基于单片机的流量控制系统设计—.doc

广广东环东环境保境保护护工程工程职业职业学院学院 毕毕 业业 设设 计计 论论 文 文 题题目 目 基于基于单单片机的流量控制系片机的流量控制系统设计统设计 系 系 机机电电工程系工程系 专专 业业 机机电设备维电设备维修与管理修与管理 班班 级级 13 机机电设备维电设备维修与管理修与管理 3 班班 姓姓 名 名 黄启熙黄启熙 指指导导教教师师 完成完成时间时间 2016 年年 4 月月 17 日日 摘摘 要要 流量是自动化生产过程中重要的过程参数之一 以下采用 AT89C51 单片机 对流 量控制系统 的硬件和软件系统进行了设计 传感器采集流量信息 由变换器变换 为模拟电信号 并通过 AD 转换器转化成离散信号 传给单片机 控制系统的软件 处理信息输出 离散的控制信号 实现对流量的控制 关关键词键词 单片机 叶片式 霍尔传感器 流量控制 精品资料 目目录录 题题目 目 基于基于单单片机的流量控制系片机的流量控制系统设计统设计 1 摘摘 要要 2 关关键词键词 单单片机片机 叶片式叶片式 霍霍尔传尔传感器感器 流量控制流量控制 2 目目录录 3 前言前言 4 第一章第一章绪论绪论 5 1 1 研究目的 意义及研究内容 6 1 3 流量计概述 6 第二章第二章 工作原理及系工作原理及系统统硬件硬件设计设计 6 2 1 系统工作原理 7 2 2 硬件构成 7 2 3 流量计的介绍 8 2 4 流量计的选择 9 第三章第三章 软软件件设计设计 10 3 1 软件设计思路 10 3 2 主程序设计 10 3 3 流量控制子程序 11 第四章第四章 中断服中断服务务子程序子程序 13 4 1 设定值输入程序 13 4 2 A D 中断子程序 13 4 3 定时器中断子程序 16 4 4 数码管显示子程序 18 4 5 步进电机控制程序 20 总总 结结 22 参考文献参考文献 24 精品资料 前言前言 工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域 流量与温度 压力 和物位一起统称为过程控制中的四大参数 人们通过这些参数对生产过程进 行监视与控制 对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运 行 提高产品质量 降低物质消耗 提高经济效益 实现科学管理的基础 流 量的检测和控制在化工 能源电力 冶金 石油等领域应用广泛 1 在天然气 工业蓬勃发展的现在 天然气的计量引起了的特别关注 因为在天然气的采 集 处理 储存 运输和分配过程中 需要数以百万计的流量计 其中有些流 量计涉及到的结算金额数字巨大 对测量和控制准确度和可靠性要求特别高 此外 在环境保护领域 流量测量仪表也扮演着重要角色 人们为了控制大 气污染 必须对污染大气的烟气以及其他温室气体排放量进行监测 废液和 污水的排放 使地表水源和地下水源受到污染 人们必须对废液和污水进行 处理 对排放量进行控制 于是数以百万计的烟气排放点和污水排放口都成 了流量测量对象 同时在科学试验领域 需要大量的流量控制系统进行仿真 与试验 流量计在现代农业 水利建设 生物工程 管道输送 航天航空 军 事领域等也都有广泛的应用 精品资料 第一章第一章绪论绪论 1 1 研究目的 意研究目的 意义义及研究内容及研究内容 流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标 流量测量与控制是实现工业生产 过程自动化的一项重要任务 本课题的主要研究内容是对流量进行控制 主要由流量传感器采集流量信息 然 后经过 AD 转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机 单片机在软件系统的 控制下 根据预先的设置和预期的控制要求 通过步进电机来精确控制阀门的开 度 实现对流量的精确控制 1 2 流量计的应用领域 流量计主要用于以下几个领域 l 工业生产过程 l 能源计量 l 环境保护工程 l 交通运输 l 生物技术 l 科学实验 1 3 流量流量计计概述概述 所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量 即瞬时流量 用于测量流量 的仪表称为流量计 流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一 流量计也成为流量传感器 是一种指示被测流量和 或 在选定的时间间隔内流体 总量的流速监测装置 主要功能是当流速未达到设定的流速阀值时发出检测信 号 经计算机控制 进行报警或启动连锁保护系统 保护关键设备 能够以及时 制止在生产中的突发事故 对生产安全和经济效益 有不可估量的实际作用 精品资料 第二章第二章 工作原理及系工作原理及系统统硬件硬件设计设计 2 1 系系统统工作原理工作原理 系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息 通过变换器 转化为电信号 AD 转换器将模拟电信号转化为离散信号 传给单片机 单片机软件系统根据事先的 设定值对采集的信息进行处理 输出离散的控制信号 DA 转换器将离散的控制 信号转化为模拟电量 通过模拟电量来控制阀门的动作 从而调节流量 实现流 量的精确控制 2 2 硬件构成硬件构成 本系统主要由水泵 流量传感器 电动阀门和 MCS 51 单片机控制系统以及液体 管线和控制线 监视线等组成 系统结构框图如下所示 流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量 本控制系统的任务是对通 过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制 本系统采用单片机控制 通 过流量计采集流量信息 传给单片机 单片机通过预先设定值和系统软件进行分 析 发出相应的控制信号 驱动调节阀动作 从而确定降粘剂的配比与耗量 实 现生产过程自动化 系统硬件结构图如图所示 精品资料 其中 电磁流量计作为流量传感器 采集流量信息 经放大器放大后送到 AD 转 换器 AD 转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量 单片机 收到流量信号后 在控制系统软件的作用下 发出相应的执行命令给执行机构 步进电机 步进电机带动阀门动作 对流体流量进行控制 2 3 流量流量计计的介的介绍绍 工业上常用的流量计种类很多 如按照其测量原理来分类 大致分为 转子流量 计 差压式流量计 节流式流量计 速度式流量计 容积式流量计及其它类型流 量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等 本设计选用的是超 声波流量计 目前的工业流量测量普遍存在着大管径 大流量测量困难的问题 这是因为一般 流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难 造价提高 能损加大 安装不仅这些缺点 而超声波流量计却克服了这些问题 超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接 触式仪表 适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量 它与水位计联动可 进行敞开水流的流量测量 使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不 会改变流体的流动状态 不产生附加阻力 仪表的安装及检修均可不影响生产管 线运行因而是一种理想的节能型流量计 超声测量仪表的流量测量准确度几乎 不受被测流体温度 压力 粘度 密度等参数的影响 精品资料 2 4 流量流量计计的的选择选择 本次所选的超声波流量计为北京中元瑞得公司的 ZYF 300 本流量计的优点为 最新计算机技术 IC 技术同步发展的高技术的流量测量仪表 与其它常规类型流 量计或其它超声波流量计相比 除具有高精度 达到 0 1 高可靠性 高性能 价格低廉 内置流量日月年累计器 内置上电断电记录器 0 5 秒基本测量周期 内部 32 位浮点数据处理 频率信号输出 40 皮秒时间测量分辨率 测量周期 为 500ms 等 此流量计的工作原理为 当超声波束在液体中传播时 液体的流动将使传播时间产生微小变化 其传播时 间的变化正比于液体的流速 其关系符合下面表达式 V MD sin2 T Tup Tdown 其中 为声束与液体流动方向的夹角 M 为声束在液体的直线传播次数 D 为管道内径 Tup 为声束在正方向上的传播时间 Tdown 为声束在逆方向上的传播时间 T Tup Tdown 精品资料 第三章第三章 软软件件设计设计 3 1 软软件件设计设计思路思路 该控制系统的软件设计可以分为三部分 1 主程序部分 该部分完成存储器分区 数据定义和系统的初始化等 以及调用各 个子程序 完成主要的控制功能 2 流量控制程序 通过 PID 控制算法 编写出相应的流量控制子程序 实现对流 量的控制 达到预期的控制要求 3 各子程序 各个子程序完成具体的实现方法 主要包括 设定值输入 数码管显 示 步进电机控制 AD 转换中断 T0 定时器中断 采样中断等 软件流程图如下 3 2 主程序主程序设计设计 u 主程序部分 主要完成存储器分配 系统初始化和系统整体控制等 并通 过调用各子程序段 实现软件的总体设计功能 主程序流程图 精品资料 u 初始化 系统初始化程序的功能是对 8155 和 89C51 进行初始化 使 D A 输出 为 0 步进电机处于停机状态 将 RAM 中的标志位和工作单元置为初始状态 提 示符 CPUREADY 写入缓冲器 更新显示器子程序的功能是将显示缓冲器的内容 分别转化为段数据 输出到 8155 显示器 0 12 的显示数据缓冲器分别为 73H 7FH 单元 当系统处于停机状态时 显示器 0 4 显示参数 显示器 5 7 显示 参数地址 所以 73H 77H 作为数据缓冲器 78H 7AH 作为地址缓冲器 在运 行状态时 73H 77H 作为瞬时流量缓冲器 78H 7FH 作为累计流量缓冲器 初始化程序的流程如图所示 3 3 流量控制子程序流量控制子程序 在流量测试的基础上 把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比较计算 出误差 采用数字 PID 调节算法 计算输出到 AD0809 的变量 Uio 增量式 PID 控 制算法的计算公式为 式中 ei 为本次实际测得的流量和设定值之差 精品资料 SHAPE MERGEFORMAT P 为比例系数 I 为积分系数 D 为微分系数 输出控制变量表达式为 SHAPE MERGEFORMAT 程序的入口参数 偏差 ek ek 1 ek 2 测量值 y 给定值 r 这 5 个参数均为 3 字 节的浮点数 分别将它们存放在 RAM 单元中 低字节存放浮点数的阶数和符号 其中符号存放在最高位 阶数以补码的形式存放在另 7 位中 尾数以原码的形 式存放在另 2 个字节中 精品资料 第四章第四章 中断服中断服务务子程序子程序 4 1 设设定定值输值输入程序入程序 本程序将 4 位 BCD 码按千 百 十 个依次存放在 89C51 片内 RAM 的 30H 33 H 单元中 每个地址单元的高 4 位为 0 低 4 位为 BCD 码 程序代码如下 RDS MOV R0 30H 初始化 存放单元首址 MOV R2 7FH P1 口高 4 位置控制字及低 4 位置输入方式 MOV R3 04H 读入 4 个 BCD 码 MOV A R2 LOOP MOV P1 A P1 口送控制字及低 4 位置输入方式 MOV A P1 读如 BCD 码 ANL A 0FH 屏蔽高 4 位 MOV R0 A 送入存储单元 INC R0 指向下个存储单元 MOV A R2 准备下一片拨盘的控制端置 0 RR A MOV R2 A DJNZ R3 LOOP 未读完返回 RET 读完结束 4 2 A D 中断子程序中断子程序 A D 中断子程序流程图如下所示 精品资料 程序代码如下 INT0 PUSH ACC 保护现场 PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW SETB PSW 3 选工作寄存器区 1 MOV DPTR 0DF01H 读取 8155A 口数据 MOVX A DPTR MOV R2 A ANL A 0F0H 屏蔽低 4 位 JNZ ND5 MOV A R2 JNB 02H D51 判断是否采样零信号 MOV C ACC 0 MOV 30H C MOV C ACC 7 MOV 37H C AJMP D14 D51 MOV C ACC 0 万位和标志位 荷重信号缓冲器 精品资料 MOV 48H C MOV C ACC 7 MOV 4FH C AJMP D14 ND5 MOV A R2 判断是否读出千位 JNB ACC 7 ND4 JNB 02H D41 判断是否采样零信号 ANL A 0FH 千位 零信号缓冲器 SWAP A MOV 25H A AJMP D14 D41 ANL A 0FH SWAP A MOV 28H A AJMP D14 ND4 JNB ACC 6 ND3 判断是否读出百位 JNB 02H D31 判断是否采样零信号 MOV R1 25H 百位 零信号缓冲器 ANL A 0FH XCHP A R1 AJMP D14 D31 MOV R1 28H ANL A 0FH XCHD A R1 AJMP D14 ND3 JNB ACC 5 ND2 判断是否读出十位 JNB 02H D21 判断是否采样信号 ANL A 0FH 十位 零信号缓冲器 SWAP A MOV 24H A AJMP D14 D21 ANL A 0FH SWAP A MOV 24H A AJMP D14 ND2 JNB 02H D11 判断是否采样零信号 精品资料 ANL A 0FH 个位 零信号缓冲器 MOV R 24H XCHD A R1 CLR 02H MOV DPTR 0DFF3H 启动 A D 转换 MOV A 30H MOVX DPTR A ADS1 SETB P1 6 NOP NOP CLR P1 6 AJMP D14 D11 ANL A 0FH MOV R1 27H XCHD A R1 MOV 2AH 24H 采样数据送处理缓冲器 MOV 2BH 25H MOV 2CH 26H MOV 2DH 27H MOV 2EH 28H MOV 2FH 29H SETB 03H 置一次 A D 采样结束标志 D14 POP PSW 恢复现场 POP DPL POP DPH POP ACC RETI 4 3 定定时时器中断子程序器中断子程序 定时器 T0 中断程序流程图如下图所示 精品资料 程序代码如下 精品资料 PIT0 PUSH PSW 保护现场 PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL JNB 00H T01 允许采样否 DJNZ 10H T02 采样周期计数器减 1 不为 1 转 T02 DJNZ 11H T02 MOV 10H 0A0H 恢复采样周期计数器初值 MOV 11H 0FH SETB 0FH CLR 0DH CLR P3 4 MOV DPTR 0DFF3H 对零点采样 MOV A 00H MOVX DPTR A SETB 04H SETB 04H T02 JB 01H T05 T01 SETB P1 7 NOP CLR P1 7 T05 CLR P1 6 DJNZ 16H T06 调试用脉冲周期计数器减 1 CPL P1 4 使 P1 4 产生方波 MOV 16H 17H T06 POP DPL 恢复现场 POP DPH POP ACC POP PSW ERTI 4 4 数数码码管管显显示子程序示子程序 程序流程图如下所示 精品资料 在单片机内部 RAM 的 20H 和 21H 单元中有四位十六进制数 20H 中为高两位 以下是将其自左到右显示出来的程序 程序代码如下 ORG 2000H SDIAPLAY MOV A 20H 20H 中数送 A ANL A 0F0H 截取高 4 位 MOV P1 A 送 1 MC14495 精品资料 MOV A 20H 20H 中数送 A SWAP A 低 4 位送高 4 位 ANL A 0F0H 去掉低 4 位 INC A A1A0 指向 2 MC14495 MOV P1 A 送 2 MC14495 MOV A 21H 21H 中数送 A ANL A 0F0H 截取高 4 位 ADD A 02H A1A0 指向 3 MC14495 MOV P1 A 送 3 MC14495 MOV A 21H 21H 中数送 A SWAP A 低 4 位送高 4 位 ANL A 0F0H 去掉低 4 位 ADD A 03 A1A0 指向 4 MC14495 MOV P1 A 送 4 MC14495 RET 4 5 步步进电进电机控制程序机控制程序 程序代码如下 ORG 2100H PUSH ACC 保护现场 MOV R4 N 步进马达步进数送 R4 CLR C Cy 清零 ORL C PSW 5 转向标志状态送 Cy JC ROTE 若为反转 则转 ROTE MOV R0 20H 正转模型始址送 R0 AJMP NEXT 转入 NEXT ROTE MOV R0 27H 反转模型始址送 R0 NEXT MOV A R0 输出控制模型的值 MOV P1 A 输出控制脉冲 ACALL DELAY 延时 形成脉宽 INC R0 准备下个模型指针 MOV A 00H 判断送完一遍模型值 ORL A R0 JZ TPL 若模型结束 则 TPL LOOP DJNZ R4 NEXT 若步进数未走完 则 NEXT 精品资料 POP ACC 恢复现场 RET 返回 TPL MOV A R0 CLR C SUBB A 06H MOV R0 A 恢复模型始址 AJMP LOOP 判断步进马达步数走完 DELAY MOV R2 M1 延时 DELAY1 MOV R2 M2 DELAY2 DEC A JNZ DELAY2 DJNZ R2 DELAY1 RET END 上述控制程序是利用程序延时来控制电机的通电时间 即形成控制脉冲 以达到 正转 反转 启动和停止的 这种控制的缺点是 CPU 因执行延时程序而降低了效 率 为了提高 CPU 的使用效率 常常也可采用单片机内部定时 计数器编制上述 程序 精品资料 总总 结结 随着毕业设计的结束 我的大学生涯也将随之要划上一个句号了 在设计的这段日子里 又学到了很多东西 突然觉得自己做什么事情都特别的认 真了起来 也许是以前从未认真做过一件事吧 每天守着一大堆资料 随时还要 上网查询 有时为了查一个数据就要耗去近一个小时的时间 证实了却又感到莫 名地兴奋与愉悦 整个设计过程都是那么的紧张 严紧 偶然间就回到了过去的学习深处 也就是在那里留下了我些许的遗憾和欣慰 遗 憾里有后悔 有痛恨 曾经是那么的无知 欣慰的是事过境迁 深刻地认识了自 己 一切改过还来的及 顺利如期的完成本次设计给了我很大的信心 让我了解专业知识的同时也对本 专业的发展前景充满信心 无论给水系统还是排水系统 我都采用了一些新的技 术和设备他们有着很多的优越性但也存在一定的不足这些不足在一定程度上限 制了我们的创造力 这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力 只 有发现问题面对问题才有可能解决问题 不足和遗憾不会给我打击只会更好的 鞭策我前行 本设计在王老师的悉心指导和严格要求下业已完成 从课题选择到具体构思和 内容 无不凝聚着老师的心血和汗水 在三年的专科学习和生活期间 也始终感 受着导师的精心指导和无私的关怀 我受益匪浅 在此向各位老师表示深深的感 谢和崇高的敬意 到一个多月后 就是我要离开大学殿堂的时候了 收获的季节 我却并没有看累 累硕果 但我会带着一颗火热而年轻的心上路 去寻找属于我的那方热土 奉献 我的热血予需要我帮助的人 这也算是我今后的人生方向吧 致 谢 大学三年学习时光已接近尾声 在此我想对我的母校 我的父母 我的亲人们 我的老师和同学们表达我由衷的谢意 感谢我的家人对我大学三年学习的默默 支持 感谢我的母校给了我大学三年深造的机会 让我能继续学习和提高 感