基于ZigBee的水位自动检测与控制系统学士学位论文.doc

哈尔滨师范大学哈尔滨师范大学 学士学位论文学士学位论文 题题 目目 基于基于 ZigBee 的水位自动检测与控制系统的水位自动检测与控制系统 专专 业业 计算机科学与技术计算机科学与技术 系系 别别 计算机科学与技术计算机科学与技术 学学 院院 计算机科学与信息工程计算机科学与信息工程 哈哈 尔尔 滨滨 师师 范范 大大 学学 学士学位论文开题报告学士学位论文开题报告 论文题目 基于 ZigBee 的水位自动检测与控制系统 学生姓名 指导教师 年 级 2009 级 专 业 计算机科学与技术 2013 年 3 月 5 日 课题来源 计算机学院论文备选题目 课题研究的目的和意义 水箱在现代生活中有着广泛的用途 如作为城市乡村生活 生产用水储备 太阳能热水器储水设备等 合理利用水资源具有十分重要的意义 水位测量的 精度和实时性 便直接影响到水箱功能的完整实现与水资源合理利用 传统的水箱仅发挥储水功能 在水的储存 使用 检测等诸多方面依然采 用人工手动的方法 效率低且使用非常不方便 从传统的水位监测方式即人工 监测技术分析来看 主要存在以下问题 首先 记录方式以模拟方式为主 就 是数字方式记录的 也很难方便的输入计算机处理 其次 数据处理基本靠人 工处理判断 费时易错 最后 水位信息的采集 传输 处理的实时性和准确 性较差 无法适应现代水文的需求 在许多偏远地区 特别是居住相对分散的 农村地区 供水问题也待解决 如果仍然沿用人工方式 劳动强度大 工作效 率低 安全性难以保障 因此 要用自动化技术促进水位监测自动化的发展 目前水位自动控制系统有很多成熟的产品 控制手段主要有单片机监控 比较电路监控 利用单片机和传感器构成水箱水位恒定的控制系统等 运行可 靠 可实现远程监控和无人值守 水箱供水的主要问题是箱内水位应始终保持在一定范围 避免空箱 溢水 现象发生 本文设计一款简单实用符合要求的水位自动控制系统 满足及时 准确 安全和保证充足供水 采用单片机系统控制 使水箱内水位保持恒定 以保证连续正常地供水 实际供水过程中确保水位在允许的范围内浮动 且设 计了溢水报警功能 达到智能控制的目的 基于 zigbee 技术实现远程监控的目 的 实现水位的检测控制 处理报警 使水箱功能更加完善 更符合现实生活 应用 国内外同类课题研究现状及发展趋势 1 国外相关的研究现状国外相关的研究现状 在国外 美国和日本是较早开始水文自动化技术研究的国家 对于水文监 测系统的开发和研制 国外发达国家始终处于领先地位 其特点是 系统发展比 较完善 传感器测报设备先进可靠 通信方式多样化且十分先进 分析预报技术成 熟并积极采用各种先进的技术 在监测设备方面 国外的数据采集终端除了具 有数据的自动采集 存储 处理和传输这些基本功能外 在传感器集成 多参 数采集 监测设备智能化方面技术也比较成熟 2 国内相关的研究现状国内相关的研究现状 张盛教授曾在 科技广场 中发表文章 基于 AT89C51 单片机的水箱水位 检测控制系统设计 给出以 Atmel 公司的 AT89C51 单片机为核心器件的水箱 水位检测控制系统设计 实现水位的检测控制 处理 报警和液晶显示水位等 功能 并在 Proteus 软件环境下实际仿真 3 本课题的发展趋势 本课题的发展趋势 有些国家水位监测技术依然处于比较落后的状态 在很多地区的水箱 水 箱 还在使用比较落后的监测设备 有些地方还在通过人工采集水文数据 这 显然不能满足现代化水位监测的要求 水位监测有它特定的应用背景 一般都 在比较偏僻的区域 这使得很难通过架设有线来完成数据传输 在这种情况下 使用无线通信是一种很好的选择 当前使用的 GPRS GSM 微波和数传电台等 都有一定范围的使用 但它们都有其适用的局限性 随着无线传感器网络概念 的提出 以及水位监控网络化的需求 ZigBee 技术在水文监测领域的应用成为 了可能 并具有其它几种无线技术不可比拟的优势 4 ZigBee 技术的现状及发展前景技术的现状及发展前景 ZigBee 于 2002 年 ZigBee Alliance 成立 到 2006 年联盟推出比较成熟的 ZigBee 2006 标准协议 当 Zigbee 几年前刚出现时 它的支持者曾设想这种基于 IEEE 802 15 4 规范的无线技术拥有潜在的巨大市场 在低吞吐量 短距离通信 应用中 成本是第一王牌 而类似蓝牙 802 11x 和 802 15 3 等规范的性能过于 强大 但对于一些 Zigbee 支持者来说 当初的设想并没有成为现实 随着 ZigBee 协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动 整个 ZigBee 产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展 在 5 大上游芯片厂商和 ZigBee 联盟 的不断努力推动下 基于 ZigBee 应用层出不穷 并和我们的实际生活接轨 让 人们的生活更加智能美好 ZigBee 芯片全球销售收入逐年递增 ZigBee 技术的应用十分广泛 芯片出货量也连年递增 但总体来说 ZigBee 市场仍然处于起步探索阶段 还没有真正起飞 主要表现在可应用的终 端商用产品还多处于研发阶段 真正上市的不多 具有典型应用的方向和领域 便少 点对点的应用较多 体现 ZigBee 优势的网状网络应用少 缺乏体现 ZigBee 大型组网应用 作为离我们最近的中国市场 ZigBee 产品的应用爆发可能需要的时间更长 中国的无线网络市场还未成熟 本土厂商的参与度还非常有限 未来 ZigBee 产 业人士要加大无线自动抄表系统 车用无线领域等工业应用 便携设备等高端 市场的应用 课题研究的主要内容和方法 研究过程中的主要问题和解决办法 1 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 1 水箱上水控制 2 水箱水位监测 3 水箱水位信息反馈 4 远程监测及控制 5 zigbee 无线技术应用 6 上位机水位监测软件的使用 2 课题研究的主要方法课题研究的主要方法 1 大量阅读相关资料和文献 2 分析算法并拟定改进方案 3 设计并实现相关算法 搭建实验平台进行仿真 4 对仿真结果进行分析 3 研究过程中遇到的主要问题研究过程中遇到的主要问题 1 检测状态 2 控制水泵 3 Zigbee 传输 4 传感器的接法跟用法 继电器的接法 4 解决主要问题的方法解决主要问题的方法 1 测试实验 2 控制实验 3 课外调查 4 软件模拟 课题研究起止时间和进度安排 1 起止时间 2013 年 1 月 2013 年 5 月 2 进度安排 2013 1 11 2013 3 5 确定论文题目 查找资料 撰写开题报告 2013 3 6 2013 3 20 查找资料 进一步分析题目研究内容 2013 3 21 2013 4 10 撰写论文并送老师第一次审查 2013 4 11 2013 4 30 论文第二次修改 老师第二次审查 2013 5 1 2013 5 9 论文第三次审查 修改并作毕业答辩前准备交论文 答辩 课题研究所需主要设备 仪器及药品 1 所需的硬件设备 1 计算机 2 MSP430 系列单片机 3 迷你水箱 4 蓄电池 2 所需的软件 1 无线水位监测系统软件 2 终端节点软件 3 路由节点软件 外出调研主要单位 访问学者姓名 1 2 指导教师审查意见 指导教师 签字 年 月 教研室 研究室 评审意见 教研室 研究室 主任 签字 年 月 3 系 部 主任审查意见 系 部 主任 签字 年 月 学学 士士 学学 位位 论论 文文 题题 目目 基于基于 ZigBee 的水位自动检测与控制系统的水位自动检测与控制系统 学学 生生 徐飞宇徐飞宇 指导教师指导教师 李世明李世明 副教授副教授 年年 级级 2009 级级 专专 业业 计算机科学与技术计算机科学与技术 系系 别别 计算机科学与技术计算机科学与技术 学学 院院 计算机科学与信息工程计算机科学与信息工程 哈尔滨师范大学 2013 年 5 月 摘要 摘要 近年来 随着计算机技术 网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用 无 线通讯网络成为一个在国际上备受关注的前沿热点的研究领域 目前各种无线技术百花争 艳 竞争非常的激烈 无线生活即将到来 本文在各种无线通信中选取一种最具竞争力的蓝 牙技术与 zigbee 技术对比 在对比出双方优越性之后我们选取了 zigbee 协议作为我们毕业 设计 本毕业设计主要利用 zigbee 网络监控各种农业水箱水位变化值 然后通过 zigbee 网 络传递到监控室 上位机能够实时的显示各个监控点对应的水位值 并且可以设置对个不同 监控点的水位上限 水位超过上限值时上位机可以自动停止供水 在现场监控点可以声音报 警 并且可以随意增加监控点 随意移动监控点 传输数据安全稳定可靠 采用电池供电 操 作非常方便 避免了繁琐的拉线等操作 本论文的研究内容主要包括以下方面 1 zigbee 无线技术 2 水位传感器 3 单片机控制技术 4 上位机调试控制 关键字 关键字 无线网络 zigbee 水位控制 cc2530 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 内容简介 1 1 3 水箱控制系统的研究意义 1 1 4 国内外现状 2 第二章第二章 水箱控制基础知识水箱控制基础知识 3 2 1 ZigBee 技术 3 2 2 ZigBee 协议的概述 3 2 3 ZigBee 的主要特征 3 2 4 zigbee 的应用 4 2 5 水箱系统构成及其控制 4 2 6 系统框图 5 第三章第三章 水箱水位自动控制系统设计水箱水位自动控制系统设计 6 3 1 水泵电动机控制电路的设计 6 3 2 水位传感器的选择 7 3 3 实验系统过程建模 8 3 4 实现单容水箱 上 液位的单回路控制系统设计 8 3 5 实现双容水箱液位的单回路控制系统设计 9 3 6 实现水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统设计 9 3 7 实现副回路进水流量的前馈控制 9 3 8 系统结构 9 3 3 ZigBee 硬件电路的设计 10 3 4 芯片 cc2530 电路图 11 3 5 芯片 cc2530 的功能特性 11 3 6 芯片 cc2530 的引脚及分布描述 12 3 7 DRF1605 特性简介及电气参数 13 3 7 1 机械参数 顶视图 单位 mm 14 3 7 2 内部结构及管脚定义 如下图所示 15 3 8 DRF1605 与 MSP430 开发板连接 16 3 8 1 DRF1605 与 USB 底板连接 16 3 9 水箱控制电路图绘制及 PCB 制板 17 3 9 1 PCB 制版 18 第四章第四章 系统实现系统实现 19 4 1 任务提出 19 4 2 系统实现 19 4 3PID 闭环控制运算 22 4 4 实现水箱水位自动控制系统的 java 程序 在 PC 机上运行 25 4 5 实现水箱水位自动控制系统的 C 语言程序 在模型机上运行 30 第五章第五章 总结与展望总结与展望 35 5 1 总结 35 5 2 展望 35 致致 谢谢 36 参考文献 37 Abstract 38 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 引言引言 随水箱在现代生活中有着广泛的用途 如作为城市乡村生活 生产用水储备 太阳能 热水器储水设备等 合理利用水资源具有十分重要的意义 水位测量的精度和实时性 便 直接影响到水箱功能的完整实现与水资源合理利用 传统的水箱仅发挥储水功能 在水的储存 使用 检测等诸多方面依然采用人工手动 的方法 效率低且使用非常不方便 从传统的水位监测方式即人工监测技术分析来看 主 要存在以下问题 首先 记录方式以模拟方式为主 就是数字方式记录的 也很难方便的 输入计算机处理 其次 数据处理基本靠人工处理判断 费时易错 最后 水位信息的采 集 传输 处理的实时性和准确性较差 无法适应现代水文的需求 在许多偏远地区 特 别是居住相对分散的农村地区 供水问题也待解决 如果仍然沿用人工方式 劳动强度大 工作效率低 安全性难以保障 因此 要用自动化技术促进水位监测自动化的发展 目前水位自动控制系统有很多成熟的产品 控制手段主要有单片机监控 比较电路监 控 利用单片机和传感器构成水箱水位恒定的控制系统等 运行可靠 可实现远程监控和 无人值守 水箱供水的主要问题是箱内水位应始终保持在一定范围 避免空箱 溢水现象发生 本文设计一款简单实用符合要求的水位自动控制系统 满足及时 准确 安全和保证充足 供水 采用单片机系统控制 使水箱内水位保持恒定 以保证连续正常地供水 实际供水 过程中确保水位在允许的范围内浮动 且设计了溢水报警功能 达到智能控制的目的 基 于 zigbee 技术实现远程监控的目的 实现水位的检测控制 处理报警 使水箱功能更加完 善 更符合现实生活应用 1 2 内容简介内容简介 无线采集系统是新一代的无线采集系统 具有非常广泛的应用前景 其发展和应用将 会给人们的生活和生产的各个领域带来深远的影响 各国都非常重视无线网络的发展 IEEE 正在努力推动无线网络的应用和发展 目前众多的无线网络技术中 ZigBee 技术作 为一种新兴的无线网络技术 在工业控制 消费电子等领域以及科研开发中得到了关注和 使用 显示出其强劲的应用势头 无线采集系统在民用方面涉及城市公共安全 公共卫生 安全生产 智能交通 智能家居 环境监控等领域 国内从事无线传感器网络应用的大企 业目前为数不多 小型企业呈现蓬勃发展的势头 随着科学技术的飞速发展 特别是在全 球信息技术及其产业化的推动下 无线数据采集将会趋向于网络化 智能化 安全化的方 向发展 基于无线网络技术的数据采集系统应运而生 并将成为未来数据采集系统的重要 发展方向 智能采集系统是一种综合性的 多学科的高科技技术集合 它涉及电子 机械 计算机技术 通信技术等诸多领域 1 3 水箱控制系统的研究意义水箱控制系统的研究意义 现代水箱控制系统中大量先进仪表和设备的大量应用对其控制系统的稳定性和可靠性 提出了越来越高的要求 传统的人工手动操作已远远不能获得好的控制品质 可编程控制器 2 单片机 因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用 水箱水位控制 系统中每个工艺段的设备及检测仪表相对集中 控制相对独立 而单片机 特别适用于这样 的系统特性 因此能够完成生产过程中工业控制与状态监测 现代传感技术 电子技术 计算机技术 自动控制技术 信息处理技术和新工艺 新 材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹 在工业 国防 科研等许多应 用领域 智能检测系统正发挥着越来越大的作用 检测设备就像神经和感官 源源不断地 向人类提供宏观与微观世界的种种信息 成为人们认识自然 改造自然的有力工具然随着 科技的发展人们在控制水箱水位要求也越来越高 在引入单片机后大大增进了水箱水位的 自动化 不但达到了以前控制水泵的开关加水 而且达到及时准确 安全供水 水位变化再结合 ZigBee 作为无线领域最前沿的通讯技术 其突出特点是信息传输安全 可靠 另外其通讯协议对外开放 便于组网 使得研发成本大大降低 因而 从技术先进 性和产品的研发成本来看 Zigbee 技术非常适合应用于门禁领域 由于 ZigBee 技术本身 是一种新的系统集成技术 应用软件的开发必须同网络传输 射频技术和底层软硬件控制 技术结合在一起 使之逐渐成为无线通讯领域一个新的研究热点 然而到目前为止 国内 外基于该技术的无线采集系统为数不多 成熟化产品更加缺乏 1 4 国内外现状国内外现状 中国的城镇供水具有 120 年的悠久历史 自 1879 年中国的旅顺建成第一座供水设施开 始到 1949 年 全国只有 60 个城市有供水设施 日供水能力 186 万立方米 到 1978 年 全 国有 467 个城市建有供水设施 日供水能力达到 6382 万立方米 改革开放以来 供水事业 有了较快的发展 到 1998 年底 中国 668 个城市 具备日供水能力 20992 万立方米 另外 全国有 13922 个小城镇 建有水厂 13828 座 日供水能力达到 2111 万立方米 随着经济建 设的大规模开展 我国城市给水工程建设也得到了飞速发展 旧式水位控制系统是通过继 电器接触线路控制开停泵机来实现控制水箱水位的 这种系统的缺点是控制线路复杂 维 护工作繁重 操作麻烦 可靠性低 故障率高 而且供水量的增加也增加了供水人员的数 量以及劳动量 随着计算机网络技术在工控领域的应用和发展 可编程控制单片机已具有 很强的通讯功能 单片机系统也从单机控制系统 集中控制系统 分散型控制系统 发展 到远程 I O 控制系统 人们对供水系统的要求也越来越高如何及时 安全的供水成为不可 避免的问题 能够准确有效的控制水箱水位达到供水要求就成为供水系统急需解决的问题 目前 水箱控制系统已不仅仅局限于大型的电厂 煤炭 钢铁等大型企业领域 它以 自身的自动化控制系统的安全优势 已经慢慢深入到一些民用水箱产品 但是目前阶段 它的成本还很高 比如把一台纯手工家用水箱设计成自动化控制的水箱 从硬件的设计和 铺设 对于民用化产品实施的性价比较高 因此大规模的使用仍受到经济上的限制 但是 从长远来看 随着自动化技术的改进和硬件成本的降低 以及人们对资源浪费的重视 水 箱控制系统仍然有大规模推广的前景 我国仍然处于生产型发展中国家 所有几乎在能源 相关的所有领域中 水箱是比不可少的部件 即使是发达国家也不例外 它性能的优良与 否关系直接关系到企业的生产安全和效益 随着我国嵌入式技术的发展 我国控制系统技 术已经达到国际水平 但是在中小型企业以及民用产品 大量的水箱控制任然通过专职的 人员进行控制 随着我国单片机开发技术的逐渐成熟 以及单片机生产成本的下降 基于 单片机的水箱控制系统应用到中小型以及民用产品有着交大的发展空间 而且越来越多的 水箱生产厂商开始聘用单片机开发人员和电路设计人员 将控制系统成为水箱设计的一部 分 以提高自身产品的安全性能和科技含量来提高产品在市场中的竞争力 3 第二章第二章 水箱控制基础知识水箱控制基础知识 2 1 ZigBee 技术技术 ZigBee 技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低速率 低成本的双向无线通讯技术 主要用于距离短 功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有 周期性数据 间歇性数据和低反应时间数据传输的应用 2 2 ZigBee 协议的概述协议的概述 ZigBee 堆栈是在 IEEE 802 15 4 标准基础上建立的 定义了协议的 MAC 和 PHY 层 ZigBee 设备应该包括 IEEE802 15 4 该标准定义了 RF 射频以及与相邻设备之间的通信 的 PHY 和 MAC 层 以及 ZigBee 堆栈层 网络层 NWK 应用层和安全服务提供层 图 2 1 ZigBeee 堆栈框架 2 3 ZigBee 的主要特征的主要特征 与其它无线通信协议相比 ZigBee 无线协议复杂性低 对资源要求少 主要有以下特点 1 低功耗 这是 ZigBee 的一个显著特点 由于工作周期短 收发信息功耗较低 以及采用了休眠机制 ZigBee 终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年 2 低成本 协议简单且所需的存储空间小 这极大降低了 ZigBee 的成本 每块芯 片的价格仅 2 美元 而且 ZigBee 协议是免专利费的 3 时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短 设备搜索时延为 30ms 休眠激活时延为 15ms 活动设备信道接入时延为 15ms 4 传输范围小 在不使用功率放大器的前提下 ZigBee 节点的有效传输范围一般 为 10 至 75m 能覆盖普通的家庭和办公场所 5 数据传输速率低 2 4 GHz 频段为 250 kb s 915MHz 频段为 40kb s 868MHz 频 段只有 20kb s 4 6 数据传输可靠 由于 ZigBee 采用了碰撞避免机制 同时为需要固定带宽的通信 业务预留了专用时隙 从而避免了发送数据时的竞争和冲突 MAC 层采用完全确认的数据 传输机制 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 保证了节点之间传输信息的 高可靠性 2 4 zigbee 的应用的应用 ZigBee 是一种基于 IEEE802 15 4 的低功耗 低传输速率 架构简单的短距离无线通 信技术 它在自动控制领域的应用正越来越引起业界的瞩目 Zigbee 传输距离为数十米 使用频段为免费的 2 4GHz 与 900MHz 频段 传输速率为 20kbps 至 250kbps BobHeile 认为 相对于现有的各种无线通信技术 ZigBee 技术的低功 耗 低速率是最适合作为传感器网络的标准 这将成为未来 Zigbee 技术主要的发展方向 此外 Zigbee 成本低 结构简单 耗电量小等特点 使得利用 Zigbee 技术组成的网络具 备省电 可靠 成本低 容量大 安全 自愈性强等诸多优势 基于 Zigbee 技术的网状网 结构在组网和选择网络路径时更加灵活 自由 ZigBee 的出现将给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷 它以其低功耗 低速率 低成本的技术优势 适合的应用领域主要有 家庭和建筑物的自动化控制 照明 空调 窗帘等家具设备的远程控制以使其更加节 能 便利 烟尘 有毒气体探测器等可自动监测异常事件以提高安全性 消费性电子设备 电视 DVD CD 机等电器的远程遥控 含 ZigBee 功能的手机就可以 支持主要遥控器功能 PC 外设 无线键盘 鼠标 游戏操纵杆等 工业控制 利用传感器和 ZigBee 网络使数据的自动采集 分析和处理变得更加容易 医疗设备控制 医疗传感器 病人的紧急呼叫按钮等 2 5 水箱系统构成及其控制水箱系统构成及其控制 图 2 2 水箱水位自动控制系统 5 M1 水箱水位上限 当水箱水位达到此位置时液位传感器将向单片机发出最高水位信 号请求停止水泵工作 M2 水箱水位中限 当水箱水位达到此位置说液位传感器将向单片机发出低水位信号 请求开启水泵工作 M3 水槽水位下限 当水箱水位达到此位置说液位传感器将向单片机发出最低水位信 号请求开启水泵工作 M 抽水泵 当水箱水位达到最低水位时单片机将开到抽水泵向水箱供水 Y 补水泵 当水槽水位达到最低水位时单片机将开到抽水泵向水箱供水 原理 在控制系统启动后 若水槽水位低于水槽最低水位时液位传感器将水位信号转化为电 信号向单片机发出信号 单片机根据此信号打开补水泵向水槽补水 当水位达到水槽最高 水位时液位传感器将水位信号转化为电信号向单片机发出信号停止补水泵的工作 当水箱 水位达到最低水位时 液位传感器将水位信号转化为电信号向单片机输出 单片机在收到 信号后启动水泵向水箱加水 当水箱水位达到最高水位时传感器将水位信号转化为电信号 向单片机发出信号停止水泵的工作 2 6 系统框图系统框图 如下图整个系统由一个水位传感器 一台单片机和一台水泵以及若干部件组成 安装 于水箱上的传感器将水箱的水位转化成 1 5 伏的电信号 电信号到达单片机将控制控制水 泵的开关 水箱水位自动控制系统由单片机 核心控制部件 高低位水箱的水位检测电路高 低水位信号传送给单片机水泵电动机控制电路 单片机 控制启停及主备切换 图 2 3 系统组成框图 在水箱水位检测系统中通过超声波液位传感器将水位信号转换为电信号输入单片机中 在通过单片机控制水泵的启动或关闭 在系统运行中当水为低于最低值时单片机将启动水 泵向水箱中加水 当水箱中的水达到最高值时单片机使水泵停止运转即水泵停止向水箱供 水 等到水箱水位再次达到控制最低水位时 系统再次重复这个过程 单片机 水箱水位检测系统 水箱水位的实际高 度 水泵 6 第三章第三章 水箱水位自动控制系统设计水箱水位自动控制系统设计 3 1 水泵电动机控制电路的设计水泵电动机控制电路的设计 给排水工程中常使用三相异步电动机 水泵上的电动机一般都是单向旋转有以下控制 在水箱水位检测系统中通过水位传感器检测实际水位的高度 当水位低于最低水位时 向单片机发出信息启动水泵 经过 5 分钟检测水箱水位是否提高控制水泵的工作 当水位 达到最高水位时向单片机发出信息控制信息停止水泵工作 供水系统的基本原理如图 3 1 所示 水位闭环调节原理是 通过在水箱中的水位传感 器 将水位值变换为电流信号进入单片机 执行较后程序 通过水泵的开关对水箱中的水 位进行自动控制 当单片机 出现故障时 还有一套手动控制来进行对水箱水位控制 手动 控制采用交流接触器 图 3 1 水泵电动机控制图 水泵启动工作 当投入作为主电路电源开关的配线切断器 MCCB 时 在收到单片机的启 动水泵指令后 电磁线圈 MC 中有电流流过 电磁接触器 MC 运行 当电磁接触器 MC 运行时 主电路的主触点 MC 闭合 常闭触点 MC b 打开 常开触点 MC m2 闭合 当主触点闭合时 电源电压施加到电动机 M 上 开始运转 当常闭触点 MC b 打开时 绿灯 GN L 中无电流流 过 绿灯熄灭 当常开触点 MC m2 闭合时 红灯 RD L 中有电流流过 红灯点亮 水泵停止工作 当投入作为主电路电源开关的配线切断器 MCCB 时 在收到单片机的停 止水泵指令后 电磁线圈 MC 中无电流流过 电磁接触器 MC 恢复 当电磁接触器 MC 恢复时 主电路的主触点 MC 打开 常闭触点 MC b 闭合 常开触点 MC m2 打开 当主触点 MC 打开时 电源电压施不再施加到电动机 M 上 电动机 M 停止运转 当常闭触点 MC B 闭合时 绿灯 GN L 中有电流流过 绿灯点亮 当常开触点 MC m2 打开时 红灯 RD L 中无电流流过 红 7 灯熄灭 MCCB Molded case circuit breakers 配线切断器是把开闭机构 后动装置等统一 装到绝缘容器内的部件 它是利用操作手柄对通常使用状态的电路进行开闭控制的 经常 应用于电源电路的开闭中 当发生过载 短路等情况时自动地切断电路 MC Electromagnetic contactors 所谓电磁接触器 就是应用电磁铁对负载电流进 行开闭控制的接触器 主要用于电源电路的开闭 电磁接触器有主触点和辅助触点构成的 触点和电磁线圈与铁心构成的靠做电磁铁部分组成 THR 热敏继电器 thermal rekay 是由加热器部分和触点机构部分组成的 当够电 流流过加热部分时 双金属片因为受热而发生弯曲 因此触点部分被打开而使电路得到保 护 3 2 水位传感器的选择 水位传感器的选择 根据本设计的要求所选传感器要求在水面和水底都可以使用 所以选择超声波液位传感器 U9ULS 系列的 U9ULS 10 100 系列 U9ULS 系列超声波液位传感器开关使用范围非常 广 本产品具有焊接的不锈钢传感器探头 没有缝隙不会泄露 另外没有易损的活动部件 故可承载非常高的温度和压力 它不会受温度 压力 密度和液体类型等参数的影响 在 大多数情况下 电子设备放在铸铝的 NEMA 4 NEMA 7 防爆且防水的壳体中 U9ULS 具有以下特点 可应用于多种液体中 可承受高达 1000psi 的压力 不受气泡 蒸汽 杂质后湍流等因素的影响 长度达 121in 303 3cm 可安装在侧面 顶部或底部 工作原理 U9ULS 系列是给予超声波理论工作的 当超声波在空气中传播时 会被严重 衰减 相反地 如果在液体中传播时 超声波的传播会被大大增强 电 子控制单元发出一系列的电信号 传感器将其转化为超声能量脉冲 并在被探测区内传播 当另一端街道有效信号时 就发出数据有效的信号 表明有液体存在 这个信号输送到继 电器 从而产生输出信号 U9ULS 100 系列产品具有性能优异的传感器探头 可在温度为 300F 和压力为 1000PSI 的情况下良好的工作 U9ULS 10 系列产品为更靠近池底 将顶端的探头设计成缺口形状 控制电路设计成 小型 密封的结构 可安装在远程的控制地点 特点 10A 的继电器输出 115 230V AC 12V DC 或 24V DC 输入 高增益 无需效准 工作温度可达 300 长度可达 151 5CM 8 表 3 1 主要技术指标 输入电压115 230V AC 50 60HZ 或 12 24V DC U9ULS 10 系列增益 300 1 U9ULS 100 系列增益 1000 1 U9ULS 10 系列输出 10 A DPDA 继电器灭火两线制 4mA 干 20 mA 湿 U9ULS 100 系列输出 10 A DPDT 继电器 延时0 5s 重复性2mm 外壳NEMA 4 NEMA 7 防水防爆罩 环氧涂层 铸铝 3 3 实验系统过程建模实验系统过程建模 描述实验系统的总体结构 结构图及语言描述 利用实验建模方法建立进水流量和主管道流量之间关系的数学模型 要求写出具体的 建模步骤及结果 利用实验建模方法建立进水流量和水箱 上 液位之间关系的数学模型 要求写出具 体的建模步骤及结果 记录该对象的阶跃响应曲线 2 种不同幅值的阶跃扰动 利用实验建模方法建立副回路流量和水箱 上 液位之间关系的数学模型 要求写出 具体的建模步骤及结果 记录该对象的阶跃响应曲线 2 种不同幅值的阶跃扰动 利用实验建模方法建立双容水箱 上下串联 的进水流量 上水箱进水 和水箱 下 液位之间关系的数学模型 要求写出具体的建模步骤及结果 记录该对象的阶跃响应曲线 2 种不同幅值的阶跃扰动 3 4 实现单容水箱 上 液位的单回路控制系统设计实现单容水箱 上 液位的单回路控制系统设计 画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的各部 分环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 采用经验凑试法调节 PID 参数 使液位设定值发生阶跃变化时 控制系统达到满意的 控制质量 要求在 PID 参数调试过程中 按控制质量从坏到好分别 P PI PID 记录 6 组以上的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 并说明你做参数进一步调整 的原因 进而掌握 PID 控制作用对控制质量的影响 控制系统稳态时 打开旁路干扰阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录与 其对应的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要 去调整 PID 参数 打开副回路进水阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制系 统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要去调整 PID 参数 9 3 5 实现双容水箱液位的单回路控制系统设计实现双容水箱液位的单回路控制系统设计 画出此单回路控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的各部分 环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 采用经验凑试法调节 PID 参数 使液位设定值发生阶跃变化时 控制系统达到满意的 控制质量 要求在 PID 参数调试过程中 按控制质量从坏到好分别 P PI PID 记录 6 组以上的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 并说明你做参数进一步调整 的原因 进而掌握 PID 控制作用对控制质量的影响 控制系统稳态时 打开旁路干扰阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录与 其对应的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要 去调整 PID 参数 打开副回路进水阀 3 种开度模拟 3 种不同幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制系 统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 注意 在这种情况下 不要去调整 PID 参数 3 6 实现水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统设计实现水箱 上 液位与进水流量的串级控制系统设计 画出此串级控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的各部分环 节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 分析该控制系统和液位单 回路控制系统相比有哪些变化 这些变化会使得该系统有哪些优势 采用经验凑试法调节主 副控制器参数 使控制系统达到满意的控制质量 要求写出 调试控制器参数的具体步骤 在 PID 参数调试过程中 记录 10 组以上的控制系统过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 来说明你的调试过程 并说明你做参数进一步调整的原 因 在设定值发生阶跃变化 设定值阶跃增大及设定值阶跃减小 时 观察并记录控制系 统的过渡过程 过渡过程曲线 控制质量指标 打开旁路干扰阀 较大幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制系统过渡过程 过渡过 程曲线 控制质量指标 打开副回路进水阀 较大幅值的阶跃扰动 记录与其对应的控制系统过渡过程 过渡 过程曲线 控制质量指标 3 7 实现副回路进水流量的前馈控制实现副回路进水流量的前馈控制 画出此前馈 串级复合控制系统的控制原理图及方框图 详细说明控制系统方框图中的 各部分环节所对应的物理意义 说明该控制系统的控制依据和控制功能 分析该控制系统 和液位单回路控制系统相比有哪些变化 这些变化会使得该系统有哪些优势 试求解前馈控制器的模型 采用简化模型代替前馈控制器 利用 Matlab 仿真软件调节前馈控制器参数 使得副回 路进水流量发生剧烈变化时 控制系统达到满意的控制质量 写出前馈控制器参数的调试 步骤 记录与其对应的 6 组以上的控制系统过渡过程 包括 过渡过程曲线 控制质量指 标 充分反映你的参数调试过程 10 3 8 系统结构系统结构 实验室有两套水箱液位系统控制 主管道控制系统是由控制器 调节阀 电磁流量计 上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成 副管道控制系统由控制器 变频器 涡轮流 量计 上下串联水箱以及水箱液位检测变送器组成 下面以主管道上水箱液位控制系统为 例说明控制系统工作过程 系统有自动和手动模式 如图 3 2 所示 调节阀为气开阀 水箱液位过程为正过程 控制器为反作用方式 图 3 2 系统结构图模式 当设置系统工作方式为自动时 可以设置水箱液位高度 r 通过 PID 控制器的设置 控制调节阀的开度 从而保持水箱的液位高度稳定 如果出现扰动 通过水箱液位检测器 反馈 并与设定值进行比较 如果反馈值大于设定值 则 e0 通过反作用方式控制器时控制器的输出为负 减 小调节阀的开度 从而使水箱液位减小 同样能保证液位保持稳定值不变 其调节过程如 下 图 3 3 水箱液位调节过程 系统也可以设置手动模式 此时通过开关切换跳过 PID 控制器直接对调节阀的开度进 行设置 可以改变进水流量 从而改变水箱液位高度 使液位高度达到新的平衡 3 3 ZigBee 硬件电路的设计硬件电路的设计 ZigBee 新一代 SOC 芯片 CC2530 是真正的片上系统解决方案 支持 IEEE 802 15 4 标 准 ZigBee ZigBee RF4CE 和能源的应用 拥有庞大的快闪记忆体多达 256 个字节 CC2530 是理想 ZigBee 专业应用 支持新 RemoTI 的 ZigBee RF4CE 这是业界首款符合 ZigBee RF4CE 兼容的协议栈 和更大内存大小将允许芯片无线下载 支持系统编程 此外 CC2530 结合了一个完全集成的 高性能的 RF 收发器与一个 MSP430 微处理器 16kB 的 RAM 32 64 128 256 KB 闪存 以及其他强大的支持功能和外设 CC2530 提供了 101dB 的链路质量 优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性 四种供电 模式 多种闪存尺寸 以及一套广泛的外设集 包括 2 个 USART 12 位 ADC 和 21 个通 11 用 GPIO 以及更多 除了通过优秀的 RF 性能 选择性和业界标准增强 8051MCU 内核 支 持一般的低功耗无线通信 CC2530 还 可以配备 TI 的一个标准兼容或专有的网络协议栈 RemoTI Z Stack 或 SimpliciTI 来简化开发 使你更快的获得市场 CC2530 可以用于 的应用包括远程控制 消费型电子 家庭控制 计量和智能能源 楼宇自动化 医疗以及 更多领域 12 3 4 芯片芯片 cc2530 电路图电路图 下图为 cc2530 的方框图 这些模块大致可以分为三类 CPU 和内存相关模块 外设 时钟和电源相关的模块 以及无线电相关的模块 8051 CPU CORE MEMORY ARBITER DEBUG INTERFACE CLOCK MUX and CALIBRATI ON RADIO DATA INTERFACE POWER MANACEMENT CONTROLLER 8 KB SRAM 32 64 128 256 KB FLASH WATCHDOG TIMER SLEEP TIMER RADIO REGISTERS 图 3 4 CC2530 方框图 3 5 芯片芯片 cc2530 的功能特性的功能特性 1 高性能和低功耗的 8051 微控制器核 2 集成符合 IEEE802 15 4 标准的 2 4GHz 的 RF 无线电收发机 3 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 4 在休眠模式时仅 1 0 A 的流耗 外部的中断或 RTC 能唤醒系统 在待机模式时 少于 0 4 A 的流耗 外部的中断能唤醒系统 5 硬件支持 CSMA CA 功能 6 较宽的电压范围 2 0 3 6V 7 数字化的 RSSI LQI 支持和强大的 DMA 功能 8 具有电池监测和温度感测功能 9 集成了 12 位模数转换的 ADC 10 集成 AES 安全协处理器 11 带有 2 个强大的支持几组协议的 USART 以及 1 个符合 IEEE802 15 4 规范的 MAC 计时器 1 个常规的 16 位计时器和 2 个 8 位计时器 13 12 强大和灵活的开发工具 其相比于 CC2430 来说在实际应用的一些问题做了一些改进 缓存加大了 存储容量 最大支持到 256K 不用在为存储容量小而对代码进行限制 cc2530 的通信距离可以达到 400m 不用在用 cc2430 外放功率来扩展距离 3 6 芯片芯片 cc2530 的引脚及分布描述的引脚及分布描述 CC2530 芯片采用 6mm 6mm QFN 封装 共有 40 个引脚 全部引脚可分为 I O 端口线引 脚 电源线引脚和控制线引脚三类 1 I O 端口线引脚功能 CC2530 有 21 个可编程的 I O 口引脚 P0 P1 口是完全的 8 位口 P2 口只有 5 个可使 用的位 通过软件设定一组 SFR 寄存器的位和字节 可使这些引脚作为通常的 I O 口或作 为连接 ADC 计时器或 USART 部件的外围设备 I O 口使用 I O 口有下面的关键特性 可设置为通常的 I O 口 也可设置为外围 I O 口使用 在输入时有上拉和下拉能力 全部 21 个数字 I O 口引脚都具有响应外部的中断能力 如果需要外部设备 可对 I O 口引 脚产生中断 同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式 2 电源线引脚功能 为芯片各个部分电路 模块提供电压 3 控制线引脚功能 提供电阻 正负射频信号 为晶振提供信号 14 cc2530 引脚顶视 图 3 5 cc2530 引脚示意图 3 7 DRF1605 特性简介及电气参数特性简介及电气参数 DRF1065 ZigBee 无线通讯模块具有自动组网 无线数据透传功能 ZigBee 模块 DRF1605 使用 TI 公司第三代 ZigBee 芯片 cc2530 运行 ZigBee 2007 协议 是目前最好用 的 ZigBee 模块 电气参数 输入电压 DC 3 3V 温度范围 400C 850C 串口速率 38400bps 默认 可设置 9600bps 19200bps 38400bps 115200bps 无线频率 2 4GHz 无线协议 ZigBee2007 PRO 传输距离 可视距离 400 米 发射电流 34mA 最大 接收电流 25mA 最大 低功耗模式 用户可定制低功耗模块 标准模块没有此功能 接收灵敏度 96DBm 主芯片 CC2530F256 256KFLASH TI 公司最新一代 ZigBee SOC 芯片 可配置节点 标准数传模块可配置为 Coordinator Router 出厂时已配好 用户无 需更改 15 图 3 6 DRF1605 元器件分布图 3 7 1 机械参数 顶视图 单位 机械参数 顶视图 单位 mm 图 3 7 机械参数图 16 3 7 2 内部结构及管脚定义内部结构及管脚定义 如下图所示 如下图所示 图 3 8 DRF1605 外观图 图 3 9 J1 与 J2 引脚示意图 J 1J 2 1Debug D1Reset N 2Debug C2P0 0 3P1 73SW1 4P2 04RX 5P1 55TX 6P1 66CTS 7P1 37RTS 8P1 48P0 6 9LED 29P0 7 10P1 210LED 1 11NC11GND 12NC123 3V In 表 3 10 DRF1605 引脚定义 DRF1605详细电路图见附录一 17 3 8 DRF1605 与与 MSP430 开发板连接开发板连接 任何单片机 只要有串口 或者IO口模拟串口 都可以与DRF1605配合使 用 通过串口收发数据及配置模块 下图为MSP430的扩展串口 图 3 11 MSP430 的扩展串口 由上面我们所介绍的 DRF1605 的管脚定义 我们可以知道用扩展口的 2 或者 4 与 DRF1605 J2 中的第 12 引脚相连 即把传输模块接入了 3 3V 的电源 把扩展口的 6 或者 8 与 DRF1605 中的第 11 引脚相连 即接地 3 8 1 DRF1605 与与 USB 底板连接底板连接 1 实际上是一个 USB 转换口的电路 通过 PC 的 USB 口与 DRF1605 传输数据 2 可通过 USB 口取电对 DRF1605 供电 不需要额外的电源 3 驱动程序可在 DTK 网站上下载或者搜需 PL2303 驱动 图 3 12 J51 扩展口电路 18 图 3 13 USB 底板电路 3 9 水箱控制电路图绘制及水箱控制电路图绘制及 PCB 制板制板 Protel 99SE 是 ProklTechnology 公司开发的基于 Windows 环境下的电路板设计软件 该软件功能强大 人机界面友好 易学易用 同时也是业界人士首选的电路板设计工具 Protel 99SE 由两大部分组成 电路原理图设计 Advanced Schematic 和多层印刷电路 板设计 Advanced PCB 其中 Advanced Schematic 由两部分组成 电路图编辑器 Schematic 和 元件库编辑器 Schematic Library Protel99 SE 共分 5 个模块 分别是原理图设计 PCB 设计 包含信号完整性分析 自 动布线器 原理图混合信号仿真 PLD 设计 以下介绍一些 Protel99SE 的部分最新功能 可生成 30 多种格式的电气连接网络表 强大的全局编辑功能 在原理图中选择一级器件 PCB 中同样的器件也将被选中 同时运行原理图和 PCB 在打开的原理图和 PCB 图间允许双向交叉查找元器件 引脚 网络 既可以进行正向注释元器件标号 由原理图到