检测课设.docx

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检测课设

一、前言

1、目的与意义

本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。

2、任务

（1）液位测量原理实验

通过观察实验系统的组成及电路结构，掌握液位信号的采集、放大及显示的原理和硬件电路的实现方法。

（2）液位计算机自动检测实验

用计算机可视化界面以表头、数字和曲线方式（描述液位变化过程）实时显示液位高度，实验者可通过该实验熟悉实现液位信号的放大、A/D转换

计算机采集以及实时显示的过程和方法。

（3）液位计算机控制实验

根据液位测量情况，通过计算机自动控制入水阀和出水阀，使当前液

位达到设定液位。

也可以手动控制入水和出水。

综上所述，液位测控实验系统（LPTCS）是一个以液位计算机测量和控制为主的多功能实验系统。

由于采用了计算机控制、实时显示和交互功能，使实验系统和过程更加透明，提供了参与实验过程的手段，从而有效地提高了实验的效果。

3、题目要求

（1）设计参数

上位水箱尺寸：

800×500×600mm；上位水箱离地200mm安装，通过直径为20mm的PVC管道与其它设备相连，设备离地30mm，要求测量水箱的液位。

测量误差不超过液位高度示值的±1mm。

（2）设计要求

（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；

（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择液位传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；

（3）设备选型要有一定的理论计算；

（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；

（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。

二、硬件设计方案

本系统由单片机系统数据处理模块、A/D数据输入模块、485通讯模块、液位控制及报警模块及键盘和显示模块（LCD）等几部分组成

系统组成总框图如图1所示。

三、硬件选型论证分析

1、传感器

方案一：

压力传感器

目前的液位压力传感器大部分是投入式静压液位变送器，而投入式静压液位传感器只有参考大气压才能进行准确测量，然而连接电缆中的通气会受到环境的影响，造成气管内壁冷凝，结露。

露水滴到电子器件和传感器上，会影响精度或者输出漂移。

同时，结露过快，变送器的使用寿命也会大大缩短。

此压力传感器容易受到环境的影响而造成测量不准确，并且安装不方便。

所以本设计不采用此传感器。

方案二：

压阻式压力传感器

压阻式传感器是用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制作扩散压敏电阻；硅平膜片在微小变形时有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化；此变阻器容易受外面环境的影响，如温度，从而造成测量不准确，而且体型一般比较大，不易安装、不易携带；一般其精确度也比较低。

不能满足设计的需要，所以没有选择此类传感器。

方案三：

超声波传感器

超声波传感器是工业领域内第一款在产品上带有按键设定功能和自诊断功能的小型传感器。

它虽然体型小，但是具有其它大型传感器所有的功能，安装使用方便而且不受被测物体的颜色影响，有许多特设功能，如：

具有自诊断LED显示和按键设定功能、温度补偿功能、可选择模拟量或开关量输出；其供电电压为10—30V,测量范围为30mm—600mm,输出电压0V—10V，输出电流为4mA—20mA,最小负载阻抗2.5欧，精度可达到0.5mm，外形分为直线型和直角型。

感应口径为18mm。

超声波传感器所具有的条件满足设计所需要0-25cm的液位控制，以及液位误差不超过±0.3cm的要求，并且解决了安装不方便的难题。

所以本设计选择了精度高，体型小的超声波传感器。

2、调节器

（1）最小系统

本设计使用的最小系统板是以80C52单片机为内核，并且具有良好的扩展性。

CPU接有11.0592MHZ的晶振，74ls373锁存电路、74ls138译码电路以及按键、显示器件、ADC7135电路板插槽并用8255外扩了I/O接口。

＜1＞电源供电电路

本电路需外接一个AC220/9V的变压器，变压器的二次侧通过整流滤波后输入CW7805便可得到+5v电压，此电压做最小系统的电源。

图2电源供电电路

＜2＞I/O扩展及选通电路

本系统中通过8255外扩了PA,PB,PC共24个I/O口，以便作为系统的输入输出通道。

用74ls138的输出作为各个芯片的译码选择端，除最小系统中使用的Y0-Y3外，还有Y4-Y7可供其它扩展使用。

＜3＞液位控制

被控量是水箱的液位Hs，调节参数是流入水箱量Q，水箱液位由液位变送器检测得到也未反馈信号Hf，它和液位设定信号Hs进行比较，得到偏差信号e1，进行PID计算，输出变化控制信号，控制变频器的频率，进而控制水泵的转速，改变了进水量，是被调参数保持在在设定值。

3、调节阀

SMQ961F-64P型电动快速切断球阀采用一体化结构,与台湾UM电动执行机构相配,有输入控制信号（4~20mADC或1-5VDC）及单相电源即可控制运转,关闭时间1S。

电动快速切断球阀具有快速切断反应功能、体积小、轻便宜人、性能可靠、配套简单、流通能力大、特别适合于介质是粘稠,含颗粒，纤维性质。

目前该球阀广泛应用于燃油、食品、环保、轻工、石油、造纸、化工、教学和科研设备、电力等行业的工业自动控制系统中。

4、变频器

变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。

变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。

变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。

本次采用SINAMICSG150是一款源自西门子的全新驱动解决方案，设计用于单电机驱动的各种应用。

创新的设计理念，使得这种变频调速柜独一无二。

模块化的封装技术，损耗极低的IGBT功率组件以及创新的冷却解决方案，更是使得SINAMICSG150成为运行最安静、结构最紧凑并置于标准柜中的一款变频器。

即插即用机柜设计，使操作极为容易；模块化的设计，使维修更加简化。

SINAMICSG150使西门子全集成自动化理念中的MASTERDRIVES机柜如虎添翼。

SINAMICSG150变频调速柜用于单电机驱动的各种应用，例如：

泵/风机/压缩机。

特性是结构紧凑，模块化设计，极易维护；无故障设计；易于连接，装配简单；调试快速，菜单提示，无需复杂参数化；舒适型图形化操作面板，操作简便，一目了然，测量值以纯文本或准模拟条形图显示。

SINAMICSG150性能指标

（1）电气数据

供电电压和输出范围380V-480V3AC，±10％（-15％<1min）110kW-560kW（~800kW）

660V-690V3AC，±10％（-15%<1min）75kW-800kW（~1200kW）

电压频率47-63Hz

输出频率0-83Hz

（2）功率因数

基本模式>0.98

总计0.93-0.96

变频器效率>98%

控制技术无传感器矢量控制，闭环矢量控制器

定速控制3个固定速度+1个最低速度，可参数化

5、水泵

这次供水水泵采用高扬程供水泵。

高扬程供水泵简介如下：

（1）结构说明:

＜1＞QJ型潜水电泵机组由：

水泵、潜水电机（包括电缆）、输水管和控制开关四大部分组成。

潜水泵为单吸多级立式离心泵；潜水电机为密闭充水湿式、立式三相鼠笼异步电动机，电机与水泵通过爪式或单键筒式联轴器直接；配备有不同规格的三芯电缆；起动设备为不同容量等级的空气开关和自耦减压起动器、输水管为不同直径的钢管制成，采用法兰联接，高扬程电泵采用闸阀控制。

＜2＞潜水泵每级导流壳中装有一个橡胶轴承；叶轮用锥形套固定在泵轴上；导流壳采用螺纹或螺栓联成一体。

＜3＞高扬程潜水泵上部装有止回阀，避免停机水锤造成机组破坏。

＜4＞潜水电机轴上部装有迷宫式防砂器和两个反向装配的骨架油封，防止流砂进入电机。

＜5＞潜水电机采用水润滑轴承，下部装有橡胶调压膜、调压弹簧，组成调压室，调节由于温度引起的压力变化；电机绕组采用聚乙烯绝缘，尼龙护套耐水电磁线，电缆联接方式按QJ型电缆接头工艺，把接头绝缘脱去刮净漆层，分别接好，焊接牢固，用生橡胶绕一层。

再用防水粘胶带缠2～3层，外面包上2～3层防水胶＜6＞布或用水胶粘结包一层橡胶带（自行车里胎）以防渗水。

电机密闭，采用精密止口螺栓，电缆出口加胶垫进行密封。

＜7＞电机上端有一个注水孔，有一个放气孔，下部有一个放水孔。

＜8＞电机下部装有上下止推轴承，止推轴承上有沟槽用于冷却，和它对磨的是不锈钢推力盘，承爱水泵的上下轴向力。

（2）使用条件：

＜1＞电机使用前必须灌满清水，拧紧注水放气螺栓，否则不准使用。

陆地试运转不得超过—秒。

＜2＞电泵不准倒卧或斜倾使用。

＜3＞电动机必须完全潜入水中，水泵进水口必须在动水位l米以下，电机下端距井底水深最少在1米以上，潜入深度应不大于70米。

＜4＞额定频率为50Hz，额定电压为380±5％v的三相交流电源。

＜5＞水温要求：

5℃-25℃

（3）水质要求：

＜1＞水中含砂量不大于0．01％（重量比）；

＜2＞PH值在6．5～8．5范围：

＜3＞氯离子含量不大于400毫克／升。

6、A/D转换器

A/D转换器采用ADCICL7135信号采集传输电路。

本电路由一个小型集成电路来实现，采样后的信号经过电位器送到ICL7135进行处理，将处理后信号直接送到单片机最小系统。

ICL7135量程为0-2V，基准电压VREF由MC1403输出（2.5V）分压获得1V电压。

HC240是八位缓冲线/线驱动器，内含八个具有三态输出反相缓冲器。

三态输出的反相缓冲器，输出允许控制端（ENA、ENB），每一个EN控制四个缓冲器，1A、8A数据输入，1Y、8Y输出。

输出分别送出个、十、百、千、万位。

HC157是四路二选一开关，1为选择输入端，S为低电平时，选择A输出；S为高电平时，选择B输出。

ICL7135的BCD码的位选通输出端D1-D5分别接8位可编程逻辑接口电路8255的PA0-PA3和PB0-PB4。

CPU可读取各个位的状态并判断，从而在ICL7135的B1-B8输出端读取BCD数据。

7、D/A转换器

D/A转换器选用DAC0832。

DAc0832是美国数据公司的8位D／A转换器，与微处理器完全兼容。

器件采用先进的CMOS工艺，因此功耗低，输出漏电流误差较小，而其间的特殊的电路结构可与TTL逻辑输入电平兼容。

DAc0832的主要技术指标

（1）分辨率：

8位

（2）电流建立时间：

1Ⅳs

（3）线性度（在整个温度范围内）8、9或1O位；

（4）增益温度系数：

O．0002％FS／℃；

（5）低功耗：

20mw：

（6）单一电源：

+5。

15V（直流）。

8、显示器

为了更好的实现人机对话，采用了这款带中文字库的OCM4X8C（128×64）液晶显示器。

用户可以根据提示来进行相应的操作。

液晶显示屏采用了并行的输入输出方式，开机时液晶屏复位，进入等待状态。

采用液晶显示器是显示的信息量大，可视性强，并且可以避免LED数码管的编程复杂、工作量大的缺点。

图312864LCD接口电路

9、报警器

在报警电路中，利用9V电源对蜂鸣器供电，当液位超过一定高度或液位低于一定高度时发出报警。

本设计在供水回路中，用了水泵进行循环供水，保证程序的连续运行。

图4报警电路

四、实际检测控制系统

SMQ961F-64P型电动调节阀

SINAMICSG150

变频器

高扬程

供水泵

超声波

传感器

51单片机

D/A转换器

DAC0832

12864液晶显示器

蜂鸣器

报警器

图5水箱液位检测与控制实际系统框图

五、实验系统的设计

锅炉液位的检测和控制实验

（一）实验目的

实时的对锅炉液位测量，并对其及时的控制。

对自己设计的液位控制系统应用于实际，完成对锅炉液位的检测和控制。

（二）实验任务

1、测量锅炉液位，并将其数字显示。

2、有实时的液位调节作用

3、有自动报警功能

（三）实验原理

见上水箱液位检测与控制系统的原理。

（四）实验步骤

1、首先根据控制系统的框架找到相应的模块实物，再根据水箱液位检测与控制系统的原理搭建实物图。

2、将总电源打开，然后将各个分模块的控制开关打开。

3、打开水泵的调节阀，使其对锅炉供水。

将调节阀有一个适度的开度，这是在显示装置就应显示锅炉的液位。

4、通过按键输入一个设定液位，然后过一段时间观测显示装置显示的示数，看是否是设定值。

5、如果第4步的示数与设定值相同就说明有实时调节液位作用。

若相差太大说明该调节误差太大。

6、将调节阀的开度开大，使其液位显示比报警液位最低位低，看报警装置蜂鸣器铃响的反应时间的长短。

7、将调节阀的开度开小，使其液位显示比报警液位最高位高，看报警装置的蜂鸣器铃响的反应时间的长短。

8、根据第6、7步的测量就可以判断报警装置的灵敏度。

六、设计总结

本设计在硬件上，使用ILC7135，S18UUA超声波传感器等高精度芯片和仪器进行液位测量，使本设计所测量的液位精度远高于液位误差不超过±0.3cm的要求。

此外，本设计还应用了MAX485通讯，OCM4X8C液晶显示LCD等芯片和元件，使设计更符合实际应用的要求，也相应得降低了软件设计的难度。

通过这次“实战”，让我对自动控制原理.过程仪表控制以及计算机控制这三门课有了更深的理解。

对某些概念，理论有了更为透彻的认识。

在水箱液位控制系统这个实验中，虽然没有实际动手去调试这个系统，只要求做理论的分析。

通过几天在网上找资料，了解各个技术的特点（plc以及单片机），分析比较后，最后选定由单片机来控制液位。

总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐.这次单片机课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高：

1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。

加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。

另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性2，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。

3，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路设计中的光电隔离的设计，开始并不理解的光电隔离原理，但是和其他的专业同学讨论后，理解了光电隔离的基本原理后，很快的设计了电路原理图的。

最后，就是自己的心态，对这次检测的课设我感觉应了老师那就话“对得起自己的良心”。

知道要有去做好一个东西的心态的重要性，也许在你拿到题目的时候会觉得困难，但是只要你充满信心，一步一步脚印去实现它，你肯定会完成的。

还有就是真的很庆幸在大学里还能遇到这么负责的老师，非常感谢刘老师。

参考文献：

[1]候治林编.过程控制与自动化仪表.北京：

机械工业出版社，2002年；

[2]凌玉华编.单片机原理及应用系统设计.长沙：

中南大学出版社，2006年；

[3]于海生编.微型计算机控制技术.北京：

清华大学出版社，1998年；

[4]蒋庭彪等编著.单片机原理及应用重庆大学出版社,2003；

[5]过程控制仪表实验指导书.中南大学教材科，2008年