储水罐液位计算机控制系统设计

计算机控制技术课程设计储水箱液位计算机控制系统设计学生姓名取得学位学院名专业名称指导教师2011年六月七号目录1 .贮水箱液位系统设计原理41.1本设计任务和主要内容41.1.1设计任务41.1.2主要内容42 .系统建模52.1系统构成52.2系统的工作原理52.3系统型号63 .硬件选择93.1液体压力传感器选择93.2泵选择93.3微控制器的选择103.3.1 80C51电源103.3.2 80C51时钟103.3.3 80C51控制线103.3.4 80C51 I/O接口113.4 A/D转换器选择114 .硬件电路设计134.1 80C51单片机外围电路设计134.1.1时钟电路134.1.2复位电路134.2水泵驱动回路设计134.2.1继电器电路144.2.2双向晶闸管过零调速原理144.2.3过零检测电路154.2.4三端双向可控硅触发电路164.3数字编码管理电路165 .系统软件设计175.1软件设计流程图175.2软件主函数185.3软件泵控制程序18六.结论21参考文献22附录23附录123附录330附录432徐州工程学院课程设计1 .贮水箱液位系统设计原理1.1本设计任务和主要内容1.1.1设计任务本设计主要研究水箱水位自动控制系统。 该系统实现水位报警，水位实时显示。 达到2min以内，稳定在1m水位的高度，偏差为10%。1.1.2主要内容被控制系统是贮水箱。 系统如图1-1所示，贮水箱内为清水，下部有出水管，流量记为Q2。 储水箱用水泵将清水箱内的清水补充到箱内，流量为Q1，清水箱内的水位可视为固定值的2米(储水箱补充中液位不变)。 众所周知储水箱的截面积A=1平方米，高度H=2米，要求将目标水平的高度控制在1米。水箱的水位低于1m时，启动水泵，从清水箱汲水供给水箱的水箱的水位超过1m时，水泵自动停止的水箱水位达到1.8m以上时，外部警报灯自动点亮，手动复位控制系统。图1-1贮水箱系统0页共29页第2页共30页2 .系统模型的建立2.1系统构成贮水箱液位系统的概念图如图2-1所示。 该系统由清池、贮水箱、直流泵、微控制器、液体压力传感器、A/D转换器等组成。清水池在此设计中处于理想状态，即水位高度不变直流水泵采用TPH2T6K型、220V离心式水泵，该水泵工作效率为50/H微控制器选择Atmel公司生产的89C51单片机液体压力传感器选择PT500-500液体压力传感器A/D转换器选择了ADC0808 8位精度转换器。图2-1贮水箱液位系统概念图2.2系统的工作原理该系统用液体压力传感器测量储水箱的液面压力，以020mA的电流输入1个125电阻，A/D转换器对电阻的两端电压进行采样，输入微控制器80C51，微控制器80C51通过处理判断水位的高度，进行相应的处理系统的工作流程图如图2-2所示。图2-2储水箱液位系统的工作流程图2.3系统型号该系统是典型的初级系统。 贮水箱相当于流体容器，通过物质保存得到(2.1 )式中表示流入贮水箱水量表示储水箱中剩馀的水量表示从贮水箱流出的水量。设a为贮水箱的横截面积，设h为贮水箱的水位高度，则可写作(2.1)(2.2 )出水流量依赖于储水箱的流量系数、储水箱的液面水平的高度、储水箱的出水面积、重力常数。 即，即(2.3 )式中Cd表示贮水箱出口的流量系数a表示贮水箱出水面积g表示重力常数(9.8m/s2 )。结合(2.2)、(2.3)(2.4 )如果是常数的话，出水流量会达到稳定值，水位的高度也会达到一定值。(2.5 )假设有一个小的扰动值(2.6 )液面高度也有小的紊乱(2.7 )将(2.6 )、(2.7 )带入(2.4 )时(2.8 )应用泰勒级数(2.8 )线性化，泰勒级数：(2.9 )取泰勒级数的第一级(2.10 )或(2.11 )用(2.11 )对(2.8 )进行线性化(2.12 )对(2.12 )进行拉普拉斯变换，可获得：(2.13 )要导入数据：(2.14 )电动机的电气方程式：(2.15 )电动机的机械方程式：(2.16 )式中表示电动机电位系数.表示电枢电阻表示电枢电压表示电枢电流表示电枢电感表示换算成轴的转动惯量T表示电动机电磁转矩.表示负载转矩拉式转换(2.15 )、(2.16 )式，可得到转速和输入电压的传递函数(2.17 )电机经验公式：该电动机的传递函数如下所示根据上式，该液位系统的框图如图2-3所示图2-3储水箱液位系统框图3 .硬件选择3.1液体压力传感器选择本设计中储水箱的高度水平最高为2M，该设计中的最大压力可计算为19.6Kpa。 压力传感器范围可选择020Kpa，最终选择pt500500液体压力传感器，pt500500采用高精度、稳定性高的电阻应变仪作为变送器的压敏芯片，所选择的贴片技术设置了零点、全范围补偿、温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路。 主要技术要求见表3-1。表3-1 PT500-500液体压力传感器技术参数技术参数参数值被测定介质气体、液体及蒸汽微波炉可在-100KPa-20Kpa60 Mpa150 Mpa之间任意选择输出020mA (双线式)综合精度0.1%FS (量程60MPa以上)、0.25%FS、0.5%FS供电1236V DC绝缘电阻1000 M/100VDC负载电阻最大800介质温度-2085、-20150、-20200、-20300(可选)环境温度-2085相对湿度095% RH过载能力150%FS响应时间10mS电气连接不锈钢防水密封端子、四芯航空连接器、希曼连接器等该液压传感器能够完全满足控制要求，选择该传感器主要是因为供电要求为1236V DC，电压范围宽，输出020mA的标准电信号，容易进行A/D采集。3.2泵选择该设计应用TPH2T6K离心式单相交流泵，其技术参数见表3-2。 该泵采用单相交流，控制方便，流量50/H=0.83/min，可在2分钟内满足要求。表3-2 TPH2T6K离心式单相交流泵技术参数技术参数参数值工作电压220伏工作频率50HZ流量50ms3/h扬程55米进出口渠道25公分电机转速2900RPM3.3微控制器的选择该设计采用ATMEL80C51作为控制芯片。 是基于MCS-48系列发展的高性能8位单片机。 系列为8051、8031和8751。 其代表为8051。 其他系列的单片机以此为核心，因此本设计采用的核心芯片为8051单片机。 CPU是其核心装置，而且从功能上看，CPU包括两个部分：运算器和控制器来分析和处理输入信号。 每个片80C51包括8位微处理器CPU的128B片上数据存储器RAM 4KB片内程序存储器ROM； 4个8位并行I/O接口P0-P3分别可以输入和输出，2个定时器/寄存器5个中断源的中断控制系统全双工UART的串行I/O端口芯片内振荡器和时钟发生电路，但晶体结晶和微调电容需要外接。 最大允许振荡频率为12MHZ。 以上的各部通过内部总线连接。整个系统的电子控制部分使用ATMEL公司的8051作为核心芯片来控制信号采集、处理和输出三个过程。 这种芯片内置有4KROM。 由于系统有很多控制线，因此当采用8031外置EPROM程序控制结构时，虽然控制线路会变得不足，但是8051能够使用P0、P2端口作为控制总线，大幅度简化硬件结构，能够直接控制LED数据显示，因此在现场的调整和维护变得容易，系统整体的整体容易进行现在，我们来介绍一下用于此设计的针脚。 针脚图如图3-1所示。单片机的40根针脚大致分为4种：电源、钟表、控制和I/O针脚。3.3.1 80C51电源VCC -芯片电源，5V连接VSS -接地端子3.3.2 80C51时钟XTAL1、XTAL2 -晶体振荡电路的反相输入端子和输出端子。3.3.3 80C51控制线l ALE/PROG:地址锁存许可/片上EPROM程序脉冲ALE功能：锁定从P0端口送出的低位8位地址PROG功能：芯片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，该引脚输入编程脉冲。l PSEN:外部ROM读取可选通信信号。l RST/VPD:复位/待机电源。RST(Reset )功能：复位信号输入。VPD功能： Vcc停电时，连接备用电源。l EA/Vpp:内外ROM选择/芯片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择侧。Vpp功能：芯片内有EPROM芯片，在EPROM的编程期间，施加编程电源Vpp。3.3.4 80C51 I/O接口l P0口(39脚32脚) :将P0.0P0.7统称为P0口。 如果外部存储器和非扩展I/O接口没有连接，它将充当准双向8位I/O接口。 连接了外部程序存储器或扩展I/O端口时，P0端口是地址/数据时分复用端口。 分时提供8位双向数据总线。l P1端口(1脚8脚):P1.0P1.7统称为P1端口，可作为准双向I/O接口使用。 对于MCS52子系列的单片机，P1.0和P1.1具有第二功能： P1.0端口用作计时器/计数器2的计数脉冲输入端子T2； P1.1作为定时器/计数器2的外部控制侧T2EX使用。 当EPROM对程序进行验证时，P0端口接收所输入的低位8比特的地址。l2端口(21脚28脚):P2.0P2.7统称为P2端口，一般为准双向I/O接口。 连接了外部程序存储器或扩展I/O接口，地址范围超过256字节时，P2端口用于向高位8位地址总线发送高位8位地址。 当对EPROM进行编程和程序验证时，P2端口接收输入的8位地址。l3端口(10脚17脚):P3.0P3.7统称为P3端口。 双功能端口，作为一般的准双向I/O接口，每1位可用于第2功能，每P3端口的针脚可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。图3-1 80C51单片机端子图3-2 ADC0808端子图3.4 A/D转换器选择在该设计中，ADC0808被用作A/D转换器并且ADC0808是具有8位A/D转换器、8路复用器和微处理器兼容控制逻辑的CMOS组件。 逐次近似式A/D转换器，可与单片机直接接口。图3-2示出ADC0808转换器端子图ADC0808转换器端子介绍：l IN0IN7:8路模拟输入端。l OUT1OUT8:8位数字量输出端。l AL:地址锁存许可信号、输入、高电平有效。l start :向A/D转换开始脉冲输入端子输入正脉冲(至少100ns宽度)使其开始(脉冲上升沿复位0808，下降沿开始A/D转换)。l EOC:A/D转换结束信号。 当A/D转换结束时，该端子输出高电平(转换期间始终为低电平)。oe :数据输出许可信号、输入、高电平有效。 A/D转换结束后，向该端子输入高电平，输出三态门打开，输出数字量。l CLK :时钟脉冲输入端。 时钟频率必须在640KHZ以下。vref ()和V