基于ARM超声波测液位自动控制系统设计

本科课程设计(论文)题目：基于ARM超声波测液位自动控制系统设计学院：机电工程学院学生：高兆吉(论文)任务书机电学院自动化专业07级2班学生题目：基于ARM超声波测液位自动控制系统设计原始依据：(包括设计(论文)的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等):超声波是一种在弹性介质中的机械震荡，纵向分辨率较高，超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，因此超声波测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶略环境有一定的适应能力。本文利用超声波遇到障碍物返回特性，通过计算时间差达到测水位的目的。采用ADS1.2编程环境，使用LPC2131开发板，结合C语言实现软件编程，达到测距目的，实现控制水位的要求。主要内容和要求：(包括设计(研究)内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求):本文论述采用嵌入式系统技术研制成功的超声波测距的原理与方法。该测距系统是利用超声波传感器发送超声波来测试相对应的距离。工作时，LPC2131间歇性发出10US以上的一系列的短脉冲。最后由LPC2131对接受的时间差进行处理，自动测出液位距离，之后与给定液位进行比较，再由LPC2131自动控制相应的电机蓄水或放水。该超声波测距系统具有测距原理简单，成本低，制作方便，易于实时控制等特点。设计一种基于ARM超声波测液位自动控制系统。介绍了超声波测距的原理及LPC2131的性能和特点，并在此基础上，给出了实现超声波测液位方案的系统框图及软、硬件设计。日程安排：2010年6月25日---2010年6月27日对课程设计课题进行研究，了解各个课题的发展过程、前景，了解其中有哪些重要的技术。进行总体方案设计分析需求，确定系统主要性能指标。2·2010年6月25日---2010年6月27日1)进行硬件电路设计、原理图绘制及电路板制作；2)软件设计编写程序。3·2010年6月25日---2010年6月27日系统调试、实验分析与论文撰写。论文答辩第2章方案设计与论证………………错误!未定义书签。22.1方案比较论证…错误!未定义书签。22.2方案选择………错误!未定义书签。32.3系统原理总框图………………错误!未定义书签。4第3章系统硬件电路设计……………错误!未定义书签。43.1器件选择3.2控制器选择及介绍3.3电源电路模块设计………………错误!未定义书签。43.3.1电路原理图………错误!未定义书签。53.4超声波检测系统设计…………错误!未定义书签。53.4.1方案选择………错误!未定义书签。53.4.2超声波检测电路原理图…错误!未定义书签。73.5键盘显示电路系统设计………错误!未定义书签。83.5.1键盘显示板原理图………错误!未定义书签。93.6步进电机工作原理3.6.1步进电机结构图3.6.2线圈通电顺序3.6.3步进电机的控制3.6.4步进电机驱动电路3.7直流电机工作原理3.7.1结构图第4章软件设计………错误!未定义书签。104.2系统流程图……错误!未定义书签。104.3调试与分析第5章系统测试……错误!未定义书签。125.1测试条件………错误!未定义书签。125.2测试仪器………错误!未定义书签。125.3测试结果………错误!未定义书签。125.4测试小结………错误!未定义书签。12错误!未定义书签。12A参考文献：………错误!未定义书签。12B程序清单：………错误!未定义书签。12超声波：科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有如下特性：1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2)超声波可传递很强的能量。3)超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化1.2背景及意义模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用APC机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不间断运行等。而PC机与单片机之间广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为1200米，每段最多支持32个节点，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中继器连接，全网络支持最多256个节点。RS-485通信技术应用时间较长，软第3章系统硬件电路设计3.1器件选择1、2803芯片3.2控制器选择及介绍LPC2131微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2131特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8/16/32kB的片内SRAM,它们些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个或2个发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统。特性单个Flash扇区或整片擦除时间为400ms。256字节行编程时间为1ms。调试和高速跟踪。转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。2个32位定时器/外部事件计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗。低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。多个串行接口向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/0口(可承受5V电压)。通过片内PLL(100us的设置时间)可实现最大为60MHz的CPU操作频率。片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1～30MHz,与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz。3.2.1内部原理框图总线控制调试处理器处理器同步的扫描调试访问接口存储器接口存储器管理接口协处理器接口3.3电源电路模块设计12v和5v电源电路。+主4.8100pF十22pouf3.4超声波检测系统设计传感器是实现测量及控制的首要环节，一般传感器有模拟式和数字式两类，模拟式传感器，在和计算机及数字化仪器相连的时候必须采用A/D转换器把模拟量转换为数字量，且易受电磁干扰，不利于远距离传输。数字式传感器直接将待测量转换为数字量输出，其输出信号抗干扰能力强，功耗小，可与数字设备直接连接。数字式传感器的这些特点，特别适合应用于水情遥测系统中。但限于成本控制本设计依然采用模拟传感器。目前主要测水位的液位传感器有浮子式水位传感器、水位跟踪式传感器、超声波水位传感器、雷达激光水位传感器，压力式水位传感器等。下面是一些主要水位传感器的简单介绍3.4.1方案选择1、本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRFO5,SRFO2等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区(2cm)超近，稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据!3:电平输出：高5V4:电平输出：底0V5:感应角度：不大于15度6:探测距离：2cm-450cm7:高精度：可达0.3cm(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过I0输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间.测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。3.4.2超声波检测电路原理图粒物物年F33.6步进电机工作原理行程控制等场合。一、步进电动机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以200个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进1.8度，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。二、步进电动机的励磁方式可分为全部励磁及半步励磁，其中全步励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1-2相励磁。图为步进电动机的控制等效电路，适应控制A、B、/A、/B的励磁信号，即可控制步进电动机的转动。每输出一个脉冲信号，步进电动机只走一步。因此，依序不断送出脉冲信号，即可步进电动机连续转动。相励磁法：在每一瞬间会有二个线圈同时导通。因其转矩大，振动小，故为目前用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走1.8度。若以2相励磁法控制步进电动机正转，其励磁顺序如图所示。若励磁信号反向传送，则步进电动机反转。1.2永磁式步进电机3.6.2线圈通电顺序相顺序ABCD01100101102001131001相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度，0>1>2>3>4则称为通电一周，转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如4>3>2>1将使电机同速反转。通电一周的因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只(1).步进电机的正反转控制在步进电机转动的过程中改变绕组的励磁顺序可改变转动方向.(2).步进电机控制系统框图一般一个完整的步进电机控制系统包括控制器，驱动器，电机三部分.(3).步进电机的现场应用驱动电路综合系统使用的是小型步进电机，对电压和电流要求不是很高，为了说明应用原理，故采用最简单的驱动电路，目的在于验证步进电机的使用，在正式工业控制中还需在此基础上改进。一般的驱动电路可以用下图所示的形式。1.9一般的驱动电路在实际应用中一般驱动路数不止一路，用上图的分立电路体积大，很多场合用现成的集成电路作为多路驱动。常用的小型步进电机驱动电路可以用ULN2003或ULN2803。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适应于各类低速小功率驱动的系统。ULN2003由8组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动8组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。ULN2003内部结构及等效电路图如下图所示：3.64步进电机的驱动电路：驱动芯片驱动芯片13456789ULN2803A8个NPN达林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路(例和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载，广泛的使用范围：计算机，工业和消费应用。所有设备功能由集电极输出和钳位二极管瞬态抑制。该ULN2803是专为符合标准TTL,而制造ULN2804适合6至15V的高级别CMOS或PMOS上。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作3.7直流电机工作原理1.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；(1)原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来a、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。c、电枢电动势——反电势(与I反向);e=Bhvd、电磁转矩——驱动转矩(与n同向)(说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机)3.7.1结构图第4章软件设计本系统的软件设计，是基于嵌入式系统程序设计的前后台设计思想，即传统的主函数加中断的程序设计思想，整个系统的运行是在一个while(1)加上若干个中断服务程序。前台的程序设计，使用方便、简单、思路很清晰。本系统的程序设计是基于常用的嵌入式系统软件开发平台ADS1.2,这个开发平台的界面十分友好，使用非常方便。公司的集成开发环境软件，他的功能非常强大。他的前身是SDT,界面开发环境。C编译器效率极高，支持c以及c++,使工程师可以很方便的使用c语言进行开发。提供软件模拟仿真功能，使没有Emulators的学习者也能够一一个支持的硬件调试器有Multi-ICE以及兼容Multi-ICE的调试工具如FFT-ICE。而开始个主程序(键盘输入，步进电机驱动，直流电机驱动)个个4.3调试与分析(2)、超声波脉冲捕获模块：通过定时1的cap1.0和cap2.0对接受的脉(3)、PID算法模块：通过键盘模块中输入的流量大小与水表脉冲捕获到的脉冲数进行PID公式进行PID调整，然后在调节步进电机的转动，来第5章系统测试5.1测试条件5.2测试仪器5.3测试结果5.4测试小结/*定时器0设定*//*定时器1设定*//*IRQ中断设置*//*MAIN主程序*{((PINSEL0&~(0XCOFF03))|0X809502);//P0.4,P0.5,P0.6为SPI功能P0.0{函数/*************************************************************************************************************/*计算距离*/{//计算距离}/*TIME1捕获IRQ中断服务程序*/{获」/1MR0中断服务/1向量中断处理结束/1设置CAP1.1上升沿捕/1允许产生中断//开捕获//CR1中断服务}{}/1CR2中断服务VICVectAddr=0x00;/1向量中断处理结束/*定时器1设定*/{}{1{VICIntSelect=0x00000000;VICVectAddrO=(uint32)Timer1_Caplnt;}/*定时器0设定*1{}/*TIME0IRQ中断服务程序*/{}{/1定时器初值为0//不分频//PWM1为单边延输出//设置PWM周期//设置PWM的占空比/1使能PWM匹配0、1锁存二二二二二二//PWM使能，启动PWM定时器}/