毕业设计（论文）-液体点滴速度监控装置.doc

第页共25页液体点滴速度监控装置摘要本设计以单片机为控制核心，采用数字调节器的算法，结合现场总线技术组成了一个小型集散过程控制系统。液滴速度检测传感器与单片机形成闭环回路，通过控制步进电机来改变滴斗高度，从而达到改变和监视液滴速度目的。该系统主从结构由一个主站和多个从站组成。主站功能包含键盘输入、数据通讯、液晶显示、报警查询、实时数据打印及时钟日历等；从站功能包含键盘输入、传感器检测、单片机数据采集、数据处理、数据输出（控制、通信、液晶显示与报警）、执行机构及时钟日历等。主站与从站之间采用RS-485现场总线进行通讯，可靠性高。由于系统中采用了液晶中文显示，极大的改善了人机界面，提高了显示质量，便于用户操作。【关键字】单片机数字调节器现场总线中文液晶显示AbstractInthisdesign,becausesingle-chipisusedasthecontrolcore,algorithmofthedigitalregulatorisemployedandthefieldbustechnologyisintegrated,asmallDCSprocesscontrolsystemhasbeenmadeupof.Thedetectingsensorofdrippingspeedformstheclosed-loopsystemtogetherwiththesingle-chipwhichcontrolsthestepmotortoadjusttheheightofthedroppingfunnel,sotheaimtochangeandmonitorthedrippingspeedcanbeachieved.Theprincipalandsubordinatestructureofthesystemconsistsofamasterstationandmultipassivestations.Thefunctionsofthemasterstationincludekeyboardinput,datacommunication,LCDdisplay,alarmenquiry,realtimedataprintingandclockandcalendar,etc.Thefunctionsofthepassivestationincludekeyboardinput,sensordetecting,single-chipdataacquisition,dataprocessing,dataoutput(control,communication,LCDdisplay,givinganalarm)actuators,clockandcalendar,etc.TheRS-485fieldbuswhichhasstrongreliabilityhasbeenusedtocommunicatebetweenthemasterstationandpassivestations.BecauseChineseLCDdisplayingisutilizedinthesystem,thehuman-computerinterfaceanddisplayeffecthavebeenimprovedgreatly,beingconvenienttooperateforusers.Keywords：single-chipdigitalcontrollerthefieldbusChineseLCDdisplay第页共25页一、方案比较与论证本设计为由主站控制16个从站的监控系统，从站为按基本要求制作的点滴速度监控装置，根据题目要求将系统划分为主站与从站两大模块，两大模块之间由现场总线连接，构成有16个从站的主从监控系统。以下对系统重要部分做方案论证。1.从站单元（1）系统控制方式方案一：根据管径与液体流速的关系，采用改变管径的粗细来控制液体流速以达到控制液滴速度，即通过控制输液软管夹头的松紧来控制点滴速度。从理论上讲，这种控制方式下的系统结构相对简单。但是输液管夹子动作行程较短，广义受控对象的放大倍数太大，动作灵敏度高，控制困难，系统的稳定性不好，执行机构制作比较困难。方案二：根据液位高度与液体流速的关系，采用改变液体液位高度来控制液滴速度，即改变漏斗高度h2来控制点滴速度。制作比较容易，系统稳定性比较好，成功实现的可能性较大。液体点滴速度与液位高度成正比，液体点滴速度检测与控制装置形闭环控制系统，本系统中采用方案二实现对液滴速度的控制。（2）检测传感器方案一：采用微波传感器TX982对水滴进行检测该传感器利用微波多普勒技术，在有效空间内建立电场。当移动物体进入电场后，该传感器能够检测出该移动物体，输出检测信号。但是该传感器检测速度较慢，易受温度、气压、取样位置、人为因素等影响。检测高速液滴时(>120滴/分)，存在漏检情况。根据本课题的精度要求，不宜采用此传感器。方案二：采用神视光电传感器CX-24检测液滴该传感器是近距离扩散反射型红外光电传感器，响应时间可达1ms，可以有效检测液滴。采用神视光电传感器CX-29检测储液瓶液位，该传感器是回归反射型光电传感器，经第页共25页过光的折射可以检测透明物体。经过实验本设计采用了方案二。（3）执行部件方案一：采用直流电动机直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，容易得到满意的动、静态性能，但其不能进行定位，即使采用变速齿轮箱锁定，定位也不准确。直流电动机碳刷产生火花，对单片机系统产生电气噪声干扰，甚至使系统无法工作。方案二：采用步进电动机步进电动机可以用数字信号直接进行开环控制，易于起动、停止、正反转及调速，响应快速。它的速度可在相当宽的范围内平滑调节，停止时具有定位转矩。其位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。并且整个系统简单廉价，如图1所示。可以达到题目要求，故选此方案。VCCA0V+24V步进电机驱动器DIRCP5k5K来自单片机5k5kBBAM步进电机VCC来自单片机图1步进电机驱动原理图（4）显示界面模块方案一：采用LED数字显示。只能显示有限的符号和数字，硬件连线较多，不便于制作和调试，同时不适应大信息量的显示。方案二：点阵式LCDOCMT显示。该方案与单片机接口较为简单，显示功能强大。第页共25页采用自带FlashRom汉字库的点阵式LCD，可以实现汉字与ASCII码显示。它实现了数据实时显示和全中文界面，使界面友好，增强了人机交互性。根据显示信息量我们选用方案二。2.主站单元方案一：采用微型计算机为核心设备，配以外围硬件和系统软件完成主站的基本功能。由于是PC机与单片机之间进行数据通信，就要涉及到电平转换的接口问题。如只采用RS-232C标准接口进行通信，主从站之间的通信距离及速率将限制在15m（24Kb/s）范围内。要进行远程通信就必须进行接口转换（RS-232C转RS-485）。同时还需配以系统软件来进行外部数的据采集与显示，软件需另行设计编写。方案二：采用嵌入式微机为核心控制单元，利用组态软件设计工作界面。嵌入式微机在现代工控领域中应用广泛，系统运行稳定可靠。在其内部嵌入由组态软件制作的工作运行界面，配以外部硬件接口技术，以能满足系统设计要求。方案三：采用单片机对主站各功能模块进行核心控制，通过液晶屏幕进行信息显示。直接采用单片机为核心控制部件进行数据采集与站间通信。通过RS-485总线与各从站进行数据通讯，除可显示和控制各从站的状态外，还可对异常情况进行声光报警并扩展了打印功能以对信息进行文字输出。综上所述，以上方案均满足设计指标要求，方案一、方案二脱离了电子竞赛的主旨，在设计制作方面应尽量以电子元件进行架构，因此选用方案三，其原理结构如图2所示。3.系统总体方案从站控制系统采用单片机89C52为控制核心，从站系统框图如图3所示。考虑到在串行通信中的波特率设置的精确度和单片机的抗干扰性能，选用12MHz晶振。从站通过键盘设置点滴速度，给定输入单片机，通过数字调节器闭环控制输出脉冲，控制步进电机旋转带动钢丝线拉动储液瓶改变了h2的高度（见题目），从而控制滴液速度。由于单片机、步进电机、滴液传感器形成了闭环系统，反馈环节不断的进行补偿，系统可以达到很高的精度。当液位下降到距瓶口23cm时，液位检测传感器产生报警信号，同时把报警信号传给主站，进行声光报警。主站与所有从站进行数据通讯，负责显示所有从站的当前数据并修改从站的参数，总体系统框图如图4所示。第页共25页图2主站原理框图图3从站原理框图图4系统总体框图主站框图单片机拨码器(89C52)RS-485总线声光报警液晶显示器RS-485接口键盘打印机从站框图拨码器液位传感器声光报警液晶显示器编码器按键滴速传感器滴斗位置RS-485接口步进电机驱动器RS-485总线单片机（89C52）夹紧电机驱动器夹紧电机软管松紧RS-485总线从站1从站2从站n主站第页共25页二、系统理论分析与参数计算1.液体检测检测是系统精度的关键部位，其检测不准将影响系统的控制精度。因此在选用检测部件时应尽量减小检测误差，经过理论分析与实验，选用了回归反射型与扩散反射型光电传感器能达到检测精度。（1）检测原理光电液体检测其主要利用光在通过介质时产生的反射和折射现象来改变光的方向和光量的大小来实现的。回归反射型光电传感器是将投光器同受光器按一定角度关系封装在同一传感器壳内。投光器发出的光束需经反射板反射至受光器，受光器通过检测射入光量的多少来判断物体的有无。由于红外光在通过液体时伴有反射与折射现象同时对红外线有一定的吸收作用，故从投光器发出的光束经过被测介质后再反射回来的光通量大大削弱，从而可判断出液体的有无，如图5所示。扩散反射型光电传感器的投光器与受光器同样封装在一起，只是没有反射板配合其工作。液滴检测的原理图如图6所示。当投光器发出的光线遇到液滴时，将通过液滴表面的反射作用把光线反射给受光器，从而来判断物体的有无。通过这两种传感器的不同工作原理可对不同物理量进行有效的检测，从而满足题目的基本要求。E-1液面光电传感器反射板位置固定板储液瓶投光器受光器图5液位监测原理图E-3滴斗液滴液体投、受光器位置固定片红外光线图6滴速检测原理图第页共25页（2）液滴速度的检测为了保证检测精度，同时考虑低速时响应的时间，根据液滴速度的检测采用两种方式：（1）当设定值大于40（滴/分）时采用前五次与当前值取平均，如图7所示。这能够保证检测精度也能保证控制的响应时间；（Tn单位为秒n=1、2）图7液滴检测示意图当设定值小于40（滴/分）时采用前一次与当前值取平均，如图8所示。这样才能够保证控制的响应时间；（Tn单位为秒n=1、2）图8液滴检测示意图2.数字调节器设计（1）液滴速度控制系统的数学模型液滴速度控制系统主要由单片机、步进电机、储液瓶、输液管、滴斗和液滴速度检测部件组成。图9是控制系统的方框图。Tn-5Tn-4Tn-3Tn-2Tn-1TnTn+16Tn-5+Tn-4.+.TnN=（滴/分）×60Tn-1TnTn+12Tn-1+TnN=（滴/分）×60