器把电流转换为电压信号控制水泵，达到对液位的控制。 4 传感器与执行机构的选型设计4.1液位传感器的选型4.1.1液位传感器简介液位传感器是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感原件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为420mA15vDC）。静压投入式液位变送器精巧的结构，简单的

16、调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。4.1.2液位传感器工作原理用静压测量原理：当液位HYPERLINK /view/266970.htm变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为 = .g.H +P0式（4-1）式中： P ：变送器迎液面所受压力； ：被测液体密度 ； g ：当地重力加速度 ； P0 ：液面上大气压 ； H ：变送器投入液体的深度；通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 P0 与传感器的负压腔连，以抵消传感器背面的 P0 使传感器测得压力为： .

17、g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。4.1.3液位传感器选型根据设计要求液位目标高度为1m，故传感器量程不能选择太大，精度要高。 查阅相关资料选择URS-100投入式液位变送器结构原理：URS-100系列静压式液位计变送器是通过测量液体高度而产生的静压力来测定液体液位的。当把液位变送器的传感器部分投入到液体介质中时，传感器把液体的静压转换为电压信号，该电压信号经放大后转化成420mADC标准电流信号输出。主要技术参数:测量范围：01m；0100m输出信号：420mADC二线制精确度：0.2级，可提供0.1级介质温度：-40100环境温度：-3080环境温度影响：在温度外偿

18、范围内，零位变化量0.3%/10 量程变化量: 0.2%/10电源电压:24VDC,按负载特性,电源电压可达1240VDC电源电压影响：在规定的电压范围内，输出变换量0.01%/1V射频干扰影响：当变送器正常安装及罩壳盖紧时，对射频频率为271000MHz之间和场强30V/m的干扰，输出变化量0.1%长期稳定性：0.3%(6个月)防爆标志：本安型：Exib CT4T6隔爆型：Exd BT4外壳防爆等级：IP65连接形式：URS-100型-法兰安装：DN50 PN1.0凸面法兰标准：HG20598-97支架安装，卫生快装卡箍：DN50URS-100S型-螺纹安装：G3/44.2水泵选型根据设计要

19、求控制系统调节时间ts2分钟，水泵的选型要考虑调节时间的限制。由于储水槽到达液位高度时水槽中水的容量为1000L.查阅相关资料选择WKA1300型水泵，参数如下： 表4-1WKA1300型水泵参数表电压电流流量最大抽水高度处于最大抽水高度时泵的抽水速率（L/min）12V50024V500 5 控制器与硬件电路的设计5.1控制器总体方案设计本液位控制系统采用以MCS51单片机为主控芯片的控制器，外扩A/D传感器采集液位传感器数据，通过数码管显示电路显示液位高度，采用一定的控制算法与标准液位高度进行比较，利用PWM波对水泵电机进行转速控制从而调节液位高度。控制器结构结构图如图5-1所示：数码管显

20、示电路 单数码管显示电路 单片机 振荡电路电机驱动电路复位电路电机驱动电路复位电路自动报警电路液位传感器A/D传感器自动报警电路液位传感器A/D传感器图5-1控制器结构结构图5.2硬件电路的设计5.2.1自动报警电路 下列二种情况发生系统报警。 1、当水位达到上限极限水位时报警，水位到达上限极限水位时系统发出报警；2、当水位达到下限极限水位时报警，水位到达下限极限水位时系统发出报警。 图5-2 水位报警电路图5.2.2振荡电路单片机时钟信号有两种方式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。引脚XTAL1 和XTAL2引脚上外接晶振构成了内部振荡方式单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后就构成

21、了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，本控制器采用12MHZ的晶振其电路图如图5-3图5-3晶振电路图5.2.3复位电路单片机复位电路有上电复位和开关复位两种方式，本控制器采用开关复位，其电路图如图5-4所示：图5-4复位电路图如图按下复位开关K后由于电容C1的充电和反相门的作用，使REST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使REST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。5.2.4数码管显示电路数码管显示电路用来显示液位高度，本控制器的设计方法是用两片74HC573锁存芯片接单片机的P0口控制数码管的位选和断选，这样做可以节省单片机的I/O口，其电路图

22、如图5-5所示：图5-5数码管显示电路5.2.5 A/D转换电路A/D转换电路主要是用来采集传感器的信号，将传感器采集的液位高度模拟信号转换为数字信号传送给单片机做相关处理。本控制器采用ADC0804芯片，其连接电路如图5-6：图5-6 A/D转换电路图根据ADC0804的数据手册连接电路，引脚VIN+,VIN-作为模拟信号的输入端，DB0-DB7将转换后的数字信号输入单片机的P1口对数据做相关处理。5.2.6电机驱动电路本设计所选水泵为WKA1300型微型水泵，此水泵为直流控制，相当于一个直流电机；用单片机控制直流电路通常是通过I/O口输出PWM波来控制直流电机的转速，正转，反转。目前流行的

23、直流电机驱动电路是H型全桥式电路，这种驱动电路可以 很方便实现直流电机的四象限运行，分 别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 它的基本原理图如图5-7所示。 全桥式驱动电路的4只开关管都工 作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则 另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当S3、S4导 通时，S1、S2关断，电机两端为反向电 压，电机反转或正转制动。图5-7 电机驱动电路原理图由于H桥搭建比较繁琐，有集成了H桥的驱动芯片用来控制电机。本课程设计采用的是L293D芯片采用16引脚DIP封装

24、，其内部集成了双极型H桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D将2个H桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN

25、12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转。驱动电路如图5-8：图5-8 驱动电路图6 软件设计6.1 PI算法PID算法是目前比较流行的对误差控制的算法其公式入式6-1EK=Kp*e + Ki*edt + Kd*（de/dt）式（6-1）Kp：比例系数；Ki：积分系数；Kd：微分系数。评价一个控制系统是否优越，有三个指标：快、稳、准。所谓快，就是要使压力能快速地达到“命令值”（不知道你的系统要求多少时间）所谓稳，就是要压力稳定不波动或波动量小（不知道你的系统允许多大波动）所谓准，就是要求“命令值”与“输

26、出值”之间的误差e小（不知道你的系统允许多大误差）对于你的系统来说，要求“快”的话，可以增大Kp、Ki值 要求“准”的话，可以增大Ki值 要求“稳”的话，可以增大Kd值,可以减少压力波动 仔细分析可以得知：这三个指标是相互矛盾的。 如果太“快”，可能导致不“稳”； 如果太“稳”，可能导致不“快”；因此合理的控制 Kp Ki Kd的值，能较好的改善控制系统。本设计采用比例-积分控制，即PI控制，通过一定的算法，来改变PWM波形，控制电机的转速，以达到对储水罐液位高度的控制。6.2软件设计流程图6.3软件主函数设计本控制系统采用的是控制，由于模糊控制量的求取是采用查表法，因此软件程序较简单，整个软

27、件部分较多，现取最重要的水位检测主程序。根据流程图设计出软件的主程序如下（见附录二）：void main() ik=0;e1=0;kp=2;ki=4;initdingshi(); /中断初始化st=0;while(1) ad();/AD初始化if(getdata=230) /判断是否水位超过1.8米如果超过 /打开报警灯否则关闭报警灯 lamp=0; kg=1; else lamp=0; if(getdata127)/判断数位是否低于1米如果低于打开继电器 kg=0;/并设定双向晶闸管导通次数EX1=1;/外部中断1允许位打开y=100-(100*uk)/127; elsekg=1; 结论本系

28、统主要介绍了液体的液位检测控制，介绍了8051单片机和其它一些单片机在液位控制系统中的应用，介绍了它们的引脚和在系统中的电路图，本设计还采用了多种传感器来对液位的信号采集，利用LED来进行信号的输出显示，我设计的硬件系统的结构简化，系统精度高，具有良好的人机交互功能，并设有液位报警和阀门失灵等故障报警，有问题立即就能发现。通过自动调节控制液位并实现水体的液位报警。液位控制在设定值上正常运行不需要人工干预，操作人员劳动强度小。采用单片机设计出的工业水位控制器，能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制，水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力，保证了工业

29、水体液位方面作业的稳定运行。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好等优点，且系统硬、软件维护简单方便，尤其适用于工业控制现场，具有良好的应用前景。本系统所采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，而且利用计算机单片机技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。其优越性主要在于：首先，通过对液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，可以产生巨大的经济效益。其次，液体控制过程的自动化处理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行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高

30、生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，工业以及其他方面的微机控制必将得到更加广泛的应用。致谢在韩老师的帮助下与指导下才完成了自己的综合设计论文，老师对我的帮助和指导尤为重要，每次论文中的不足，老师总是耐心指导，让我们在实践中写论文。另外，感谢学校给予我这样一次机会，能够独立完成这样一个课题。使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，提高了独立思考的能力。最后，感谢在这个综合设计期间给予我帮助的人。参考文献1 谢维成单片机原理与应用及C51程序设计 M第二版北京北京国马印刷厂2009-72 胡寿松.自动控制原理 M.第五版.北京.

31、科学出版社.2007 . 3 余孟尝.数字电子技术基础简明教程 M.第三版.北京.高等教育出版社.2009.附录附录1程序#include#define unit unsigned int#define unchar unsigned charunit shu,num,i,j,a,EN,zkb，k,t;unchar code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71;sbit dula=P26;sbit wela=P27;sbit adwr=P36; /*A/D的WR端口*/sbit adrd=P37; /*A/D的RD端口*/sbit cs=P32; /*A/D的片选信号端口