课程设计（论文）-基于单片机的恒流控制器设计.docx

学 号： 0121311371305能力拓展训练题 目基于单片机的恒流控制器设计学 院自动化专 业自动化班 级自动化1305姓 名指导教师2016年8月27日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1305 指导教师： 工作单位： 武汉理工大学 题 目: 基于单片机的恒流控制器设计初始条件：某水箱底面尺寸为1m1m，深度为3m，其底部有一个内径2英寸的排水管，水在重力作用下从排水管排出。现要求在排水管上增加适合的阀门控制水的瞬时流量，使水的瞬时流量可以保持恒定。要求完成的主要任务: 1、请选择合适的调节阀、流量传感器、单片机，并完成控制系统的硬件和软件设计。2、要求完成调节阀、流量传感器和单片机选型；3、要求完成传感器、调节阀与管道的安装设计，绘制出安装图；4、完成控制系统电器原理图、接线图、布置图、单片机程序设计5、提交报告时间安排：2016年8月24日2016年8月29日目录摘要.31 研究恒流控制的意义.42 硬件设计.52.1 HGLWGY50BAB流量传感器.52.2 STC89C52单片机.82.3 D971X-16 DN50电动软密封蝶阀 .83 软件设计.10 3.1 PID调节.10 3.2 MATLAB介绍.11 3.3 simulink仿真PID调节.11 3.4单片机程序 .174系统绘图.18 4.1电气原理图.18 4.2 PCB布线图.19感谢与体会.20参考文献.21摘要 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。再加上能源紧缺，利用先进的自动化技术，控制技术以及通讯技术，设计高性能，高节能，能适应不同领域的恒流量供水系统成为必然趋势。本论文根据题目要求，设计一套由单片机，流量传感器，控制阀等主要设备构成的恒流控制器。本文详细介绍了所用单片机，流量传感器的特点，各高级单元的使用设定情况。关键词： 可编程控制器，流量传感器，单片机基于单片机的恒流控制器1 研究恒流控制的意义 水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。水工业是以城市及工业为对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展所需求的水量作为生产目标的特殊工业。它是随着水的商品化和产业化生产而逐步形成和完善的新兴工业，它是水的开采，加工，输送，回收以及利用的综合产业。 供水作为水工业中关键的一环，其品质的好坏直接影响到水工业的综合利用水平。目前在一些新建建筑及改造项目中，恒压供水装置已经替代了原来的高位水箱，其节能性，方便性，卫生性是有目共睹的。不仅如此，恒压供水系统对于某些工业生产或者特殊用户还起着非常重要的作用。例如在某些生产过程中，若供水因压力不足或短时断水，就有可能影响到产品的质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或者无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，确保恒压供水系统的无故障和自动运行，具有重大的经济意义和社会意义。2 硬件设计 2.1 HGLWGY50BAB流量传感器 液体流量传感器，可分为有腐蚀液体流量传感器以及没有腐蚀液体流量传感器，这只是从介质方面来区分的，也是在应用选要第一个注意的事项。断定了液体的性质后，就依据咱们自身运用的需求来分，计量型液体流量传感器或是模仿量信号输出流量传感器，计量类的如今一般有脉冲信号（赛盛尔水流量传感器）的，模仿量信号输出如今较多的是开关量信号输出（如干簧管式水流开关），也能够转换成电流和电压信号，模拟量的只提供一个模仿（开关)量，不能进行计量，相对来讲较为粗豪，没有计量型的液体流量传感器的精度高，模拟量的发动流量也是开关量液体流量传感器要思考的一个事项。按精度来分，有水表级的（分B级和A级，一般是在2%到3%的差错内，是要有计量证的），超出在5%-10%电子类的如今一般用来当开关量信号运用，或是水控水加热等运用，比方电热水器，饮水机，咖啡机，燃气热水器用水流量传感器。涡轮式的是水流冲击传感器的叶片(像风车叶原理)，产生正比于水流速度的旋转，旋转力带动一个小磁铁周期性触发脉冲信号，通过脉冲数量知道水流速度，然后根据管径算成流量。电磁式的是插入一个线圈，发出磁场，流体流过切割磁场产生电场，传感器根据电场强度算出流速，然后根据管径算成流量。还有一种涡介是，在流体中插入一条钢片，流体流过在钢片两侧产生数量不同的漩涡，根据两侧漩涡的数量的差别算出流速，然后根据管径算成流量。HQLWGY涡轮流量计是由涡轮流量传感器与显示仪表配套组成智能涡轮流量计。传感器具有精度高，重复性好，寿命长操作简单等特点。可广泛应用于石油，化工，冶金，造纸等行业测量液体的体积瞬时流量和体积总量。液体涡轮流量计主要技术参数:内径50mm，普通涡轮流量范围040m3/h，脉冲输出方式，P-P值由供电电压决定。脉冲频率0167HZ。使用环境 1、 环境温度-2050; 2、 相对温度：5%95%; 3、 被测介质温度：-20120; 4、 大气压力：86kpa106kpa; 5、 防爆等级：ibbt4仪表结构及安装方式：如下图 1、 仪表安装采用法兰连接、螺纹连接及夹装式； 2、 安装时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致，且上游直管段应20dn，下游直管段应5dn（dn为管道内径）。 3、传感器应远离外界磁场，如不能避免，应采取必要的措施； 4、为了检修时不至影响液体的正常输送，应在传感器两端的直管段外安装旁通管道； 5、传感器露天安装时，请做好放大器插头的防水处理； 6、传感器与显示仪表的接线，应根据放大器的电源来选择接线方式，详见有关“使用说明书。 2.2 STC89C52单片机 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。 另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。和atmel的对比STC89C52RC单片机:8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带4K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载；at89s52单片机:8K字节程序存储空间；256字节数据存储空间；没有内带EEPROM存储空间;2.3 D971X-16 DN50电动软密封蝶阀 电动软密封对夹蝶阀双偏心法兰式蝶阀结构紧凑，90回转开关轻松，密封可靠，使用寿命长，被广泛用于水厂、电厂、钢厂、造纸、化工、饮食等系统供排水中，作为调节和截止使用。 电动软密封对夹蝶阀 特点 1、本阀采用双偏心结构，具有越关越紧的密封功能，密封性能可靠。 2、密封副材料选用不锈钢和丁腈耐油橡胶配对，使用寿命长。 3、橡胶密封圈即可位于阀体上，也可以位于蝶板上，可适用不同特点的介质，供用户选择。 4、蝶板采用框架结构，强度高，过流面积大，流阻小。 5、整体烤漆、能有效地防止锈蚀且只要更换密封阀座密封材料，就可使用于不同介质。 6、本阀具有双向密封功能，安装时不受介质流向的控制，也不受空间位置的影响，可在任何方向安装。 7、本阀结构独特，操作灵活，省力，方便。电动软密封对夹蝶阀 执行标准：制造标准 GB/T 122387-89法兰标准 GB9113-2000、GB17241.6-1998结构长度标准 GB12221-89检验标准 GB/T 13927-92供电电源 220V AC信号类型 开度信号动作范围 0- 90适用介质 水，空气，天然气等输入信号 0-10VDC环境温度 -3060通径 50mm如下图3软件设计 3.1 PID调节 在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。PID控制规律写成传递函数的形式为T为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 3.2 MATLAB介绍 MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是matrixlaboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。 3.3 simulink仿真PID调节 1、在MATLAB命令窗口中输入“Simulink”进入仿真界面。2、构建PID控制器：（1）新建Simulink模型窗口（选择“File/New/Model”）,在Simulink Library Browser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID控制器的传递函数构建出如下模型：各模块在如下出调用：Math Operations模块库中的Gain模块，它是增益。拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将Gain分别改为Kp、Ki、Kd，表示这三个增益系数。Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 Kp=4.2,Ki=5.3,Kd=3.4simulink仿真PID调节%PID Controler with differential in advance clear all;close all; ts=20; sys=tf(1,60,1,inputdelay,80); dsys=c2d(sys,ts,zoh); num,den=tfdata(dsys,v); u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0; ud_1=0; y_1=0;y_2=0;y_3=0; error_1=0;error_2=0; ei=0; for k=1:1:400 time(k)=k*ts; %Linear model yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5; kp=0.36;kd=14;ki=0.0021; rin(k)=1.0*sign(sin(0.00025*2*pi*k*ts); eror(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts; gama=0.50; Td=kd/kp; Ti=0.5; c1=gama*Td/(gama*Td+ts); c2=(Td+ts)/(gama*Td+ts); c3=Td/(gama*Td+ts); M=1; if M=1 %PID Control with differential in advance )=c1*ud_1+c2*yout(k)-c3*y_1; u(k)=kp*error(k)+ud(k)+ki*ei;elseif M=2 %Simple PID Control u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+ki*ei; end if u(k)=110 u(k)=110; end if u(k)=-110 u(k)=-110; end %Update parameters u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k); end figure(1); plot(time,rin,r,time,yout,b); xlabel(time(s);ylabel(rin,yout); figure(2); plot(time,u,r); xlabel(time(s);ylabel(u);3.4单片机程序 #includereg52.h#define uint unsigned intsbit q1=P20;sbit q2=P21;sbit k1=P22;sbit k2=P23; void main(void) int speed=0,num,n,u0,u,e1,e2,e3,x,y,q;TMOD=01100000; TH0=(8192-4607)/32; TL0=(8192-4607)%32; TH1=10; TL1=10; EA=1; ET0=1;ET1=1;TR0=1;TR1=1;while(1) if(num=200) num=0; q=10*n; n=0;if(!k1) speed = speed 0 ? speed - 1 : 0; if(!k2) speed = speed 500 ? speed + 1 : 500;x=40*q/167;y=500*speed/38;e3=e2;e2=e1;e1=y-x;u0=15*e1-7*e2+27*e3;u+=u0;P0=256*u/10;q1=0;q2=0;q2=1;q1=1; void T0_time() interrupt 1 TH0=(8192-4607)/32; TL0=(8192-4607)%32;num+;void T1_time() interrupt 3n+;4 系统绘图 4.1 电气原理图 4.2 PCB布线图感想与体会此次课程设计，在短短一个星期时间内学习到了很多东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这次的课程设计还让我学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。更重要的是，我