全国大学生电子设计竞赛湖北工业大学校内选拔赛竞赛报告.docx
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全国大学生电子设计竞赛湖北工业大学校内选拔赛竞赛报告
2011年全国大学生电子设计竞赛湖北工业大学校内选拔赛竞赛报告
名称：
液体转移监测装置
队员：
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目录
一、设计具体要求
二、系统设计概括4
三、5V直流稳压电源设计
四、核心控制模块
五、A\D转化电路
六、水泵
七、水溢出报警电路的设计
八、系统软件的设
九.信息检测
十.程序流程图
一、设计具体要求：
1、任务
设计一个液体监控装置，放置A和B两个盛水容器，A容器盛有足量的水，B容器为空，底部中心挖一个出水圆孔。
从A容器抽水到B容器，使B容器中的水的重量达到预设值，并保持该状态60秒钟。
2、要求
1、基本要求
（1）、制作一个数显装置，当系统开始执行抽水任务时，能实时显示B容器中水的重量和任务执行时间，任务结束后，计时停止；
（2）、通过键盘任意设定转移到B容器中的水的重量，设定范围为500克～1000克，调整时间范围为≤3分钟；
（3）、B容器中的水达到预设值后，保持该状态60秒钟。
要求能发出短暂的声音提示信号；
（4）、控制误差范围为10克。
2、发挥部分
设计并制作一个主站监控系统。
（1）、主站能预设应转移到B容器中水的重量值，并控制系统运行；
（2）、B容器中的水临近溢出时启动报警，并停止系统运行；
（3）、主站能实时显示B容器中水的重量变化曲线；
（4）、其它。
二、系统设计概括：
该系统以单片机芯片PIC16F877A单片机为核心，PIC单片机内部集成一个10位A/D，可以减少外围电路设计，采用了压力传感器作为输入信号装置，运算放大采用高速集成运放LM318及外围电路，MOS管控制水泵的运行速度以控制抽水速度。
通过键盘可以设定应转移到B容器的重量值，B容器中的水临近溢出时启动报警，此时减缓水泵的上水速度或停止系统运行。
整理设计框架：
三、5V直流稳压电源设计
电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流5v输出见图1。
其中：
首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留5V直流成份。
滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出。
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成9v的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
芯片7805稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
整流电路常采用二极管单相整流电路，二极管D1、D4导通，D2、D3截止.
四、核心控制模块
本次设计采用micrichip公司生产的PIC16F877A8位单片机作为核心控制模块，PIC16F877A单片机仅又35条单字节指令，运行速度：
DC—20MHZ时钟输入，DC—200NS指令周期，达到14个中断源，8级深度堆栈，一个10位A\D转换，对于本电路的设计已经够用。
四、传感器信号的提取
开始考虑到将传感器放在B容器外底部，做成电子称形式来测量B容器的重量来作为测量信号，这样的话可以使测量的精度达到很高，但是与本题要求有点不同，因为使用电子称的形式将将所有的水的重量都测出来的方法只能用于小范围的测量，如果要测量得液体重量很大这样的方法就不能实现，并且容易受到外部震荡等因素的影响。
所以在我们的设计中用高精度薄片压力传感器置于B容器内底部，来测量水的压强，进而计算出水的深度，已知B容器的横截面积和密度，很容易算出水的重量，这种方法虽没有直接用电子城测水的重量来的快，精度有所降低，但是符合实际应用，所以我们选择测量水的压强来转化成重量的方法。
在本次设计中采用的是高精度压阻式压力传感器外观：
电阻压力传感器内部结构：
其1电阻率随应力的变化而变化;
压阻效应就是对于金属或半导体材料,若沿它的某一晶面加以压力或拉力时,其晶格内部将产生畸变,这一畸变将导致晶体内部能级构造的变化,进一步导致载流子相对能量的改变,从而引起晶体固有电阻率变化的物理现象。
由于导电体的电阻为:
，一般的电阻变化率与压力的关系由下式
（1）表示
△
ji=
（1）
=
≈
≈
此次设计用的电阻式压力传感器是在淘宝上买的，其具体参数暂时还没有得到（等传感器到了在具体的测量其参数），因为我们直接将传感器放在水里，所以在传感器不受力部分全部用热熔胶将其防水密封起来，平坦的固定在B容器底部，两根导线引出容器外。
其实物见下图：
将采集到的电压经过运算LM318放大处理作为信号的输入，放大电路如下图：
五、A\D转化电路
在开始我们准备用外接24位A/D芯片来处理运放获得的信号，但是考虑到成本和电路设计的简捷，我们直接选择内部集成A/D的PIC单片机，PIC单片机内部集成的A/D是10位的，足以满足此设计的精度在10g内，所以就直接用单片机内部集成的A/D.这部分电路因为在单片机内集成，只要将运放获得的信号接入到单片机内的A/D接口，设定好基准电压就能够实现转换，应用非常简单，在此就不过多的论述。
六、水泵
对液体的转移是这个设计的难点，最主要的是要保持转移液体过程中的稳定性和可控制性，在此我们选用质量比较好的微型水泵，在此我们需要对水泵上水速度进行控制，所以用D/A处理输出信号，信号经放大处理给电机，其具体实物如下：
水泵：
技术参数：
电机尺寸：
2.7CM
水泵长度：
5.2CM
进水口直径：
4MM
适合电压：
6—12V
启动电流：
1A正常运行电流：
0.7A
经过估算，这款水泵可以满足设计的需要。
水泵的开启与停止时用D/A控制的，D/A控制信号是单片机产生，单片机对水泵的控制有三种调节：
启动，变速，停止。
因为根据设计的要求，在B容器底部有一个3毫米的孔，在整个装置启动开始，B容器就不停地漏水，这样要达到设定的水量就必须不停地根据B容器中的水量来调节水泵的上水量。
在上水中有一个要注意的问题就是当容器中的水快达到预先设定的值时，不能让水泵全速上水，此时必须减缓上水的速度，以求平稳的停止在预先设定值，所以要减缓电机的转速。
由于水泵是直流电机带动的，而用直流电压直接控制电机实现速度控制调节困难而却调节速度慢，通过比较，我们选择通过改变PWM的脉冲宽度来控制电机的转速。
根据经验，用20KHZ的PWM来控制电机是最理想的，电机可以平滑调速而且噪音小。
由于泵功率比较大，我们选用MOS管来驱动水泵，经过比较，我们最终选择IRF1010，其电源电压高，最大电流Id室温下可达84A，100摄氏度的时候可达59A，且输出电阻仅为12m欧。
其开关速度快，在15V电压下可开关频率可达1MHZ，控制需要。
但由于MOS要求较大的驱动电流，还需用三极管为MOS管做前级驱动，用单片机驱动三极管。
这样同时也避免了电机产生大的感应电动势流回单片机而损坏MCU。
电机在停转的时候由于惯性会产生方向感应电动势，而且停转速度慢，我们在电机两端反向并接两个快恢复二极管FR107以实现能耗制动，使水泵快速停止。
另一种驱动方案：
选择并联了两片MC33886，两路PWM波信号，一路接到IN1，另一路接到IN2，IN1输入一定占空比的PWM波，IN2输入占空比为0的PWM波，实现电机的正转加速。
反之，电机倒转达到智能车制动的效果。
七、水溢出报警电路的设计：
开始我们计划是在B容器口外接一个探针，当水触及到探针时因为水的导电性，会形成一个回路，这样就会得到电流，但是考虑到水导电性很弱，这样得到的电流会很小，要得到可以直接报警的大电流还需要电流的放大，这样就会很麻烦，所以我们最后决定拆下一个继电器，只利用里面的两个弹片，在下面的弹片上安装一个浮力较大的泡沫，将他们一起固定在容器口，有泡沫的那一侧放在下面，当水快溢出时会触及到泡沫使泡沫上浮，这样就会使继电器上下两个弹片接触导通。
导通后控制蜂鸣器发出声音并且使发光二极管发光。
电路图如下：
继电器弹片导通后将信号给单片机的外部中断源，此时使单片机停止工作。
八、系统软件的设计
1、程序设计思想
程序的关键是容器B中水重量的算法，B容器下方有一大于3mm的小孔，在当向B容器抽水的同时，B容器下方也在漏水，B容器的水量M=抽水量M1-漏水量M2.对于B容器中的小孔的流量的计算：
由于功能守恒关系得：
v=
（其中v为小孔的水流速度，g是重力加速度，h是小孔下平面到液面的高度）。
由上即可得到水的流量为：
w=v*s（其中v是小孔的水流速度，s是小孔的面积）
进水口的水的质量的计算：
m2=M-m1（其中M是B容器中水的质量，m1是小孔的出水的质量），M=
*V=
gh（其中的
是水的密度，h是B容器中水的深度，而容器中水的质量M可以称出来，所以h=M/m1s，）
m1是小孔的水流的质量m1=
s*h（其中的s是小孔的面积，h是小孔的微小高度）由此可以算出进水口水的质量m2。
抽水量m1由传感器测量的结果返回给PLC的结果计算出来，所以理论上只需计算的m1值。
,
2 电机控制算法实现：
本系统的电机控制算法可以用PID算法，也可用模糊控制算法。
① PID算法的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系，进行运算，将其运算结果用以输出控制。
其控制精度较高但是相对响应的时间较长。
② 模糊控制算法通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，不需要事先知道对象的数学模型，具有系统响应快、超调小、过渡过程时间短等优点。
对于本系统，用于驱动的直流伺服电机仅有正转、停止两种个状态，分别控制水泵抽水的加速、减速及停止，在对漏水的速度进行测量时，为避免水泵抽水加、减速所产生的加速度对水重量测量的影响，，我们采用直接让水泵匀速增速或减速便可达到所要求的精度。
权衡利弊，采用其于有限状态机的参数自整定模糊控制（PSAFC）算法。
算法原理如下示：
图11 模糊控制算法
其中：
r（t）为输入量，e（t）偏差的精确量，E为模糊偏差语言变量，u（t）为控制器的实际输出量，y（t）为反馈量，另定义目标值为E，EL为上一次的值，EN为当前的值，，ΔE为两值之差，则有：
ΔE＝EN-EL（3-1）
ΔE′＝EN-E（3-2）
图12 电机控制的有限状态机
上述转换条件的确定是本系统控制的核心，为了使控制算法不至于过分复杂，模糊控制规则选用下式（采用解析表达式来表示,即解析模糊模型结构）：
（3-3）
（3-4）
其中，
为修正因子，
为积分式
的权重。
E为偏差。
在软件的实现中可以通过改变因子
、
的大小，进行控制参数的调整。
算法仅涉及以下语言变量：
EN，EL，ΔE，U，结合本系统特点，为了提高测量精度，分为以下几档：
相应的模糊控制规则为：
表1 模糊控制控制规则表
编号
判决条件
控制动作
1
If（EN控制水泵加速
2
If（EN>E）
控制水泵减速
3
If（（EN=E）||（ΔE<Δe））
控制水泵停止
4
If（（ENE））
水泵减速量超调或有误判，立即停止
5
If（（EN>E）&&（EL表明水泵减速量超调或有误判，立即停止
6
If（（EN>EL）&&（EL>E））
表明水泵运行方向失误，立即停止
7
If（（EN表明水泵运行方向失误，立即停止
8
If（∣EN-E∣<Δe＋a）
控制水泵停转，进行水量检测，看达标与否
9
If（（E==0）&&t>5s）
5s内没有水进入B---异常、自动启动电机加速到预定值
说明：
对于4、5、6、7几种情形，由于可能是误判造成，对于8，为了防止系统产生BUG并出现振荡现象，可在软件中根据不同的档位设计a的值。
适当扩大误差因子，在稳定后再次测量当前的滴速，再次与设定值比较，然后转入相应的控制状态。
九.信息检测
1.信息输入
由于我们通过键盘任意设定转移到B容器中的水的重量，设定范围为500克～1000克，需要的按键较多，我们采用矩形键盘输入。
2.信息输出。
考虑到系统开始执行抽水任务时，要能实时显示B容器中水的重量和任务执行时间，能实时显示B容器中水的重量变化曲线，而且数码管不仅占用MCU资源，体积庞大，而且功耗大，所以选择5110液晶显示屏能够很好的实现全程时间与水量的监控。
十.程序流程图
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