储水罐液位计算机控制系统设计

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1、计算机控制技术课程设计储水罐液位计算机控制系统设计学生学 号 学院名称专业名称 指导教师 2021年 6月 7日1. 储水罐液位系统设计原理 41.1 本设计任务和主要容 4设计任务 4主要容 42. 系统模型建立 52.1 系统组成 52.2 系统工作原理 52.3 系统模型 63. 硬件选择 93.1 液体压力传感器选择 93.2 水泵选择 103.3 微控制器的选择 103.3.1 80C51 电源 113.3.2 80C51 时钟 113.3.3 80C51 控制线 113.3.4 80C51 I/O 接口 113.4 A/D 转换器选择 124. 硬件电路设计 134.1 80C51

2、单片机外围电路设计134.1.1 时钟电路 134.1.2 复位电路 144.2水泵驱动电路设计 144.2.1 继电器电路 14154.2.2 双向晶闸管过零调功调速原理过零检测电路 154.2.4 双向晶闸管触发电路 16 4.3数码管电路 175. 系统软件设计 175.1 软件设计流程图 175.2 软件主函数 185.3 软件水泵控制程序 206. 结论 23 参考文献 24 附录 25附录 125附录 334 附录 4361储水罐液位系统设计原理1.1本设计任务和主要容设计任务本设计主要研究水箱水位自动控制系统。此系统实现了水位报警，水位实时显示。在 2min到达并稳定在1m水位咼

3、度，并且偏差在10%。主要容被控系统为一储水罐。系统如图1-1所示，储水罐为清水，下部设有出水管，流量记 为Q2。储水罐通过水泵将清水池的清水补入罐，流量记为 Q1,清水池的水位可视为固定 值2米即在储水罐补水过程中液位不变化。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。当水箱水位低于1m时，启动水泵，从清水池抽水供应给储水罐；当水箱水位高于1m时水泵自动停顿；当水箱水位高于1.8m时外部报警灯自动点亮，手动复位控制系统。Q1储水罐目标液位 高度水泵图1-1储水罐系统2.系统模型建立2.1系统组成储水罐液位系统的原理图如图2-1所示。此系统由清水池，储水罐，直流水泵

4、，微控 制器，液体压力传感器，A/D转换器等组成。清水池在此设计中属于理想状态，即水位高度不变；3直流水泵选用TPH2T6K型号，220V离心式水泵，此水泵工作效率为 50m /H ； 微控制器选用Atmel公司生产的89C51单片机；液体压力传感器选用PT500-500液体压力传感器；2.2系统工作原理此系统由液体压力传感器测出储水罐液位压力，以020mA电流形式输入到一个125电阻上，A/D转换器采样电阻两端电压，然后输入微控制器80C51,微控制器80C51经过处理判断水位高度进展相应的处理，并控制数码管显示现在水位高度。系统工作流程图如 图 2-2。图2-2储水罐液位系统工作流程图2.

5、3系统模型此系统是一个典型的一阶系统。储水罐相当于一个流体容器，由物质守恒可以得到:Qin = Q + Qout2.1式中Qin表示流入储水罐的水量；Q 表示储水罐中保存的水量；Qout表示流出储水罐的水量。假设A是储水罐的横截面积，h为储水罐中水位的高度那么2.1可写成:dhQin = A- + Qout2.2出水流量取决于储水罐的流量系数，储水罐的液位高度，储水罐的出水口面积，和重力常数。即:Qout = Cda . 2gh2.3式中 Cd表示储水罐出口的流量系数;a表示储水罐的出水口面积；g表示重力常数9.8m/s2。结合2.2，2.3我们能得到dhQin = A 一 Cda, 2ghd

6、t 2.4假设Qin是个常数那么出水流量将到达一个稳态值Qout Q0，水位高度也将能到达一个恒定值。Q0= Cd/29h0 25我们假设Qin有个小的扰动值，我们能得到:Qin Qin Q02.6同时液位高度也将会有小的扰动:h2.7将2.6、2.7带入2.4我们可以得到:d hA dtCda、.、2( h h0) QinQ02.8应用泰勒级数将2.8f(x) f(Xo)线性化，泰勒级数：d2fdx2dfdx取泰勒级数第一级得到:f (x)或者将2.8用2.11(x X0)X x0f(Xo)dfdx1!(X X0)22!2.9X Xo(XXo)2.10f(x) d! dxX x02.11线性

7、化后得到：A于斛Qn2.12对2.12进展拉普拉斯变换，我们可以得到:JQ0 2h0h(s)Qin(s)As2.13带入数据可得:h(s)Qin (S)1s 0.12.14电机的电气方程:diaaLaUa iara Ce (t)dt2.15电机的机械方程:T Tl2.16式中Ce表示电机电势系数;ra 表示电枢电阻;ua 表示电枢电压；ia表示电枢电流；La表示电枢电感；J 表示折算到轴上的转动惯量；T 表示电动机电磁转矩;Tl 表示负载转矩;将2.152.16式进展拉式变换可以得到转速和输入电压的传递函数:H(s)(S)Uc(s)2 Ce2.17TmTs Tms 1电机经历公式：-_ UNI

8、 NRaCe 30nNT gd2rT m375CeCmCm 30 CeTl兰Ra得出该电机的传递函数为：30.139H(s)20.000163s0.0173s 1由上式我们可以得到此液位系统的框图如图2-3水泵微控制器80c51A/D储水罐驱动电路h液体压力传感器KI图2-3储水罐液位系统框图3.硬件选择3.1液体压力传感器选择本设计中储水罐的高度液位高度最高为2M,根据P液gh，可算出在此设计中最大压强为19.6Kpa。可选择压力传感器量程为 0 20Kpa，最终选用了 PT500-500液体压力传 感器，PT500-500采用高精度高稳定性电阻应变计做为变送器的感压芯片，选进的贴片工 艺，

9、配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路。主要技术 要求如表3-1所示。表3-1 PT500-500液体压力传感器技术参数技术参数参数值被测介质 1气体、液体及蒸气量程?-100KPa-20Kpa60 Mpa 150 Mpa 间任意可选输出:020mA二线制综合精度 0.1%FS量程 60MPa 以上、土 0.25%FS、土 0.5%FS供电11236V DC绝缘电阻 ；ih 1000 M Q /100VDC负载电阻壬最人800 Q介质温度 “-2085 C、-20150 C、-20200 C、-20300 C可选环境温度-2085 C相对湿度i0 95% RH过载能力

10、:*150%FS响应时间XTAL1PO OfADaZAO1F0l2/AD2XTAL2FO 3/AD3尸0斗PD 牙805P0.0/ADGffSTP0 r/ADTP2BQ/AeP2.1 /A9P2.2AA10PSEihl3/A11ALEP2.4/A12EAP2B/A1 4P2.7XA15P1 QPXOJRXDP1 1P3 1 JTXDP1 .2P3_2JlMTOPI .3P1 .4PI BKs Jl/I UP3,5?T1R1 6P3 G/VWP1 .7P3.7/5E-_：亠io，U1_, 2CJ7U1IN0GLOCK IN1STARTIN2IN3EOCIN4IN5OUT1IN6OUT2IN7OU

11、T3OUT4ADDAOUTSADD FtOUTSADDCOUT了ALEOUTSVREF(+)VREF(-)Ob2211G9ADCCiSQ202?281020197s 更J5U77药亘23图3-180C51单片机引脚图 图3-2ADC0808引脚图3.4 A/D转换器选择本设计采用ADC0808作为A/D转换器，ADC0808是带有8位A/D转换器、8路多路 开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS组件。它是逐次逼近式 A/D转换器，可以和 单片机直接接口。ADC0808转换器引脚图如图3-2所示ADC0808转换器引脚介绍：IN0IN7 : 8路模拟量输入端。OUT1OUT8 : 8位数字量

12、输出端。AL :地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲至少100ns宽使其启动脉 冲上升沿使0808复位，下降沿启动A/D转换。EOC : A/D转换完毕信号，当A/D转换完毕时，此端输出一个高电平转换期间一 直为低电平。OE:数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D转换完毕时，此端输入一个高 电平，才能翻开输出三态门，输出数字量。CLK :时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。VREF +丨和VREF-：参考电压输入端。Vcc:主电源输入端5V。GND :接地。ADDA、ADDB、ADDC : 3位地址输入线，用于选通8路模

13、拟输入中的一路，通道选 择表如表3-3所示。考前须知：输出端out8为最低位outl为最高位，与单片机连接是要注意 表3-3通道选择ADDCADDBADDA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN74.硬件电路设计4.1 80C51单片机外围电路设计时钟电路80C51用部振荡电路，这时需要 XTAL1、XTAL2来外接石英晶振和微调电容，如图 4-1所示。外接石英晶振为12MHZ，两个电容为30PF为起振电容。C130pF -TPC2 30pF -.19U1XTAL1CRYSTALXTAL2图4-1 80C51外部时钟电路6打匸）

14、（T复位电路80C51单片机有一个复位引脚 RST,高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部电路 使得RST端出现两个机器周期24个时钟周期以上的高电平，系统部复位。复位方式有 两种：上电复位和按钮复位。本设计选用按钮复位，因为遇到特殊情况系统出错，可以及 时复位保证系统损失减到最低。复位电路如图4-2所示。RSTALE eaT图4-2 80C51按钮复位电路4.2水泵驱动电路设计继电器电路因为本设计中用到的是单相交流水泵用的220V交流电属于强电围，不能直接与单片机连接所以采用了继电器来充当开关。继电器电路如图4-3所示。继电器的触发电路应用了光耦隔离，当单片机的P2.2 口输出控制低电平时，

15、光耦输入端导通，使得光耦部三极管导通，经过 R4，R3电阻分压后使得Q1基极电压变高，使得图4-3继电器开关电路422双向晶闸管过零调功调速原理本设计中应用双向晶闸管对水泵进展调速控制，根据P T（4.1）式中P表示电功率KW;T表示外部阻力矩N m；表示角速度 rad s-1。当外部情况不变即T保持不变时，在规定时间电功率的变化将导致角速度的改变，因 此调电功就可到达调速的目的。可控硅过零控制波形见图 4-5。可以看出，过零调功通过的工作电压是完整的正弦波 形，过零导通且过零截止。过零调功方式就是通过在给定的时间改变加在负载上的交流正 弦波个数来调节负载功率的一种控制方法。423过零检测电路

16、过零检测电路的最终目标是实现当 50HZ的交流电压通过零点时取出其脉冲。本设计 中用两个光耦实现脉冲的检测，如图4-6所示。交流电源经R7后加到两个反并联的二极管 上，在交流电源的正、负半周，U2中二极管和U8中二极管轮流导通，从而使 U1中三极 管和U8中三极管也轮流导通，在导通期间光耦的 5号输出引脚输出低电平，只有在交流 电源过零的瞬间，两个二极管均截止，5号引脚输出高电平，因此5号引脚得到周期为10ms 的脉冲信号，再将此信号通过7407逻辑门进展整流，从而得到图4-5中过零脉冲。电路总 R7的大小选取与索取的光耦触发电流有关，本设计中采用600电阻。 U2 1R7 JIAOL-oJI

17、AO - soo24| I i OPTOCXJUPLEF?-&_ja:i.a.U8TO INTO - 7407 MPN空图4-6过零检测电路图OPTOGQUPLER-NPN|l双向晶闸管触发电路本设计中应用了光耦对双向晶闸管进展驱动，电路如图4-7所示。此电路的工作原理是：单片机响应用户的参数设置，在I/O 口输出一个高电平，经反向器反向后，送出一个 低电平，使光电耦合器导通，同时触发双向可控硅，使工作电路导通工作。R5为触发限流电阻，R6为双向晶闸管门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。在本设计中负载是水泵 属于感性交流负载，这样会使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压，可能击穿并 且烧

18、坏晶闸管，所以双向晶闸管两极间并联一个 RC阻容吸收电路，实现晶闸管的过电压保 护。各个电阻和电容值均为光耦推荐电路中值未加改动。在给定的时间水泵得到的功率为：P UIN 4.2式中P表示负载得到的功率；n表示给定时间双向晶闸管导通的正弦波的个数；N表示给定时间正弦波的总个数；U表示不加双向晶闸管时负载得到的电压有效值；I 表示不加双向晶闸管时负载得到的电流有效值。由（4.2式可以看出只要N ， U，I为定值，只要改变n就可以到达调速的目的。3eo图4-7双向晶闸管触发电路330 U4 -R2 : g -TEXT*：C-LJ9:A - 4L.S1-4 TEXT -4.3数码管电路本设计中应用了

19、 7SEG-MPX2-CC8段式共阴极双数码管，段码引脚接入 80C51的P1 口，位选两条线分别接单片机的P2A0，P2A1 口。在本设计中采用了数码管的动态显示，利用了人的视觉暂留效应。5系统软件设计5.1软件设计流程图本系统程序主要有AD转换模块、数码管显示模块、PI调节模块、报警灯控制模块、 电机控制模块组成。工作流程如图 5-1所示。图5-1主程序工作流程图5.2软件主函数根据流程图设计出软件的主程序如下: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=

20、230) / 判断是否水位超过 1.8 米如果超过 / 翻开报警灯否那么关闭报警灯 lamp=0;kg=0;elselamp=1;if(getdata127) / 判断数位是否低于 1 米如果低于翻开继电器 kg=0;/ 并设定双向晶闸管导通次数EX1=1;/ 外部中断 1 允许位翻开y=100-(100*uk)/127;else kg=1;5.3 软件水泵控制程序水泵控制程序是在外部中断 1、定时器 0 共同配合下进展的，他们实现了在 1 秒控制 通过双向晶闸管半波个数，从而准确控制水泵转速。外部中断1每10MS触发一次，而定时器0要定时1S后才执行任务，所以时序问题很重要。时序流程图如图5

21、-2所示。具体程序如下：void dingshi() interrupt 1/ 定时器 0 定时 50MS 中断程序TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;w+;while(w=20)/当到1S时翻开外部中断1EX1=1;w=0;void waibu() interrupt 2 /外部中断 1，产生双向晶闸管触发脉冲，翻开定时器 0TR0=1;ET0=1;chufa=1;delay(8);chufa=0;delay(8);x+;if(x=y)/ 当过零脉冲到达调节数时关掉外部中断 1 并 / 关闭晶闸管触发脉冲chufa=1;x=0;EX1=0;

22、图5-2中断时序流程图6.结论本系统主要介绍了水体的液位检测控制，介绍了 8051 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，本设计还采用了液体压力传感器来对液位的 信号采集，利用数码管来进展信号的输出显示 ,我设计的硬件系统的构造简化 ,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展 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

23、大提高了控制系统的抗干扰 能力,保证了工业水体液位方面作业的稳定运行。控制装置具有本钱低、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。本系统采用双向晶闸管控制水泵，电路简单，实用性强，控制准确。本设计在双向晶 闸管驱动电路方面准备用 MOC3041 过零保护光耦合器，最终由于在 PROTUES 中仿真一 直报错，最终没有找到解决方法，最终用了普通的 NPN 型光耦合器代替，增加了双向晶 闸管的工作负担。Southern Gate,.2021 2021-6参考文献1 John Wiley &Sons,LtdMicrocontroller Based Applied Digit

24、al Control M The Atrium, Chichester,West Sussex PO19 8SQ, EnglandJohn Wiley & Sons Ltd.20062 维成加国单片机原理与应用及C51程序设计M 第二版国马印刷厂.2021-7.3 樊月珍 江发潮 基于 AT89C51 的交流电机调速控制系统设计 EB/OL 林业大学工学院4 胡寿松启动控制原理M.第五版科学.2007 . 余孟尝数字电子技术根底简明教程M第三版高等教育.2021.附录附录 1系统程序：#include#include#include#define uchar unsigned char#def

25、ine uint unsigned intsbit w1= P2P; /数码管位选1sbit w2=P2A1; /数码管位选2sbit st=P3A0; /ADC0808 启动信号sbit eoc=P3A1; /ADC0808 转换标志位sbit dian=P1A7;数码管点的控制I/O 口sbit kg=P2A2; / 继电器控制位sbit chufa=P2A3; / 双向晶闸管触发控制位sbit lamp=P2A4; / 报警灯控制位uchar kp,ki,uk,pk,ik; /PID 系数定义uint getdata;uint temp;uint qd=127;/1M 位置float e

26、,e1,e2,yk;/PID 中间量int zkb,w=0,t=0,p=0,x=0,y=20; / 变量定义uchar dispbuf3=0,0,0; / 数码管缓冲数组uchar code table= / 段码0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay(uchar i) /1us 定时while(i-)_nop_();void led();void pi();void ad ();void initdingshi();void main()ik=0;e

27、1=0;kp=0.8;ki=1.5;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 / 翻开报警灯否那么关闭报警灯 lamp=0;kg=0;elselamp=1;if(getdata100);y=100;elsekg=1;void ad ()/AD 初始化子程序if(p=5)/ 每 25MS 进展采集一次st=1;/ 开启 ADdelay(1);/ 满足触发时间st=0;while(eoc=0);/ 等待采集完成delay(1);getdata=P0;/ 采集数据存到变量中te

28、mp=(getdata*4/51);/ 将数据进展转换dispbuf1=temp/10;dispbuf0=temp%10;p=0;/ 将计时变量清零pi();/PI 处理led();/ 数码管显示void initdingshi() / 中断初始化程序TMOD=0x11;/ 定时器 1，定时器 0 选择 16 位定时方式IT1=1;/ 外部中断 1 为边沿触发方式TH0=(65536-50000)/256;/ 定时器 0定时初始化 50MSTL0=(65536-50000)%256;TH1=(65536-5000)/256;/ 定时器 1定时初始化 5MSTL1=(65536-5000)%25

29、6;TR1=1;/ 启动定时器 1EA=1;/ 中断翻开ET1=1;/ 定时器 1 溢出中断允许位void led()/ 数码管显示子程序P1=tabledispbuf1;w1=0;w2=1;dian=1;delay(5);w1=1;w2=1;P1=tabledispbuf0;w1=1;w2=0;dian=0;delay(5);w1=1;w2=1;void pi() /PI 调节器程序e=qd-getdata; pk=kp*e;ik=ki*e+e1;uk=pk+ik;e1=ik;void dingshi() interrupt 1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536

30、-50000)%256;w+;while(w=20)EX1=1;w=0;/ 误差/定时器0定时50MS中断程序/当到1S时翻开外部中断1void dingshi2() interrupt 3/定时器1定时5MS中断程序TH1=(65536-5000)/256;TL1=(65536-5000)%256;p+;void waibu() interrupt 2/ 外部中断 1 ，产生双向晶闸管触发脉冲，翻开定时器 0TR0=1;ET0=1;chufa=1;delay(8);chufa=0;delay(8);x+;if(x=y)/ 当过零脉冲到达调节数时关掉外部中断 1 并关闭晶闸管触发脉冲chufa

31、=1;x=0;EX1=0;储水罐液位计算机控制系统设计模拟传感器CJ0A22eit土-F-亠25RV观3IFWIN3IN4IIN5 皿 !IN7附录2储水罐液位计算机控制系统设计电路图ADDA ADD B ADC CALEVREFI+ VREFI-)U3(CLOEOCACLOCK1START10OUTlOUT20UT3OUT4OUT5OUT6OUT?OUT821JGO206110620380415os140617.07| |4 OPTOCOUPLER NPNU8R8H7407C1竇ICRYSTAL30pFU1INT0C3册10uF10kXTAL1XTAL2R$TPO.WAOO PO.i/AD1

32、 P0SD2 PO 3/AD3PQ4/AD4PO-6/AB5P0.G/AD6PO.7/AD7PSENP2 O/A0P2 1/A9 P2 2/A10 P2.3U11LEP2 MM2EAP2 5/A13PI QP2 WA14P2 7/A16P3 OffiXDP1 1P3 inxoP1.2P3.2/INT0P1.3他 MNT1PI 4psrroP1 5P3 5/T1PI. 3Pa.GWRP1.7P3 7/RO0ADC51SRCFiE-l.i-l hxI2_M3114-圖口eCDEFG DP1 BCff看8歸gl11O INTLF:L =R-NFNR3作者：丰tn日期：2011年6月附录3Protues仿真结果用灯泡代替水泵a I； 4图A当水位高于1.8米报警灯亮水泵不工作僭水璀液位计茸机控制系鋭设计图B水位低于1.8米报警灯熄灭水泵不工作EJ ”邓如卫f图C水位低于1米水泵工作Channel CLavlAkil口One-ShotCungATSourceFTP一Channel BChannel Dorizoita图D过零检测电路产生过零脉冲D igiffti Oscloscope附录4将此系统传递函数应用matlab simulink进展仿真可确定PI调节系数图 E matlab simulink 仿真图F仿真结果