精品基于单片机的异型水箱仿真装置论文

题 目：基于单片机的异型水箱仿真装置 I 基于单片机的异型水箱仿真装置 摘要 本设计的研究对象是以单片机为核心的异型水箱仿真装置，在为这一系统进行软硬件设计的过程中，发现和总结了一些实际问题，并通过解决这些问题，就异型水箱数学模型的建立、仿真装置硬件设计、软件设计展开讨论，力争在理论分析和实际应用上有所创新。 异型水箱仿真装置的核心是围绕异型水箱的数学模型来体现异型水箱的特性，并通过软件实现整个异型水箱的工作状态和功能。 对异型水箱数学模型的建立是本文工作的重点。异型水箱属于过程控制系统实 验装置中的被控对象。由于被控对象的特性直接影响到整个系统的控制质量，所以其数学模型的建立非常重要。设计中通过机理演绎法推导并建立了其数学模型，并设计出了仿真装置。 关键词： 单片机；异型水箱；数学模型 et he of is a of of on a we on to in of of is to of to by of is to up of to a of in of of so it is of is by we to 录 摘要 . I .一章 绪论 . 1 究背景 . 1 题的目的及研究的主要内容 . 1 题的意义 . 2 第二章 异型水箱数学模型的建立 . 4 程建模的介绍 . 4 容过程的建模 . 6 型水箱数学模型的建立 . 9 立异型水箱数学模型的方法 . 9 型水箱数学模型的建立 . 11 第三章 基于单片机的异型水箱仿真装置硬件设计 . 16 统硬件的总体设计 . 16 央控制部件 . 16 央控制部件的选择 . 16 封装形式与引脚 . 17 基本电路 . 18 口线分配 . 19 行程序存储器 . 20 25045 的引脚排列及引脚说明 . 20 25045 芯片功能 . 22 作原理 . 22 25045 与 接口电路 . 23 数转换部件 . 23 数转换部件的选择 . 23 脚分配 . 24 置位说明 . 24 序分析 . 25 接口电路 . 26 机接口部件 . 26 出显示 . 26 盘输入 . 28 位报警 . 33 第四章 基于单片机的异型水箱仿真装置软件设计 . 34 统主程序设计 . 34 （毕业 论文 ） 1 第一章 绪论 究背景 随着工业自动化的飞速发展、生产过程的需求、控 制理论的开拓和控制技术工具及手段的进展要求过程控制系统不断的发展和完善。在过程控制系统中被控对象的对象特性直接影响系统的控制品质，所以对于被控对象的研究实验也成为发展过程控制系统的重要手段之一。本设计就是在此基础上进行的以单片机为核心的异型水箱仿真装置实验。 对 被控对象 进行认真和透彻的研究，对从事自动控制系统的工程技术人员来说，具有很重要的意义。 单容水箱 作为被控对象的 实验系统具有广泛的应用背景。依据其不同的实际背景设计随机出水的单水箱供液系统以及随机入水的单水箱排液系统 ， 并对这些系统的建模进行研究是很有意 义的。 题的目的及研究的主要内容 基于单片机的异型水箱仿真装置是 应用单片机控制技术 ， 以 片机为核心实现 异型水箱的 特性 。异型水箱是通过在水位分界点处其数学模型的不同来实现异型水箱所具有的异型及非线性特性 ， 同时设计相应的硬件电路来模拟异型水箱仿真装置并通过软件编程实现异型水箱的实际工作状态。 国内外所研究的水箱控制系统基本上是：单容水箱系统、双容水箱系统与三容水箱系统，其中单容水箱可以作为单输入单输出一阶对象；双容水箱可以作为单输入单输出一阶对象、二阶对象、双输入双输出对象；三容水箱可以作为单输 入单输出一阶对象、二阶对象、三阶对象 、 双输入双输出对象 1。异型水箱系统是单容水箱系统。 单片机的发展，使其越来越多的被应用在工业生产过程控制中，但由于工业生产中内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 2 的实际操作都比较复杂而且庞大 ， 为了使研究的成本降到最低，我们通过实验的方法对实际生产中的过程进行模拟和参数的标定，从而得出结论 ， 经过研究和整定，应用到实际的生产过程中，这就达到了研究的目的。 题的意义 在工业生产的实践中，人们普遍要求产品的质量 “ 稳定 ”， 而所谓产品质量的稳定实质上是指产品的某些最关键性的指标必须达到预定的要求 ， 但是产品的性能指 标的稳定往往是与产品生产过程中的工艺过程、工艺条件及工艺参数的稳定密不可分的。难以想象，在一个不稳定的、多变的生产条件下，能够生产出质量稳定的产品。事实上，在许多领域，过程控制的主要目的在于消除或减小外界的干扰对被控量的影响，使被控量能够稳定在给定值上。一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全，满足一定的约束条件，而且应该带来一定的经济效益和社会效益。因此，对于过程控制系统的设计，已不能采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高级的过程控制系统，研究先进的过程控制规 律。所以基于单片机的控制系统在过程控制的生产实践中，发挥了越来越重要的作用。 基于单片机控制的特点 ： 1. 单片微机体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好。 2. 系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比。 3. 应用系统通常将程序驻留在 ，无需软硬磁盘做软件载体，使系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。 4. 应用系统所用存储器芯片可选用 片或利用掩膜形式生产，便于成批开发和应用，许多单片微机如 68 系列和 80列，开发芯片和应用芯片相互配套，使应用系统成 本大大降低。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 3 5. 由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于安装于被控设备之内，大大推动了机电一体化产品的开发。 单片微机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。不仅有常用的 8 位机，而且 4 位单片机和 16 位单片机也得到了普及，随着过程控制精度要求的增加和运算速度的增快， 32 位单片机也得到了进一步的应用。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 4 第二章 异型水箱数学模型的建立 程建模的介绍 1 过程建模的基本概念 被控过程的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量之间关系的数学描述。或者说，是描述被控过程因输入作用导致输出量（被控变量）变化的数学表达式。 被控 过程可能既受控制输入的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输入还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。 2 数学模型的作用与要求 被控过程数学模型的作用很多，归纳起来主要有以下几点 7： （ 1） 设计过程控制系统及整定调节器参数 在设计过程控制系统时，选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探讨最佳工况以及调节器参数的最佳整定等都是以被控过程的数学模型 为 重要依据。尤其是实现生产过程的 最优控制，如果没有充分掌握被控过程的数学模型，就无法实现最优设计。因此，建立数学模型也是实现最优控制的必要前提。 （ 2） 指导生产工艺及其设备的设计与操作 通过对生产工艺过程及其相关设备数学模型的分析或仿真，可以确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而指导生产工艺及其设备的设计与操作。 （ 3） 对被控过程进行仿真研究 通过对过程的数学模型进行仿真试验，在计算机上进行计算、分析，以获取代表或逼近真实过程的定量关系，可以 为 过程控制系统的设计与调试提供所需的信息数据，从内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 5 而大大降低设计试验成本，加快设计进程。 对建立 被控过程数学模型的具体要求，随其用途不同而异，但总的来说，一是应该尽量简单，二是应该正确可靠。 3 建立过程数学模型的途径 建立被控过程数学模型的方法目前主要有三种：一是机理演绎方法；二是实验辨识方法；三是机理演绎与实验辨识相结合的混合方法，下面分别加以说明。 （ 1） 用机理演绎法 建立 被控过程的数学模型 所谓机理演绎法又称解析法，它是根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。 通常的静态物料或能量的平衡关系是单位时间内进入被控过程的物料或能量 等于单位时间内从被控过程流出的物料或能量。 通常的动态物料或能量的平衡关系是单位时间内进入被控过程的物料或能量减去单位时间内从被控过程流出的物料或能量等于被控过程内物料或能量贮存量的变化率。 由过程机理推到数学模型需要有足够和可靠的验前知识，否则，推导的结果就可能出现失真。这种方法的突出优点是在过程控制系统没有建立之前就先推导出数学模型，对于系统的事先设计和方案论证是十分有利的。 （ 2） 用实验辨识方法求取被控过程的数学模型 实验辨识方法又称系统辨识与参数估计方法，即根据过程输入、输出的实验测试数据，通过过程 辨识和参数估计得出数学模型。过程辨识是根据测试数据确定模型结构（包括形式、方程阶次及时滞情况 等 ）。在已定模型结构的基础上，再由测试数据确定模型的参数称为 参数 估计。也有人将此统称为系统辨识。 实验辨识方法最常用的有三种，即相应曲线法、相关统计法以及最小二乘法。 在采用实验辨识方法获取被控过程的数学模型时，存在一个开环辨识还是闭环辨识内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 6 的问题。 目前常用的辨识方法一般是在开环条件下进行的。 容过程的建模 此单容过程的建模采用解析方法。 所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程 可 分为自衡单容过程与无自衡 单容过程。所谓自衡过程，是指被控过程在扰动作用下，平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表的干预，依靠自身能够恢复平衡的过程。反之，称为无自衡过程。 1 单容自衡过程数学模型的建立 某单容液位过程如图 示。 1Q 2Q 1图 容自衡液位过程 符号说明 ： 水箱流入量 ； 水箱流出量 ； A 水箱截面积 ； h 水箱液位高度 ； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 7 h 分别为某平衡状态 增量 。 根据动态物料平衡关系，故有 21 (2表示成增量形式则为 21 (2静态时应有 2， dh/， 生变化，液位 h 也随之而变，使贮蓄罐出口处的静压发生变化， 要发生变化。假定 h 近似成线性关系， 与阀门处的静压液阻 有 2 (2将式（ 2入式（ 2，经整理可得 1/ (2式（ 2为单容液位被控过程的微分方程增量表示形式。 将 式（ 2行拉氏变换，写成传 递函数形式则有 )1/()(/)()( 1 (2为了更一般起见，将式（ 2成 )1/()1/()(/)()( 1 (2式中， T 为过程的时间常数， T=K 为过程的放大系数， K=R； C 为过程的容量系数，或称过程容量，此处 C=A。 2 单容无自衡过程数学模型的建立 某单容液位过程如图 示。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 8 1Q 2Q 1图 容无自衡液位过程 符号说明 ： 水箱流入量 ； 水箱流出量 ； A 水箱截面积 ； h 水箱液位高度 ； h 分别为某平衡状态 增量 。 根据动态物料平衡关系，故有 21 (2 21 (2 由于 定 值 ，故 02 Q 。 依此 将式（ 2成 1 (2上式 （ 2即为该过程的输出输入关系。将此关系写成传递函数即为 )(/)()( 1 (2式中， T 为过程的积分时间常数， T=A。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 9 型水箱数学模型的建立 立异型水箱数学模型的方法 1 异型水箱的数学模型 分析 异型水箱如图 示，其系统方框图如图 示。 1V - 2Q 1 出Q 2 出Q 1水 箱图 型水箱 K 1 / ( T 1 s + 1 )K 2 / T 2 s )Y ( s )X ( s )图 型水箱系统方框图 图 ， 当 异型水箱液位 ，图 开关闭合，干扰加入到系统中，这个干扰实际上就是第二个孔处的流出量。 水箱 流出量的变化将引起水位的变化，反之当水位发生变化时，水位的变化将使流内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 出量发生变化，此处的流出量不仅 是第一个流出口的流量，同时也包括第二个流出口的流量。而第二个流出口的流量正是引入的干扰，所以引入的干扰通道将与输出构成一个负反馈回路。这样 经变化的 系统框图如图 K 2 / T 2 / ( T 1 s + 1 )H ( s )X ( s )Y ( s )变化的系统方框图 2 响应曲线的建立 y ( t )y ( )T / 2图 阶无时延阶跃响应 设阶跃输入变化量为 x， 可求得一阶无时延环节的阶跃响应为 )1()( / (2式中， K 为过程的放大系数， T 为时间常数。 对于式（ 2考虑到 )()(2根据式（ 2（ 2有 )1)()( / (2 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 令 t 分别为 t=T/2、 T、 (%39)2/( )(%63)( 及 )(%( 根据以上数据绘出响应曲线如图 示 。 型水箱数学模型的建立 为作出异型水箱，在标准水箱的不同高度打尺寸相同的流出口，在不同高度上阀门处的静压液阻不同。用机理演绎法建立异型水箱的数学模型 。 1 当液位 1V - 2Q 1 出Q 2 出Q 1型水箱液位过程 Q 1型水箱液位 过程阶跃响应 当液位达到分界点 ，加入了第二个孔的流量，整个过程的稳态值将发生变化，把整个过程近似为单容自衡过程，如图 符号说明 ： 水箱流入量 ； 出1Q 水箱第一个出口的流出量 ； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 14 出2Q 水箱第二个出口的流出量 ； Q 水箱 的总 流出量 ； 水箱阀门 1 处的静压液阻 ； 水箱阀门 2 处的静压液阻 ； A 水箱截面积 ； 分界点液位 ； h 水箱液位高度 。 根据动态物料平衡关系，故有 )(2111 出出 (2(/2121 表示成增量形式则为 )( 211 (2静态时应有 1 , 0/)( 21 1Q 发生变化，液位21 也随之而变，使贮蓄罐出口处的静压发生变化， Q 也要发生变化。假定 Q 与21 近似成线性关系，与阀门处的静压液阻 21 成反比关系，则有 )/()( 2121 (2将 式（ 2入式（ 2，经整理可得 121212121 )()(/)()( (2 式（ 2为单容液位被控过程的微分方程增量表示形式。将式（ 2行拉氏变换，写成传递函数形式则有 1)(/)()(/)()( 21211 (2 为了更一般起见，将式（ 2成 )1/(1)(/)()(/)()( 21211 (2内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 15 式中， T 为过程的时间常数， ( 21 ； K 为过程的放大系数， 21 ；C 为过程的容量系数，或称过程容量，此处 C=A。 此过程输入 为 单位阶跃信号，响应曲线如图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 16 第三章 基于单片机的异型水箱仿真装置 硬件设计 统硬件的总体设计 基于单片机的异型水箱仿真装置 硬件设计的原理框图如图 硬件电路图见附录 A。 A T 8 9 C 5 2单 片 机电 源 监 测 及 看 门 狗X 2 5 0 4 5电 源输 出 显 示A / D 转 换T L C 0 8 3 2报 警 指 示键 盘 输 入水 箱 进 水 处 流 量图 型水箱仿真装置电路框图 系统硬件部分由 A/盘输入、电源监测及看门狗 片机、输出 显示以及报警指示 电路组成。 将采集来的水箱进水处流量 经 A/入单片机处理并输出显示 异型水箱 的 实际水位 。 其中，键盘 设置 参数模拟水箱特性 。 央控制部件 央控制部件的选择 由图 对水位信号处理的整个过程中，单片机是一个最繁忙部分，是整个控制系统的核心，本设计中选用 9系列单片机内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 17 此单片机是以 8031核构成的，与 8051系列单片机兼容，因此设计者很容易以8051为基础进行构造设计。 用在这里不仅使电路大大简化 ， 省去了 许多 元器件 ,而且使电路的智能性与灵活性也大大提高。 此外， 89系列单片机还具有一些很明显的优点 16： 内部含 和 80 静态时钟方式 、 错误编程亦无废品产生 、 可反复进行系统试验 。 封装形式与引脚 三种封装形式，以适应不同产品的需求。 装为扁平的 44 个引脚 封装，这种封装的体积很小、成本较低，为目前商品的主流 ， 但在学校或培训机构 中 ，这是行不通的。 料有引线芯片载体）封装也是 用的封装方式，这也是 44 个表面粘着式引脚（ 封装，其中包括 4 个空引脚，其引脚编号与 装非常类似（相容）。一般来说，采用这种封装的部件，可直接应用在电路板上，而不必钻孔。在研发、实验或教学时，还可利用插座，以缩短开发与生产的差距。 本设计中 封装是 40 个引脚双并排的封装，简称 于现在都是采用较便宜的塑料封装，所以又叫做 装里，俯视图左上方有记号者为第一脚，然后逆时针排序，分别为 2、 340 脚。相邻两只脚的间距为 尺，而两排引脚之间距为 寸，刚好可插在面包板或 40插座上，特别适用于学校、培训机构里。不过，由于针脚式封装体积较大、电路板制作成本较高，已很少用在商品里。 40 个引脚中包括电源引脚 入 /输出口 位引脚 率引脚（就是时钟脉冲引脚） 储器引脚 1统使用内部存储器； 0，系统使用外部存储器。）外部存储器控制引脚 址锁存允许信号）、 程序存储器允许输出端） 。 其引脚图如图 示。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 18 图 脚图 基本电路 图 基本电路 整个基本电路图如图 示。 1 电源 没有电路是不需要电源的， 是如此。 首先将 40 脚接 就是 +5V，内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 19 20 脚接地 如图 所示。 2 时钟脉冲 部已具备振荡电路，只要在接地引脚上面的两个引脚（即 19、 18 脚）连接简单的石英振荡晶体（ 可。如图 所示。 3 复位电路 复位引脚是第九脚，当此引脚连接高电平超过 2 个机器周期（一个机器周期为 6 个时钟脉冲），即可产生复位的动作。 12时钟脉冲，每个时钟脉冲 1s，两个机器周期 2s， 因此，在第九脚上连接一个 2s 以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作。 通常， 还会在电容两端并连一个按钮开关，如图 示，此按钮开关是手动的 制 如图 所示。 4 存储器设定电路 基本电路的最后部分是存储器的设定，如果把 31 脚（ 接地，则采用外部存储器；如果把 31 脚（ 接 采用内部存储器。在本设计中采用内部存储器，所以把 31 脚（ 与 连。 如图 所示。 口线分配 现在把单片机 线的具体分配 方 法列表 下 ： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 20 表 线分配 I/O 线 功能分配 所属模块 模数转换 I 端 模数转换 25045 的复位端 内存扩展 25045 的 内存扩展 25045 的时钟端 内存扩展 码显示输入端 人机接口 码显示时钟端 人机接口 制扬声器 人机接口 键输入口 人机接口 行程序存储器 现代单片机的应用系统要求功能齐全、结构简单、价格低廉。在单片机系统的设计中，设计人员必须考虑单片机系统的抗干扰能力和数据长期可靠保存，并且具有看门狗功能、断电后能保存数据和上电、掉电时 的 复位功能。 近几年来，产品设计变化很快。体积更小、可编程、高性能的产品需求飞涨。过去通常用来提高系统可靠性的三种电路分别为：看门狗定时器、低压复位和上电复位电路。通过联合这些电路的特性， 美国 司为系统设计师们提供了一个更小、功能更强、花销更少的 芯片 芯片就是将单片机测控系统中常用的功能： 看门狗定时器 ；电源电压监控 ； 上电复位；单行 成在一起的集成芯片。 25045 的引脚排列及引脚说明 脚排列如图 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 21 X 2 5 0 4 5C W PV s S E V C 脚图 其引脚功能说明如下： 行输出引脚。在读周期内，数据在此引脚输出，数据由串行时钟的下降沿同步输出。 行输人引脚。所有操作码、字节地址以及储存器的数据在此引脚上输人。数据由串行时钟的上升沿锁存。 行时钟控制 ， 用于数据输人和输出的串行总线定 时。操作码、地址或出现在 脚上的数据在时钟输人的上升沿锁定，而 脚上的数据在时钟输人的下降沿之后发生改变。 芯片选择引脚。 当 高电平时， 被选择， 出脚处于高阻状态；当为低电平时， 始工作。应当注意，在上电之后 ， 在任何操作开始之前，需要从高电平至低电平的跳变。 写保护引脚。当 低 电平时， 非易失性写操作被禁止，但是芯片的其它功能正常。当 持高电平时，所有的功能，包括非易失性写操作都正常。在 为 低 电平时 为低电平将中断对 写操作。 复位引脚。 脚是高电平有效，漏极开路的输出端。只要 降至低于最小 测电平， 变为高电平。它将保持高电平直至升到最小 测电平 200止。如果允许看门狗定时器工作且 持高内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 22 电平或低电平的时间长于看门狗超时周期，那么 变为高电平。 下降沿将复位看门狗定时器。 。 源电压 。 25045 芯片功能 三种常用的功能：看门狗定时器、电压监控和 1 看门狗 看门狗定时器对微机控制系统提供了独立的保护系统。它提供了三种定时间，可编程选择 200600设定的时间内如果没有对 行访问，则看门狗以 号做输出响 应，即变为高电平，延时约 200， 高电平变为低电平，进行系统复位。 2 电压监控 上电时，电源电压超过 ，经过约 200稳定时间后， 号由高电平变为低电平。掉电时，如电源电压低于 号就立刻由低电平变为高电平并一直保持到电源电压恢复到稳定为止。 3 能 片内部的储存器采用 艺的 4096 为串行 按 5128 组织，每个字节可以擦写 10 万次以上，内部数据可以保存 100 年以上。芯片具有编程块锁定功能。采用简单的三 线总线的串行外设接口就可以对该芯片进行读写。 25045 工作原理 片是设计成直接与许多常用微控制器系列的同步串行外设接口（ 接的 5128括一个 8 位指令寄存器，它可