高精度液体滴注装置控制系统设计.docx

高精度液体滴注装置控制系统设计.docx

《高精度液体滴注装置控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高精度液体滴注装置控制系统设计.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

高精度液体滴注装置控制系统设计

毕业设计

高精度液体滴注装置控制系统设计

系别

自动化工程系

专业名称

测控技术与仪器

班级学号

学生姓名

指导教师

高精度液体滴注装置控制系统的设计

摘要

结合现代传感器技术、计算机技术，依托流量计的高速发展和液压元器件的合理使用，以液体流量的高精度检测与控制为目的，设计了“高精度液体滴注装置控制系统”。

该系统利用现代传感技术检测液体流量和管道压力，同时用LCD显示器显示瞬时流量值，以累积流量是否达到设定值来控制电磁阀的开关，维持系统液体滴注的流量并保持在一定的误差范围内。

系统设计内容包括硬件器件选型，硬件电路图，程序流程图设计，源程序设计，以及基于Proteus与KeilC软件的仿真。

高精度液体滴注装置控制系统采用北方华瑞公司生产的EA-LWGY液体涡轮流量计、天水华天公司生产的CYX-30系列防腐压力传感器和上海乐兹JLXK1系列的滚轮式行程开关作为传感器；选择AT89C51单片机为控制器，TLC549作为A/D转换器，SMC1602作为LCD显示芯片；执行器选择了ZQDF-Y型两位两通电磁阀，传送带控制选择了35BY48S03型步进电机，此外还应用到了YKZ--06A直动式溢流阀、FKZH-06单向阀以及泰杰优液压机泵厂生产的VPV2变量叶片泵机组等液压器件。

应用Proteus软件连接电路图、C语言编写源程序后，对系统进行仿真，达到了系统的设计目的。

关键词：

传感器；流量控制；单片机；驱动电路

High-precisionliquidinfusiondevicecontrolsystem

Abstract

Combinedwithmodernsensortechnology,computertechnology,relyingontherapiddevelopmentofflowmetersandhydrauliccomponentsoffairuse,toliquidflowofhigh-precisiondetectionandcontrolforthepurposeofdesigninga"high-precisionliquidinfusiondevicecontrolsystem".Thesystemusingmodernsensortechnologydetectliquidflowandpipelinepressure,andwiththeLCDdisplayshowsinstantaneousflowvaluetothecumulativeflowratesetvaluetocontrolwhethertheswitchingvalve,theflowofinfusionliquidtomaintainthesystemandmaintainacertainerrorrange.Systemdesignincludingthehardwaredevicetype,hardwareschematics,processflowchartdesign,sourcedesign,andontheProteuswiththeKeilCsoftwaresimulation.

High-precisioncontrolsystemofliquidinfusiondeviceinnorthernHuaruiproducedEA-LWGYliquidturbineflowmeters,TianshuiHuatianproducedCYX-30seriesofanti-corrosionpressuresensorandtheShanghaiMusicherebyJLXK1seriesrollerlimitswitchasasensor;SelectAT89C51chipascontroller,TLC549asA/Dconverter,SMC1602chipastheLCDdisplay;actuatorchosenZQDF-Y-type22solenoidvalves,conveyorcontrolchosen35BY48S03typesteppingmotor,alsoappliedtoYKZ-06ADirectlyOperated,FKZH-06one-wayvalveandhydraulicpumpworksTeceexcellentproductionVPV2variablevanepumpunit,hydraulicdevices.Proteussoftwareapplicationstoconnectcircuit,Clanguagesourcecode,thesimulationsystem,thesystemisdesignedtoachieve.

Keywords:

Sensor;Flowcontrol;SCM;Drivecircuit

1绪论

1.1高精度液体滴注装置控制系统的研究背景和意义

在一些精密场合对液体的容积有着严格的限制，或在某些特殊领域，如工业制硫酸，医疗制药等，需要避免液体同其他介质（包括操作人员）的直接接触，所以需要设计一种能够满足上述应用条件，又能够准确计量液体容积的装置及其控制系统。

从根本上解决常规秤量方法无法满足使用要求的难题。

对保证产品质量，提高经济及社会效益具有重要意义。

通过对传统流量计量工作原理的研究,应用单片机技术,并结合现代传感器技术、计算机技术，开发了基于单片机的高精度液体滴注装置系统。

该系统的实现简化了管道的压力控制,提高了设备的自动化程度，能够避免工作人员与液体的直接接触，并具有较高的精度和可行性。

由于联系液压系统的相关知识，应用部分液压元器件，减少了资金投入，使该系统具有较高的经济效益，可广泛应用于食品、医药、化工、武器弹药等液体物料流水线的在线自动控制。

1.2本文的主要内容

本文首先介绍了一下高精度液体滴注装置控制系统设计的一般考虑，重点讲解了一下该系统的硬件设计和软件设计。

本文的章节及主要内容安排如下：

1）第1章中介绍高精度液体滴注装置控制系统的背景，研究意义；

2）第2章中介绍高精度液体滴注装置控制系统设计的一般考虑；

3）第3章中介绍高精度液体滴注装置控制系统的硬件设计；

4）第4章中介绍高精度液体滴注装置控制系统的软件设计；

　　5）最后对全文进行小结。

2高精度液体滴注装置控制系统的一般考虑

2.1系统的功能和参数

2.1.1系统的基本功能

该系统以AT89C51单片机为核心，采用相应的传感器检测管道流量、压力和试管位置，送入单片机进行处理来控制步进电机、电磁阀的运动和开关状态，以实现液体滴注的高精度控制，在系统执行过程中实时显示瞬时流量，并当管道压力超过系统上限时进行中断处理。

2.1.2系统的主要技术参数

系统的管道直径为12mm；流量传感器的检测范围为0~0.2ml；流量的设定值为0.1ml；测量精度为

0.008ml；检测精度为

0.1%；系统压力范围为5-10MPa；系统压力上限值设定为10MPa；选用溢流压力为略小于10MPa的溢流阀；显示方式为LCD显示。

2.2系统特色

任何一个控制系统，在其设计过程中，都有自身的优缺点以及其他系统所不具备的特色。

本系统以AT89C51单片机为控制核心，以管道压力和液体流量为检测量，以电磁阀接收的电信号为被控量，以电磁阀为被控对象，实现液体滴注的高精度控制。

系统的检测特性：

应用涡轮流量计，流量检测范围在0到0.2ml之间，测量精度为

0.008ml，应用力敏应变片式压力传感器，检测范围在5到10MPa之间。

控制特性：

应用AT89C51单片机，对来自管道的流量信号及时进行分析和处理，以控制电磁阀，实现系统功能。

本文所介绍的高精度液体滴注装置控制系统的特色主要在于控制简单、安全，对流量的高精度控制以及器件选择上的经济合理性。

2.2.1系统的高精度

对于液体滴注装置控制系统，其精度的高低主要取决于液体流量的测量。

由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测方法非常多，是工业生产过程中检测方法最多的。

目前工业上常用的测量方法可分为容积式、速度式、质量式3类,应用最广的是速度式测量方法中的压差测量法。

这类方法控制简单，容易实现，技术成熟，广泛应用于各个领域的流量测量。

当前较为先进的测量方法有插入式流量测量以及基于面积流测量原理的新型流量测量。

经过多方面的论证与实验，综合考虑精度，价格，与系统其他器件的配合后，该系统选择了涡轮流量传感器。

涡轮流量传感器属于速度式流量计，具有测量精度高、动态特性好，寿命长、操作简单等特点，可广泛用于测量瞬变或脉动流量，适合于洁净流体的流量测量，广泛应用于石油、化工、冶金、造纸等行业。

该系统应用了涡轮流量传感器具有相对于其他传感器更高的测量精度，使液体的滴注误差能够满足系统对精度的要求，即每一次滴注的液体误差为

0.008ml（一滴左右）。

2.2.2系统的经济性

在多数传统液体滴注控制系统中，所选的传感器器件具有高度的智能特性，这种传感器检测原理简单，集成高，单片机对输入信号的处理也相对简单，但其造价很高，一般为同类非智能器件的数倍，甚至数十倍。

本论文所介绍的控制系统在器件选择上，优先考虑了能完成测量要求并且价格适中的传感器，减少了系统资金投入。

在控制器的选择上，由于系统所涉及的检测和控制部分都相对简单，所以选择了能够满足控制要求且价格低廉的AT89C51单片机。

除此之外，更在多处利用了液压系统的相关知识，并选择了安全阀，单向阀等液压系统元件，这部分器件的使用，不但使系统的控制给为简单，并且由于其机械结构特性，能够及时响应电磁阀的开关控制液体的滴注，进一步提高了系统的稳定性以及精度。

在驱动电机的选取上，也结合系统精度高、流量小、管道细等特点选取了最适合的步进电机及水泵机组，节省了系统成本。

综上所述，该系统具有其他同类系统所不具备的低成本特性，更加适用于资金投入少的小工厂，小企业及批量生产。

2.3传感器选择

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号的输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的检查也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.3.1流量传感器的选择

方案一：

采用电磁流量计。

电磁流量计是一种利用电磁感应原理进行测量的仪表。

作为一种常用的测量导电介质体积流量的计量仪表，它本身具有测量精度高、量程比宽、管道压力损失小等特点，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中的占有率不断上升，在工农业生产中发挥着重要作用。

电磁流量计原理上的优点是：

当导电性流体在磁场B下流动时，测量电极间的流体感应电势E通过仪表系数K与流体平均流速V具有对应关系。

在与磁场强度、管道直径和信号放大器输入阻抗参数相关的仪表系数K不变的假设条件下，具有可由感应电势值直接度量流量值的特点。

方案二：

采用涡轮流量计。

涡轮流量计由导流器、涡轮、磁电转速传感器组成。

测量时，流体从流量计入口流经导流器后，沿平衡于轴线方向，以一定的速度推动涡轮旋转，涡轮的转速与流量成正比，磁电转换传感器把涡轮的转速转换为电脉冲信号，测定电脉冲数，就可确定流体的流量。

将脉冲信号送入单位换算与流量累积电路可得到累计流量值；若脉冲信号送入频率/电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量。

进而可指示瞬时流量值。

经过比较，综合考虑精度，价格等方面，方案二更为适合于本设计系统对于流量计的选择。

2.3.2压力传感器的选择

方案一：

力敏应变片式压力传感器。

力敏应变片式压力传感器是利用粘贴在弹性元件上的应变片，感受压力后发生应变，使电阻的阻值发生变化，从而测得流体的压力。

该类传感器具有精度高、体积小、质量轻，测试范围宽、耐振动和冲击性能良好等优点。

其测试精度受温度的影响较大，且温度补偿较为重要。

方案二：

压阻式压力传感器。

利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。

单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。

压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量的测量和控制。

具有高精度、高频响、高灵敏度、小体积的特点。

经过综合比较，方案一的力敏应变片式压力传感器原理简单，且更适合于管道液体的压力测量，尤其是其耐振动和抗冲击性能良好的优点，在本系统中具有更大的优势，更适合该系统。

2.4系统安全

该系统属于以单片机为核心的流量控制系统。

主要的安全隐患在于控制系统中管道的压力高于或低于管道以及器件所能承受的压力范围，进一步引起系统管道或器件的损坏或系统无法正常运作。

因此在系统的设计过程中硬件上使用变量叶片泵机组，该机组可设定压力上下限值，并根据系统压力自动调节输出流量，使压力始终保持在规定范围内。

另外，该系统中的液体可能具有腐蚀性等特性，需要操作人员避免与其接触，因此在设计过程中，需要该系统具有高度的自动化特性，以达到要求。

2.5本章小结

本章初步介绍高精度液体滴注装置控制系统设计的一般考虑。

选择涡轮流量计和力敏应变片式压力传感器对流体流量和管道压力进行检测，选择AT89C51单片机为控制器，并应用液压元件，以达到系统的设计精度和经济上的合理性。

3高精度液体滴注装置控制系统的硬件设计

本系统是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性，流量传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，设计了以AT89C51单片机为核心的一套检测控制系统，其中包括单片机复位电路、时钟电路；流量检测、压力检测、位置检测、A/D转换；流量显示、报警电路；步进电机的驱动电路，电磁阀的驱动电路，以及系统软件等部分的设计。

图3.1系统总体框图

系统由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。

1）信号采集由EA-LWGY液体涡轮流量计和CYX-30系列防腐压力传感器以及JLXK1系列行程开关组成；

2）信号分析由A/D转换器TLC549、单片机AT89C51组成；

3）信号处理由LCD显示器SMC1602A，蜂鸣器，二位二通电磁阀、步进电机35BY48S03及其驱动ULN2003A等组成。

图3.2为系统原理图，系统硬件连接完成后，按以下流程实现控制：

初始状态下，电磁阀开。

1）按下总开关后，M1转，当SQ1被压下时，表示试管被传送到滴注位置，单片机接收该信号后，控制M1停。

2）单片机接收SQ1压下、M1停的信号后，开始滴注过程。

3）收到M1停的信号后，单片机控制电磁阀关，流量传感器开始计量从滴注出口流出的液体流量并由LCD显示。

在滴注过程中，如果由压力传感器采集的管道压力值高于系统设置的上限值，则进行中断处理，保护现场。

开始中断后，溢流阀、电磁阀开，流量显示暂停，当管道压力回到正常范围后，恢复现场。

4）累积流量达到系统设定值后，单片机发出控制信号，使电磁阀开，对流量传感器进行清零。

接收到此信号，M1转，系统回到初始状态，循环。

图3.2系统原理图

3.1信号采集

3.1.1流量传感器

系统选用由北方华瑞公司生产的EA-LWGY液体涡轮流量计。

1）主要特性

EA-LWGY系列涡轮流量计具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏,安装维护使用方便等特点的新一代涡轮流量计,广泛用于测量封闭管道中的流体流量。

EA-LWGY液体涡轮流量计的特点如下：

流量传感器的信号输出为脉冲信号,仪表常数为621次,即每流过0.1L液体则输出621个脉冲。

液体的温度为0～40℃,工作环境温度-20～50℃,工作压力6.4MPa,传感器电路工作电压为12V直流电源。

其精确度,一般可达±1%R、±0.5%R,高精度型可达±0.2%R；重复性好，短期重复性可达0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重复性，如经常校准或在线校准可得到极高的精确度，在贸易结算中是优先选用的流量计；输出脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强；可获得很高的频率信号（3~4kHz），信号分辨力强；范围度宽，中大口径可达1:

20，小口径为1:

10；结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大；适用高压测量，仪表表体上不必开孔，易制成高压型仪表；专用型传感器类型多，可根据用户特殊需要设计为各类专用型传感器，例如低温型、双向型、井型、混砂专用型等；可制成插入型，适用于大口径测量，压力损失小，价格低，可不断流取出，安装维护方便。

2）工作原理

涡轮流量计由导流器、涡轮、磁电转速传感器组成。

测量时，流体从流量计入口流经导流器后，沿平衡于轴线方向，以一定的速度推动涡轮旋转，涡轮的转速与流量成正比，磁电转换传感器把涡轮的转速转换为电脉冲信号，测定电脉冲数，就可确定流体的流量。

3）应用电路

系统中，为流量计提供24V的直流电源，它的输出为4-20mA的标准电流，经过I/V转换为标准的0-5V的标准电压信号，送入TLC549进行A/D转换。

图3.3涡轮流量计的应用电路

3.1.2压力传感器

CYX-30系列防腐压力传感器是天水华天公司生产的力敏应变片式压力传感器。

　　1）主要特性

CYX-30系列防腐压力传感器采用进口高准确度、高稳定性力敏芯片，经严格精密的温度补偿而制成。

可广泛用于腐蚀性或非腐蚀性气体，液体的表压、负压、绝压测量。

防腐型传感器采用316L优质不锈钢隔离膜片芯片制造。

CYX-30系列防腐压力传感器特点如下：

准确度高：

优于0.1％；量程范围宽：

-2kPa～100MPa；稳定性好：

≤0.2％FS/年，≤0.01％FS/℃；温度范围宽：

-25℃～+85℃；功耗低；用途广，可广泛用来测量气体、液体的压力；体积小，安装方便；本安防爆。

2）工作原理

CYX-30系列防腐压力传感器属于力敏应变片式压力传感器，是利用粘贴在弹性元件上的应变片，感受压力后发生应变，使电阻的阻值发生变化，从而测得流体的压力。

应用电路

　　3）应用电路

压力传感器的输出为非标准的压力信号。

经过温度自动补偿电路，非线性校正电路，信号放大电路后转换为0-5V的标准电压信号，送入TLC549进行A/D转换。

如图3.4所示。

图3.4压力传感器的应用电路

3.1.3位置传感器

JLXK1-110M行程开关为上海乐兹JLXK1系列的滚轮式行程开关。

1）主要特性

行程开关又称限位开关,可以安装在相对静止或者运动的物体上。

当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。

由开关接点开、合状态的改变去控制电路和机构的动作。

用来控制运动机构的行程和变换运动的方向或速度。

JLXK1-110M行程开关正常工作条件及安装条件：

周围空气温度不超过+40℃，下限为-5℃；安装地点的海拔不超过2000m；大气相对湿度在周围空气温度+40℃时不超过50%；无显著摇动和冲击的地方。

图3.5滚轮式行程开关原理图

2）工作原理

JLXK1-110M滚轮式行程开关，其结构原理如图3-5所示，当被控机械上的装块撞击带有滚轮的撞杆时，撞杆转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆，使微动开关中的触点迅速动作。

当运动机械返回时，在复位弹簧的作用下，各部分动作部件复位。

3）应用电路

　　行程开关SQ1用来记录试管的位置：

如图3.2所示SQ1在实物连接中用作位置传感器，用来确定试管的位置，并向单片机发送控制信号。

按下系统总开关，传送带步进电机M1开始转动，当试管到达指定滴注位置时压下行程开关SQ1，单片机接收到此信号，控制M1停。

3.2信号分析与处理

3.2.1单片机AT89C51

为了实现系统功能，我们采用AT89C51单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程，它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，送入计算机系统的相应端。

AT89C51应用广泛，本论文省略对其功能和特性的具体介绍。

3.2.2A/D转换

1）TLC549A/D转换器的特点

为了把流量、压力检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用TI公司推出的低功耗、易使用的8位开关电容逐次逼近A/D转换器TLC549。

由于TLC549只有一路输入，而本系统检测的流量和压力信号输入，故选用两片TLC549分别进行转换。

TLC549A/D转换器是8位的串行A/D转换器芯片，其主要功能特性总结如下：

8位分辨率模数转换；差分基准电压输入；最大转换时间为17us；每秒访问和转换最多可达40000次；片上软件可空的采样和保持功能；总的非校准误差最大为

0.5LSB；4MHz典型内部系统时钟；3~6V的宽电压供电；低功耗：

最大15mW；采用CMOS技术。

2）TLC549A/D转换器件简介

TLC549具有片内系统时钟，该时钟与I/OCLK是独立工作的，无需特殊的速度或相位匹配。

其工作时序图如3.6所示。

图3.6TLC549的工作时序示意图

当/CS为高时，数据输出端处于高阻状态，此时I/OCLK不起作用。

/CS的此种控制方式允许在同时使用多片时共用I/OCLK，以减少多路A/D芯片并用时的I/O控制端口。

通常情况下/CS应为低，其控制方式如下：

将CS置低电平。

内部电路在测得CS下降沿后，在等待两个内部时钟上升沿河一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）为输出到DATAOUT端上。

前四个I/OCLK周期的下降沿一次移出第2、3、4和5位（D6、D5、D4、D3），片上采样和保持电路在第四个I/OCLK下降沿开始采样模拟输入。

接下来的3个I/OCLK周期的下降沿移出第6、7、8位（D2、D1、D0）。

最后，片上采样保持电路在第8个I/OCLK周期的下降沿移出第6、7、8为（D2、D1、D0）。

保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。

第8个I/OCLK后，/CS必须为高电平，或I/OCLK保持低电平，这种状态需要维持36个内部时钟周期以等待保持和转换工作的完成。

如果/CS为低电平时I/OCLK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器将与器件的I/O时序失去同步；若/CS为高电平时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。

在第36个内部系统时钟周期结束之前，实施以上步骤，可重新自动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。

若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/OCLK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/OCLK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/OCLK的下降沿开始保存。

图3.7TLC549与AT89C51单片机的连接电路

如图3.7所示