储水罐液位控制系统设计Word文档下载推荐.doc
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4.1液位传感器的选型 9
4.1.1液位传感器简介 9
4.1.2液位传感器工作原理 9
4.1.3液位传感器选型 9
4.2微控制器的选择 10
4.2.180C51电源 11
4.2.280C51时钟 11
4.2.380C51控制线 11
4.2.480C51I/O接口介绍 11
4.3A/D转换器选择 12
5硬件电路设计 13
5.180C51单片机外围电路设计 14
5.1.1时钟电路 14
5.1.2复位电路 14
5.1.3数码管显示电路 14
5.1.4A/D转换电路 15
5.2水泵驱动电路设计 15
5.2.1电机驱动电路 15
6软件设计 17
6.1软件设计概要 17
6.1.1软件设计模块：
17
6.1.2模拟PID控制原理 17
6.2软件设计流程图 18
结论 19
参考文献 20
附录：
21
1课程设计说明
1.1题目说明
被控系统为一储水罐。
系统如图1-1所示，储水罐内为清水，下部设有出水管，流量记为Q2。
储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内，流量记为Q1，清水池内的水位可视为固定值2米（即在储水罐补水过程中液位不变化）。
已知储水罐的截面积A=1平方米，高度H=2米，要求控制目标液位高度为1米。
图1-1，储水罐系统示意图
1.2设计要求
1要求控制系统调节时间≤2分钟，超调量≤10%。
2设计人机接口实时显示。
2控制系统结构框图与工作原理
2.1系统结构框图
图2-1，系统结构框图
图2-1中的控制器是PID控制器，其功能由计算机实现。
计算机有强大的运算，逻辑判断和记忆功能。
当给初始量和反馈量后，依照偏差值进行PID控制算法的运算，计算结果经AD转换器转换为模拟信号传送给执行机构完成对系统的控制。
2.2系统工作原理
如图1-1所示打开电源水泵工作，将水抽入储水罐中，进水流量为,水槽液位高度上升，水槽底部有出水槽，水以流量的速度流出。
水槽中有一个液位控制器测量液位懂的高度，液位传感器将液位高度经AD转换器传至计算机与给定液位高度比较得到偏差，经控制算法计算出相应的控制值，控制信号经DA转换器转换为模拟信号控制水泵抽水，从而达到给定的高度。
3控制系统数学模型与总体控制方案
3.1储水槽数学模型建立
储水罐流入量与流出量之差可用式3-1表示。
……………（3.1）
其中表示输入的水流量
表示输出的水流量
表示储水罐中水的体积
表示储水罐横截面积
表示储水罐液位的增量
输入水量也可表示成
………（3.2），其中表示输入流量的系数
输出水量由于和出水孔的面积，页面高度有关，可表示成
……（3.3），其中表示出水口流量系数。
将3.2式，3.3式代入3.1式得
移项变形，即
令，，
则再变形成：
传递函数：
这是一个典型一阶环节，由条件可知,取，
得传递函数：
3.2电机的数学模型建立
图3-1是电枢控制直流电动机原理图
图3-1，电枢控制直流电动机原理图
（1）电网络平衡方程
式中表示电动机内阻；
表示电枢绕组的感应电动势；
表示电枢电，表示电动机电感。
（2）电动势平衡方程
式中为电动机常数，由电动机的结构参数决定。
（3）机械平衡方程
式中为电动机转子的转动惯量;
为电动机的电磁转矩；
为折合阻力矩。
（4）转矩平衡方程
式中为电磁力矩常数,由电动机的结构参数确定。
将上述4个方程联立,因为空载下的阻力矩很小,略去,并消去中间变量、、,得到关于输入输出的微分方程式
这是一个二阶线性微分方程,因为电枢绕组的电感一般很小,略去,则可以得到简化的一阶线性微分方程:
令初始条件为零,两边拉氏变换,求得传递函数
由于抽水高度不高，查阅相关资料选择WKA1300型水泵，参数如表3-1：
表3-1，水泵参数表
电压
电流
流量
最大抽水高度
处于最大抽水高度时泵的抽水速率
12V
<
400mA
1.3L/min
3m
>
500（L/min）
24V
240mA
根据设计要求控制系统调节时间≤2分钟，水泵的选型要考虑调节时间的限制。
由于储水槽到达液位高度时水槽中水的容量为1000L.得出该电机的传递函数为
由上式我们可以得到此液位系统的框图如图3-1
图3-1，储水罐液位系统框图
3.3控制系统的传递函数建立
由图3-1，得系统闭环传递函数
控制系统性能指标
超调量：
调节时间：
上升时间：
峰值时间：
按照要求控制系统调节时间≤2分钟，超调量≤10%。
经计算，，符合要求。
4硬件选择
4.1液位传感器的选型
4.1.1液位传感器简介
液位传感器是一种测量液位的压力传感器．静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感原件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4～20mA／１～５ＶＤＣ）。
静压投入式液位变送器精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。
4～20mA、0～5v、0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。
4.1.2液位传感器工作原理
用静压测量原理：
当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：
………………………………式（4-1）
式中：
：
变送器迎液面所受压力；
：
被测液体密度；
当地重力加速度；
液面上大气压；
变送器投入液体的深度；
通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压与传感器的负压腔连，以抵消传感器背面的使传感器测得压力为：
，显然,通过测取压力，可以得到液位深度。
4.1.3液位传感器选型
根据设计要求液位目标高度为1m，故传感器量程不能选择太大，精度要高。
查阅相关资料选择URS-100投入式液位变送器
结构原理：
URS-100系列静压式液位计变送器是通过测量液体高度而产生的静压力来测定液体液位的。
当把液位变送器的传感器部分投入到液体介质中时，传感器把液体的静压转换为电压信号，该电压信号经放大后转化成4~20mADC标准电流信号输出。
主要技术参数
1，测量范围：
0~1m；
0~100m
2，输出信号：
4~20mADC二线制
3，精确度：
0.2级，可提供0.1级
4，介质温度：
-40~100℃
5，环境温度：
-30~80℃
6，环境温度影响：
在温度外偿范围内，零位变化量≤±
0.3%/10℃
7，量程变化量:
≤±
0.2%/10℃
8，电源电压:
24VDC,按负载特性,电源电压可达12~40VDC
4.2微控制器的选择
此设计采用ATMEL80C51作为控制芯片。
它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。
所出的系列产品有8051、8031、8751。
其代表就是8051。
其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。
CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:
运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。
每片80C51包括：
一个8位的微型处理器CPU；
128B的片内数据存储器RAM；
4KB片内程序存储器ROM；
四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；
两个定时器/记数器；
五个中断源的中断控制系统；
一个全双工UART的串行I/O口；
片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频率是12MHZ。
以上各个部分通过内部总线相连接。
整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。
这种芯片内置4KROM，因为系统要求控制线较多，如果采用8031外置EPROM程序控制结构，则造成控制线不够，而8051却可以利用P0、P2口作控制总线，大大简化了硬件结构，并可以直接控制LED数据显示，方便现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。
现在介绍下在此设计中用到的引脚,引脚图如图4-2所示。
图4-2,80C51引脚图
单片机的40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
4.2.180C51电源
VCC-芯片电源，接+5V；
VSS-接地端；
4.2.280C51时钟
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
4.2.380C51控制线
ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
PSEN:
外ROM读选通信号。
RST/VPD:
复位/备用电源。
RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：
内外ROM选择端。
Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
4.2.480C51I/O接口介绍
P0口（39脚～32脚）：
P0.0～P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
P1口（1脚～8脚）：
P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。
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