基于单片机的流量控制系统设计

1、过程控制系统。课程设计设计主题：基于单片机的流量控制系统设计学生名称：专业：测量技术和设备班号：指导教师设计时间： 2010.6.28-2008.7.11过程控制系统课程设计书专业测量技术和仪器的班级名称设计主题：基于单片机的流量控制系统设计一、设计实验条件过程控制系统实验室实验室实验系统二、设计任务1、电磁流量计设计了流量传感器，单片机设计了核心流量控制系统。 系统主要由泵、泵马达、流量传感器、电动阀、阀马达、单片机控制系统等组成。2 .写出流量控制过程，制作控制系统的框图3 .用单片机控制流量(1)系统硬件电路设计单片机采用89S52设计键盘、显示电路、马达控制电路(晶闸管、光电耦合器)。

2、(2)制定流量控制程序三、设计说明书的内容1、设计主题和设计任务(设计任务书)2、前言(绪论)(设计的目的、意义等)3 .主体设计部分4 .参考文献五、结语四、设计时间和设计日程1、设计时间： 2周2、设计日程：熟悉实验设备、实验和收集资料： 4天设计计算，制图技术图纸： 4天课程设计书的制作： 5天答辩：一天一、流量控制系统的设计意义工业生产中的过程控制是流量测量和仪表应用的一大领域，将流量和温度、压力和仓库统称为过程控制中的四个参数，人们通过这些参数来监控和控制生产过程。 流体流量的正确测量和调节是保证生产过程的安全经济运行，提高产品质量，减少物质消耗，提高经济效益，实现科学管理的基础。

3、流量的测量和控制广泛应用于化工、能源电力、冶金、石油等领域。 【1】在天然气工业蓬勃发展的今天，天然气的计量受到人们的特别关注。 在天然气采集、处理、储藏、运输和分配过程中，需要数百万流量计，其中涉及流量计的结算金额巨大，对测量和控制的精度和可靠性的要求特别高。 另外，在环境保护领域，流量计测器也起到了重要的作用。 人们为了控制大气污染，必须监测污染大气的烟雾和其他温室气体的排放量，排放的废液和污水污染了地表水源和地下水源，人们必须处理废液和污水，控制排放量。 数百万的烟排出点和污水排出口成为了流量测定的对象。 同时在科学试验领域，大量流量控制系统有必要进行模拟和试验。 流量计广泛应用于现代农

4、业、水利建设、生物工程、管道运输、航空航天、军事领域等。二、系统方案一.整个方案的想法液体流量控制通常采用电动调节阀实现，近年来，电动调节阀的结构和控制方式发生了很大变化，随着计算机进入控制领域，出现了新的电力电子功率部件，采用全控制的开关功率元件被称为脉冲宽度调制(pulse width modulation，简称p 该控制方式可以用单片机容易地实现，为电动调节阀的控制数字化提供了基础。 更好的控制，因为它具有线性组合偏差比率、积分和微分的数字控制量、数字PID控制器，并且非常灵活，可以基于实验和经验在线调节参数。本系统以C51系列的89S52单片机为核心，通过设置89S52单片机的计时器，

5、产生脉冲宽度可调整的PWM波【2】，调制阀马达的输入电压，实现阀开度的变化，实现液体单片机可以用电磁流量计采集实际流量信号，并基于该信号在其内部采用数字PID算法修正PWM变量的值，正确地控制流量的闭环。2 .实现流程流量控制系统是一种过程控制系统，在设计过程中，必须明确其组成部分。 过程控制系统的构成部分是控制器、致动器、被控制对象和测定变质单元，其方框图如图1所示。直流电动机PID控制器阀门设定值流量输出图1流量过程控制结构框图电磁流量计：检测输出流量，与设定值进行比较，将差分作为控制器的输入。PID控制器：对差分值进行p、I、d运算，输出与模拟控制电机的正反旋转和转速对应的输出。直流电机

6、：通过控制器的输出正反转，增减阀的开度。阀：直接控制流量的执行元件。因此，在该系统的设计中，主要设计以上部分。 另外，根据主题的要求，选择适当的控制算法来满足系统参数的要求。 具体来说，决定如何控制控制器的算法和阀开度是因为这两个部分是实现本系统的控制目的的关键。 这些选择的好坏直接影响系统整体实现效果的优劣。3 .控制器算法和PWM波形输出流量是一般重要的物理量，在很多领域都需要测量和控制。 本系统在流量控制中采用PID算法，结构简单，容易理解和实现，并且有些高级控制基于PID进行了改进。 工业过程的控制中，90%以上的控制系统电路具有PID结构图2 PID控制原理框图PID调节器的离散化公

7、式比例调节的作用是稳定调节过程，但会产生稳态误差积分作用可以消除被调整量的稳态误差，但有可能使系统振动而变得不稳定微分作用可以有效地减小动态偏差。PWM波形输出： 89S52通过单片机的计时器0和计时器1交替工作，连续产生可以调整与偏差大小相关的占空比的PWM波形。 首先，如果从计时器0的定时发生中断，并设置了PWM输出口而使计时器1接通，则计时器1的定时期间PWM输出变为高电平，计时器1的定时时间被调整，由于与偏差的PID运算结果有关，因此占空比变化的PWM三、系统硬件设计1 .整体设计框图和说明本系统是一个简单的单电路控制系统。 为了实现流量的自动测量和控制，采用89S52单片机作为系统的

8、控制中心，将数据采集模块检测出的流量信号传输给单片机，根据接收到的数据进行处理和控制运算，同时保存数据根据系统程序控制用PID运算和PWM输出控制电机转速，最终用CPU控制电机的正反转，达到了调节流量的目的。 系统还有键盘配置模块，便于用户和系统之间的对话。 系统的硬件配置简单，由几个功能模块组成。 具体结构图3和说明如下89S52单片机电脑键盘。数据收集直流电动机阀门数据显示图3的功能模块结构图键盘设置：设置控制系统请求的通信量的大小。数据收集：用滑动电阻器分压模拟流量的大小。直流电机：接受单片机的控制信号进行正反转和转速调节，使阀门旋转。2 .部分外部电路设计2.1数字码管显示电路用四连共

9、阴极数字管表示，具有四位数字管，该四位数字管的段选择a、b、c、d、e、f、g分别具有一个共阴的位选择端子。 P3端口控制数码电线管的点亮。 单片机的IO端口输出有限，需要在74LS374芯片上锁存。 另外，用电阻R-PACK8保护LED。2.2、直流电机控制电路直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点，成为许多变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。 尤其是随着高开关频率、全控制型第二代功率半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展和脉冲宽度调制(PWM )直流调速技术的应用，直流电机被广泛应用。为了满足小型直流电机的使用需求，各半导体制造商启动了直流电机控制

10、专用集成电路，构成了基于微处理器控制的直流电机伺服系统。 但是，由专用集成电路构成的直流电动机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电动机的驱动需求。 因此，利用晶体管构建了h桥【3】，实现了大功率直流电机的驱动控制。 该驱动电路可以满足各种类型的直流电动机的需要，具有高速、精确、高效、低功耗等特点，可以直接与微处理器接口，可以应用PWM技术实现直流电动机的调速控制。单片机的p10端子输出的高低电平控制电动机的正反，P1输出的PWM波形控制电动机的转速。具体地说，因为在p10为高电平时，晶体管Q3、Q2导通，所以Q4导通，Q2导通，钳位电位为0.9V，所以尽管P1高但Q1、Q7不导通，即，电动

11、机电流从左向右流过，电动机电流为0.9V由于P10为低电平，Q3 Q2没有导通，所以Q4没有导通。 在P11为高电平时电动机反转，在p1为低电平时电动机停止。4系统软件设计1 .程序构成的说明因为任何系统的软件设计都离不开硬件电路的连接，所以本课题的硬件设计的高级模块化决定了软件设计的模块化。 子例程的一些部分主要包括主程序模块、键盘扫描和处理例程、采样数据处理例程、PID算法例程、电动机驱动和控制例程、显示等。 结构图如下所示主程序键盘输入数字代码显示数据收集PR运算直流电动机图4的程序结构图主程序模块在整个配置中用作管理员，并且管理所有子程序的调用对应于计算机的操作系统。 它主要初始化各I

12、/O端口，等待键盘事件的发生，进行适当的处理。 根据需要调用数据采样程序，将采样的数据与键盘设定值进行比较。 通过PID计算控制马达的旋转，控制阀的开度，实现流量的正确控制。2 .程序的流程图和部分程序2.1主程序的说明2.1.1主程序的流程图开始。系统初始化SW=1？ 什么？什么？模数转换键盘设置键盘设置键盘设置DR=1？ 什么？什么？电动机正转电机反转nyyn图5主程序的流程图2.1.2主程序的具体步骤：主函数，主函数，主函数，主函数。main() /主程序 TMOD=0x21； /0b0010 0001 timer0模式1(16位)，timer1自动重新加载TH0=0xfc； /1ms延

13、迟常数12MTL0=0x18； /低电平时间调节TH1=0x7f； /计时器1给出初始值TL1=0；EA=1；ET0=1；ET1=1； /中断while(1)if(sw=1) /循环判定开关状态，执行相应程序AD_val ()； 调用TCL549的收集处理显示(uuu )以下elseKB_Scan1()；显示器(sc )以下PID ()； 每个循环最后执行PID运算，实时控制电动机以下可以从主程序中，在调用一系列程序之前对系统进行初始化，判断出开关状态程序有反应。 然后，进行一系列子程序，进行A/D转换和PID计算，将其结果用于直流电机的控制。2.2键盘程序2.2.1键盘扫描和键值识别的原理【

14、4】由于机械接点具有弹性，按下按钮或跳跃时会发生抖动，从第一次按下开始到接触稳定为止经过数毫秒的反弹时间。 为了保证探索键识别的正确性，需要消除抖动。 该抖动处理有两种方法：硬件抖动，即利用分支抖动电路来避免抖动信号的产生的方法：软件的抖动去除，使用数字滤波技术来去除抖动。 我们采用软件的方法，利用主程序的循环扫描，如果主程序按每个循环扫描的键值相同，就说明按下了某个键。关于键值的识别，使用switch语句，使键的代码与键值相对应。2.2.2键盘的具体步骤void kb _扫描1 (void ) uchar tmp、线、I、标志、press； /定义局部变量判断是否按下了if (lie1=0|

15、 lie2=0| lie3=0)返回/键，如果按下了，则返回。 解决重要问题线=0x Fe；for(i=1； i=4； PS )p2=线； /p2口的下位4位依次传送低电平，读取上位4位，判断有无按下键。tmp=P2； /读取键盘端口的数据寄存器tmp=0x70；PS (PS！=0x70 ) tmp=P2； 标志=1； break； 以下else line=(line1)|0x01；以下if(i=5) tmp=0xFF； 标志=0； 以下使用switch(tmp)/switch语句将代码转换为相应的密钥值。 case0xEE:press=1； break；case0xDE:press=2； break；case0xBE:press=3