合肥师范学院本科生毕业论文(设计)开题报告_3.doc

合肥师范学院本科生毕业论文（设计）开题报告装订线（学生用表）课题555定时器在液位控制系统中的应用系部电子信息工程学院专业电子信息工程学科工学学生肖广东指导教师宫正 吴剑威一、 课题的来源、背景及意义(1)来源：科研/生产(2)背景：液位作为化工等许多工业生产中的一个重要参数，其测量和控制效果直接影响到产品的质量，因此液位控制成为过程控制领域中一个重要的研究方向。液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。液位控制系统在工业过程控制中常用的控制策略是PID（比例-积分-微分）控制。在控制理论和技术飞速发展的今天，许多高级控制都是以PID控制为基础的1。但实践证明，当工作条件在大范围变动时，传统的单回路PID控制不具有在线整定参数的能力，由于采用固定的参数，难以保证系统适应控制系统的参数变化和工作条件变化，控制始终有较大波动，得不到理想的控制效果2。液位控制一般是指对某控制对象的液位进行控制调节，以达到所要求的控制精度。我国水资源严重短缺同时又存在严重浪费现象，两方面因素制约了国民经济的可持续发展，使社会经济建设受到巨大挑战。提高生产、生活用水水价以及对大型工、矿企业强制安装中水处理设备，都是国家不得已而为之的重大节水举措，然而传统的水传送一般会用到变送器，由于变送器在水位控制系统中普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，易造成水位变送器的故障频发，使监控设施失控，形成跑、冒水现象，进一步加剧了宝贵水资源的大量浪费，仅水资源浪费一项每年就占到全国用水量的40以上，新型自动水位测控系统的设计研制工作正是在这一契机下应运而生的，传感、变送系统的稳定性、可靠性、精确度、抗温度扰动、抗噪音干扰、防爆性能等问题一直是伴随自动控制技术发展的研究课题，变送器是一个输出标准信号的传感器，各检测现场所配备的变送器的共同特点是：(1)水位变送器是监控系统中用量最多、品种最杂、安装施工及耗材耗资最大且要求最为严格而苛刻的设备；(2)在监控系统的日常运行中，水位变送器是故障最多、失效率和损坏率最高、维修频率最大的设备3。这不仅使繁杂而庞大的传感变送系统占用了自控系统的大部分资金，带来了沉重而昂贵的维修负担，更为严峻的是在传感变送系统中的传感变送信息，在信息的生成、量化及传输过程中所受到的各种杂波、噪声的干扰，寄生电容以及电源电压波动的干扰，有些干扰甚至直接导致传感变送系统瘫痪，成为整个自控系统的致命问题。基于以上在水位测量过程中传感、变送系统所表现出的种种弊端，本课题项目研究的重点是在传感变送系统中彻底抛弃变送器，免除电源，剔除模拟量（简称三无），实现数字化自动测控系统，解决模拟量远距离传输所带来的可靠性、安全性、精确度、零点漂移以及各种杂波、温度、寄生电容和电源电压等形成的干扰，进而有效地提高自控系统的稳定性和可靠性4。(3)意义：水在人们正常生活和生产中起着重要的作用，一旦失去了水，给人民生活带来极大的不便，还有可能造成严重的生产事故及损失，为了满足及时、准确、安全充足的供水，从而对供水系统提出了更高的要求。如果仍然使用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，由此必须进行自动化控制系统的改造。从而实现提供足够的水量、水箱水位的自动控制。该设计采用电气控制技术实现超高、低警戒水位处理，实现自动控制，而达到节能的目的，提高了供水系统的质量，节约了水资源的同时也节省了开支。在该设计中，通过动手实践，培养并提高了自己分析、排除电路故障的能力，在整个设计的过程中，不断地学习，培养了查阅资料、自学课外知识、综合运用知识的能力和创新能力。最终达到学以致用，理论和实践相结合的目的。二、国内外发展现状水位的实时测量与自动控制在生产和生活实践中起着举足轻重的作用，国内和国际上早已形成了许多水位测量的传统方法，而且根据应用场合和要求不同，传感器的各项技术指标也有较大差别5。目前，根据国内外的水位测量方法以及原理大致可分为如下四种类型：(1)非接触法：超声波、声学、电容接近式、射频和微波法、核辐射法；(2)插入探头法：包括尖端敏感型、电容型、倾斜式；(3)流体静压头压力检测；如应变计和电容压力传感器；(4)机械法：浮子法、平衡浮子法和称重法6。纵观国内外水位控制系统的长远发展趋势和经济社会发展的需要，水位控制器的发展越来越呈现出如下一些趋势特征：(1)提高工作的安全性、稳定性和可靠性，尤其是长期工作条件下的上述性能，这样不但可以降低故障率，同时还可以降低日常维护费用；(2)进一步提高精度要求；(3)输出信号数字化，并采用标准的数字传送接口协议，便于传送和处理；(4)由于适用的范围越来越广泛，造价也成为一个重要的考虑指标，新型的水位控制器，在满足性能要求的同时，必须进一步降低成本，以便更利于推广使用7。预计21世纪第二个10年的热点很可能是完全数字化的水位控制系统，水位控制系统越来越向着微型化、集成化、数字化、智能化方向发展8。三、研究目标本课题在理论分析的基础上，系统设计从555定时器的基本结构入手，详细分析了555定时器的组成原理和功能后，大胆抛弃传感器，使用两块555定时器，外加一定数量的RC和发光二极管去设计工业上很常用的水池水塔自动抽水控制系统，真正实现了三无一免的设计理念：无源、无变送器、无模拟量、免维护，有效实现了数字化自动传输，取代现行模拟量传输，剔除现场变送器，安全、可靠、有效地解决了干扰问题，拓宽使用环境，提高可靠性和检测精度，在结构设计上彻底打破国内外延续多年的传统自动控制模式。水池水塔自动抽水控制系统整体控制要求是：如果水池水满并且水塔水位处于低位时水泵电机启动抽水，如果水池缺水或水塔水满时水泵电机停止工作。四、研究内容、方法及手段1、研究内容本设计主要研究内容是设计一个利用555定时器构成的施密特触发器的功能，实现无人控制的数字化自动水池水塔抽水系统。首先详细分析了555定时器的内部电路组成、工作原理和功能，完成总体方案的制定，绘制总体框图，然后分析系统的工作原理，在此基础上设计出自动抽水控制电路原理图和电机控制电路原理图，详细分析其工作原理，进一步完善对系统电路的设计。在对系统工作原理充分研究的基础上，选择合适的元件，焊接出自动水池水塔抽水系统控制电路的实物模型。2、研究方法和手段（1）查阅555定时器设计方面的相关资料，掌握相关的知识；（2）经常与导师沟通，了解液位控制关键技术的最新动态；（3）将所获得的文档资料整理分类，文献说明及时添加。五、可行性分析本次设计是在指导老师的指导下搜集、查阅相关资料，确定能够抛弃传感器，使用两块555定时器，外加一定数量的RC和发光二极管设计出工业上很常用的水池水塔自动抽水控制系统，真正实现了三无一免的设计理念：无源、无变送器、无模拟量、免维护的控制电路，这样提高了设计的灵活性，便于实际操作，而且达到目标的相对成本在可以接受的范围内。六、进度安排2011.11.20-2012.02.20 收集相关资料，与导师交流确定研究方向及基本思路。2012.02.21-2012.03.20 论文开题，完成开题报告及答辩。 2012.03.21-2012.04.15 整合相关资料，完成论文中期报告和论文初稿，准备中期辩。2012.04.16-2012.05.25 完成毕业论文，制作答辩讲稿，准备毕业论文答辩。参考文献：1 王伟，张晶涛.PID参数先进整定方法综述J.自动化学报，2000，26(3)：347-355.2 Chen G.Conventional and Fuzzy PID Controllers: An overview，Int.J.of Intelligent Control and Systems, 1996, Vol.1:235-246.3 常健生.检测与转换技术M.北京：机械工业出版社，1993.4 严钟毫.非电量测量技术M.沈阳：沈阳工业大学出版社，1997.5 黄贤武.传感器实际应用电路设计M.成都：电子科技大学出版社，1999.6 王化祥，张淑英.传感器原