简单智能液体加注装置

智能液体加注装置智能液体加注装置 班级 班级 11 班电子信息班电子信息 2 班班 4 组组 小组成员 小组成员 组长 艾白组长 艾白 组员 李明明 杨凯丽 组员 李明明 杨凯丽 路漫漫 贺莲路漫漫 贺莲 花花 指导教师 高老师指导教师 高老师 摘要 本系统采用 STC 单片机 89C52RC 作为核心处理芯片 自动注水小车系统 的软件设计采用高精度的控制算法实现 平板电动小车采用单个步进电机独立 驱动 控制精度高 稳定性好 注水探头也采用单个步进电机独立控制 准确 度高 自动注水装置由流量计 高度传感器 滑轮 支架 平板电动小车等构 成 另外 系统采用双机通信模块 将平板电动小车行使过程中的注水量 时 间 路程 高度参数等分段实时传送 构成了简单的远程控制系统 Abstract The system selects STC microcomputer 89C52RC as core processing chip automatic filling the car system software design using high precision control algorithm Electric car using a single plate step motor drive independent high control accuracy good stability Water injection also selects a single probe stepping motor independent control high accuracy Automatic filling device by flow meters highly sensors pulley bracket flat electric car of In addition the system with double machine communication module electric car will be flat in the process of exercise and injected water time distance highly parameters such as section real time transmission constitute a simple remote control system 关键词 STC 单片机 89C52RC 步进电机 高度传感器 流 量计 一 方案设计与论证 根据题目给定条件 对该系统自动注水过程的特点及其控制特性进行了分 析 分析结果表明该系统为一个精确控制系统 且在不同的位置需要注入不同 的水量 由于该系统为一个精确控制系统 采用常规的控制算法精度达不到要求 因此在软件设计是采用分段式变参数控制算法 根据以上分析 实现系统要求的关键技术主要有平板电动小车 电机的选 择及注水量高精度控制的实现两个方面 根据制作实验装置的实际情况 系统 对平板电动小车的要求应定位精度高 速度不宜过快 对注水量有较高的准确 度及灵敏度 为此 分别做了几种不同的设计方案 并进行论证 1 电机类型选择 方案一 使用直流电机 直流电机的特点是速度快 驱动电路简单 但是直流电机的位置控制难度 大 难以达到较高的控制精度 方案二 使用步进电机 步进电机是一种将电脉冲信号转化成相应的角位移 或线位移 的机电组 件 它的转角及转速分别取决于脉冲信号的数量和频率 这一线性关系的存在 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点 使得它可以达到很高的 控制精度 且控制难度要比直流电机小得多 分析两个方案的优 缺点 本系统采用第二种方案 2 电机驱动电路选择 方案一 采用步进电机专用驱动模块 此方案可以为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流 而且外围电路简 单 元件少 重量轻 控制简单 方案二 采用 L298N 电机驱动芯片 外围电路简单 电路稳定相对较差 比较以上两种方案 本系统采用方案一 3 注水量高精度控制 方案一 采用流量计 流量计可以精确地控制水流量 操作简单 但是只能单方向测量 方案二 测量水位高度的放法 此方法控制简单 灵敏度高 但精确度不够 自制高度传感器如图一所示 水杯 铜丝 导线 图 1 高度传感器 综合两个方案的优缺点及题目要求 故基本部分采用方案一 发挥部分采 用方案二 基于题目要求及以上分析 本系统主要由平板小车 控制小车设备 水管 收放设备 流量计 高度传感器 水泵 系统各部分功能如下 中央处理模块 采用两片 STC 单片机 89C52RC 作为主从控制器 完成 系统控制功能 电机驱动模块 采用两片 ULN2003A 及单片机 89C52RC 作为步进电机 驱动电路 水泵驱动模块 采用一片 L298N 及单片机 89C52RC 作为水泵驱动电路 高度检测模块 采用自制高度传感器作为高度检测模块 电源模块 采用 7812 7809 7805 稳压块及周边器件作为电源 双机通信模块 采用两片 STC 单片机 89C52RC 作为发送机与接收机 数码管显示模块 采用开发板自带模块 声光报警模块 采用开发板自带蜂鸣器及发光二极管作为报警模块 二 理论分析与计算 1 理论计算 水流量计算方法 采用磁感应 非接触式的流量计量传感器 开关量信 号输出 具有测量精度高 耐温 耐潮 耐压 1 75Mpa 等特点 精度为 0 2564ml 3900 个脉冲 L 脉冲个数 N 水量 V 可推公式 V N 0 2564ml 控制水管高度 采用精度高的步进电机 八拍编码可达到微细控制 4096 个编码转一圈 电机轮周长 10cm 可达到 24 4 m 的精确度 起始高度 H 下降编码数 N 水面高度公式 h H N 100 4096 高度传感器 根据实际测量水杯内水的电阻值 R0 为 50K 200K 欧姆 刚开始 1 端电压为 4 36V 当探针伸入水中时 R0 与 R2 并联阻值为 46 6K 154 5K 欧 此时 1 端电压为 1 6V 3V 2 端电压为 3 5V 通过比较器比较 1 端和 2 端的电压 当探针 伸入水之前 比较器输出为高电平 当探针伸入水中 比较器电压为低电平 图 2 高度 传感器原理 三 电路与程序设计 1 硬件电路设计 主控制电路设计 图 3 单片机最小系统 STC 单片机 89C52RC 主要完成以下功能 根据设定的路线和高度控制步进电机运行 根据设定控制水泵运行 计算所有测量数据并传输给显示系统 采集流量计数据 采集高度传感器数据 接收和发送主从机控制命令 控制声光报警提示 R1 100k R2 680k R3 200 R4 470 1 2 VCC 5V 0 步进电机驱动电路设计 图 4 步进电机驱动 采用步进电机专用驱动模块 ULN2003A 如图 4 所示 28BYJ 48 步进电 机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构 通俗一点讲 当步进 驱动器接收到一个脉冲信号 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的 角度 及步进角 您可以通过控制脉冲个来控制角位移量 从而达到准确定 位的目的 同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度 从 而达到调速的目的 水泵驱动电路设计 图 5 L298 电路 采用 L298 作为驱动电路 如图 5 所示 高度传感器及水面报警电路设计 图 6 高度传感器 通过传感器采集到的信号传递给比较器 将信号变为 TTL 电平 通过单片 机控制水位高度及声光报警 显示模块设计 图 7 数码管 按键模块设计 图 8 按键 电源模块设计 图 9 电源 双机通信模块 TXDRXD RXDTXD GNDGND 操作机控制机 图 10 双机通信 2 软件程序设计流程 软件设计流程图如图 11 所示 基本部分工作过程如下 首先将小车置于 A 杯出 接通电源 通过控制机 发送运行参数及操作指令到操作机 使其开始工作 通过按键设定水量按注水 键放下水管开始注水 注水停止后拉上水管 一次向 B C D E F 号水杯 中加注水 使水杯中的水达到指定量 加注完成后小车回到 A 号杯位置 并给出声光报警 发挥部分工作过程如下 小车回到 A 杯后 继续从 A 杯开始通过高度传感 器 实现加水抽水的过程 当原杯中有水且水量少于设定的量时 则只加入所 缺少的部分 当原杯中有水且水量大于设定的量时 则从杯中吧多余的水抽走 当水桶中的水量少于指定高度时报警 开始 初始化 判 断 阶 段 前进检测到水杯提 示 设定水量注水 是否第六 个杯 声光提示 返回第一个杯 Y 第一阶段 前进检测到水杯提示 第二阶段 设定水量注水或吸水 是否第六 个水杯 N 返回起点声光提示 完成 Y N 发挥部分 基本部分 图 11 流程图 四 结果分析 本系统经过多次测量反复测试后 系统非常稳定 采用流量计测量的水量 在误差范围内满足题目要求 能够精确测量 但是 通过水位高度注水或抽水 时 由于硬件问题 使其误差较大 流量计测量数据 第 1 组第 2 组第 3 组第 4 组第 5 组第 6 组 设定值 ml1 522 533 54 实测值 ml1 51 82 42 83 54 误差 ml00 20 10 200 第 7 组第 8 组第 9 组第 10 组第 11 组第 12 组 设定值 ml4 555 566 57 实测值 ml4 455 56 26 67 2 误差 ml0 1000 2010 2 第 13 组第 14 组第 15 组第 16 组第 17 组第 18 组 设定值 ml7 588 599 510 实测值 ml7 68 28 69 29 710 3 误差 ml0 10 20 10 20 20 3 第 19 组第 20 组第 21 组第 22 组第 23 组第 24 组 设定值 ml10 51111 51212 513 实测值 ml10 611 211 512 112 613 2 误差 ml0 10 200 10 10 2 第 25 组第 26 组第 27 组第 28 组第 29 组第 30 组 设定值 ml13 51414 51515 516 组 次 数 据 组 次 数 据 组 次 数 据 组 次 数 据 组 次 数 据 实测值 ml13 714 214 615 315 616 3 误差 ml0 20 20 10 30 10 3 第 31 组第 32 组第 33 组第 34 组第 35 组第 36 组 设定值 ml16 51717 51818 519 实测值 ml16 717 117 718 118 819 2 误差 ml0 20 10 20 10 30 2 第 37 组第 38 组平均误 差 设定值 ml19 5200 145 实测值 ml19 620 1 误差 ml0 10 1 高度传感器测量数据 第 1 组第 2 组第 3 组第 4 组第 5 组第 6 组 设定值 ml468101214 实测值 ml2 5810 41214 316 8 误差 ml1 522 422 32 8 第 7 组第 8 组第 9 组平均误 差 设定值 ml1618202 73 实测值 ml19 22224 4 误差 ml3 244 4 分析系统的测试结果 影响系统性能的因素除电路设计外 主要还有以下几点 传感器的安装和布局 对其检测效果的影响很大 由于水面高度不同 有