基于單片機的雙容水箱液位控制器設計(已修改)

　

【正文】 內蒙古科技大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題 目：基于單片機的雙容水箱液位控制器設計學生姓名：學 號：專 業：測控技術與儀器班 級：指導教師：基于單片機的雙容水箱液位控制器設計摘 要液位作為工業生產過程中的主要的被控參數之一，被廣泛應用于冶金、建材、化工、食品、石油等工業中，工藝過程中液位的控制效果直接影響著所生產出的產品質量。現代工業中的液位控制系統規模日趨復雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過控領域的一個研究熱點。基于單片機的液位控制器具有性能穩定、可靠，控制精度高，造價低，設置方便，操作方便等優點。本設計利用單片機實現對雙容水箱液位的控制，該系統是以上下兩個串聯的水箱為研究對象，把下水箱的液位作為被控參數，通過壓力變送器測量水箱的液位，并把測量結果送到以單片機為核心的控制器作為反饋信號，控制器再根據預先設置的增量型PID控制算法進行運算，發出控制命令控制執行機構之一的調節閥開度大小，從而改變進入上水箱中水的流量大小，實現水箱液位的自動控制，整個控制過程中，水泵電機保持勻速供水。關鍵詞：單片機STC89C52，液位控制，增量式PID控制算法，LED顯示Based on single chip dual tank water level controller designAbstractThe level is charged with one of the parameters of the industrial production process, the most important, widely used in metallurgy, building materials, chemicals, food, petroleum and other industries, the level of control in the process directly influences the production of productsquality. Level Control System scale of modern industry are being increasingly plex, largescale, level control has gradually bee the Process Control field of a hot research topic. Based on single chip water level controller has many advantages, such as stable performance, reliable, high control precision, low cost, easy set up, easy operation. The design use single chip achieve dualtank water level control system is based on the two upper and lower water tanks in series for the study, the following tank level is controlled parameters, the pressure transmitter to measure the level of the water tank, and the measurements gave microcontroller as the core controller as the feedback signal, the controller based on incremental PID control algorithm is preset puting, issue control mands to control the actuator valve opening size, thus changing into the flow of water on the tank size. tank liquid level automatic control.Key words: single chip STC89C52,liquid level control, incremental PID control algorithm, LED display目 錄摘 要 IAbstract II第一章 引言 1 研究背景 1 國內液位控制的發展現狀 1 PID調節器簡介 2 設計思路 2 設計意義 3第二章 硬件組成 4 系統硬件組成概述 4 數據采集電路 4 壓力變送器 4 I/V轉換電路 5 A/D轉換器 5 STC89C52RC單片機 8 D/A轉換器 10 DAC0832引腳功能 11 DAC0832工作方式 12 DAC0832工作時序 12 V/I轉換電路 12 執行機構 12 控制閥 12 水泵電機 13 掉電存儲器 13 LED顯示 14 LED顯示器的結構 14 移位寄存器 16第三章 硬件設計 19 STC89C52單片機模塊電路 19 晶振電路 19 復位電路 19 最小系統 20 LED顯示模塊 21 A/D轉換電路 22 D/A轉換電路 22 V/I轉換電路 23 鍵盤電路 24 串口通信電路 24第四章 軟件設計 26 主程序流程圖 26 A/D轉換子程序 27 鍵盤控制子程序 28 PID控制子程序 29 LED顯示子程序 32 Keil軟件 33 Keil軟件簡介 33 Keil軟件編程流程及程序下載 33第五章 系統的調試及說明 36 硬件設計調試 36 軟件設計調試 37 鍵盤和顯示軟件設計 37 輸入信號的測量 38 PID控制量計算及數據處理 38 軟硬件聯合調試 41總結 42參考文獻 43附錄A 本設計原理圖 45附錄B 主程序 46致謝 52第一章 引言 研究背景液位是工業生產過程中的主要被控參數之一，廣泛應用于冶金、化工、建材、食品、石油等工業中，工藝過程中液位的控制效果直接影響著所生產出的產品質量。現代工業中的液位控制系統規模日趨復雜化、大型化，液位控制已逐漸成為目前過控領域的一個研究熱點。 國內液位控制的發展現狀德州學院機電工程系的金秀慧做了基于MCGS的液位監控系統設計，它是一種基于AT89C51單片機的遠程液位數據采集監控系統，采用單片機作為控制核心，上位機采用MCGS編寫的監控軟件，整個監控系統可以完成液位信號的采集與轉換、數據傳送和顯示、控制等功能[2]。北方工業大學理學院的安艷偉做了基于單片機的分布式液位控制系統設計，設計了一種基于51單片機為核心的多機分布式液位控制系統，由數據采集模塊，處理模塊和多機通信平臺組成，既滿足了測量精度的要求，同時具有較高的可靠性，成本低，控制靈活。隨著傳感技術的不斷提高，分布式監控系統應用日趨廣泛，一個高質量、合理化的多機串行通信平臺就顯得尤為重要[19]。南京郵電大學的牛標和張代遠所做的可監控智能液位控制器系統設計中列舉了液位控制系統可以采取的硬件方案以及他們各自的優缺點，采用FPGA作為控制器可以實現各種復雜的邏輯功能，規模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩定性，并且可應用EDA軟件仿真、調試，易于進行功能擴展[5]。FPGA采用并行輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。但是由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作[5]。根據哈爾濱工業大學的李小平所做的《液位控制系統建模及其控制算法的研究》對幾種控制算法進行了研究，其中包括PID控制算法、大林算法、Smith預估控制算法、模糊控制算法等，并通過編程說明了其可行性和優越性：PID控制器是迄今為止應用最廣泛的反饋形式，它具有結構簡單、容易實現、控制效果好等特點，且原理簡明，參數物理意義明確，理論分析體系完整；大林控制算法的最大的特點是，將期望的閉環響應設計成一階慣性環節加純延遲，然后反過來得到能滿足這種閉環響應的控制器[12]。它是克服純滯后的有效方法，一階系統很快達到穩定，波動較少；Smith預估控制算法是一種簡單而有效的控制方法，但只適用于單輸入單輸出系統，它的最大優點是將時滯環節移到了閉環之外，是控制品質大大提高，它的最大缺點是太過依賴精確的數學模型，對于外部擾動非常敏感，魯棒性較差；模糊控制是一種新型控制方法，在冶金、化工、電力和家電等工業部門都有成功應用，它避開了復雜的數學模型，控制系統的魯棒性強，通常能得到比較好的性能指標，適用于水位這樣的滯后非線性系統[12]。 PID調節器簡介傳統的調節器多為模擬調節器，這種調節器多用氣動或電動單元組合儀表來完成。隨著單片機在控制領域中的廣泛應用，利用計算機軟件設計控制算法，具有更大的可靠性、靈活性以及更好的控制效果。因此，以單片機為中心、采用數字算法的數字調節器正不斷代替著模擬調節器。在控制過程中，應用最廣泛的調節器控制規律為比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，簡稱PID控制，又稱PID調節。在單回路反饋控制系統中，由被控對象、變送器、控制器、和控制閥四個基本環節構成。控制器的參數對控制系統的控制效果產生很大影響：控制系統的動態誤差、靜態誤差、穩定性都是通過對控制器的參數調節進行控制的。自從PID控制器問世到現在已有近70年的歷史，它以穩定性好、結構簡單、調整方便、工作可靠為優點成為工業控制領域的主要技術之一。當被控對象的參數和結構不能完全掌握，或者得不到準確的數學模型時，系統控制器的參數和結構必須依靠現場調試和經驗來確定，這時采用PID控制最為方便。即當我們不能完全了解系統的被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合采用PID控制技術。 設計思路本設計利用單片機實現對雙容水箱液位的控制，該系統是以上下兩個串聯的水箱為研究對象，把下水箱的液位作為被控參數，通過壓力變送器測量水箱的液位，并把測量結果送到以單片機為核心的控制器作為反饋信號，控制器再根據預先設置的增量型PID控制算法進行運算，發出控制命令控制執行機構之一的調節閥開度大小，從而改變進入上水箱中水的流量大小，實現水箱液位的自動控制，整個控制過程中，水泵電機保持勻速供水。： 系統工藝圖 設計意義本設計之所以選擇用單片機進行控制是由于其具有體積小、功能強、可靠性能高、造價比低和開發周期短等優點。而單片機控制系統以其性能穩定、可靠，控制精度高，造價低，設置方便，操作方便等優點，被應用到液位控制系統中來，增強了系統的可視性，使得人機交互的能力進一步提高。雙容水箱本身存在慣性大、擾動多等問題，本設計利用積分分離和帶死區的增量型PID控制可以成功的克服這些問題。這些問題的有效克服使得液位控制系統在工業上具有很大的研究價值。第二章 硬件組成 系統硬件組成概述。 系統硬件結構框圖 數據采集電路數據采集電路的功能主要是采集容器中的實時液位高度，并且把這個采集到的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號送入單片機。 壓力變送器壓力變送器測量的是壓力信號，根據液位參數與壓力參數的關系即式（）得到液位信號，從而將液位測量的數據轉換為壓力測量的數據。 （）本設計所選用的壓力變送器是JYBKOHAG，： JYBKOHAG壓力變送器技術參數環境溫度－ 10℃～+60℃介質溫度－ 20℃～+70℃電壓輸出型輸出阻抗≤ 250Ω(DC 24V供電時)：0～5VDC供電電壓DC 24V(12V～32V)負載能力電流輸出型≤ 500Ω：4～20mADCJYBKOHAG壓力變送器用途：航空航天領域，工業現場過程壓力控制，儀器醫療食品等行業，石油化工行業，航海及造船行業，水電、水利、發電廠等行業。JYBKOHAG壓力變送器具有以下的特點：抗過載、抗沖擊、抗干擾等能力強；溫度補償激光調阻，使用溫域寬；防浪涌電壓，反向極性保護；抗腐蝕性能好，可以測量多種介質；過流過壓保護電路；進口陶瓷芯片或擴散硅，適用于不同場合的壓力測量；穩定性高，實用性廣；安裝簡便，小巧精致等。JYBKOHAG型擴散硅壓力傳感器的測量精度：A級（177。 ％），B級（177。％）。量程是：060MPa內任量程，最小量程為 5kPa。JYBKOHAG型陶瓷壓力傳感器的測量精度：A級（177。 ％），B級（177。 1％）。量程是：010MPa內任量程，最小量程為 30kPa。 I/V轉換電路測量所得的液位模擬信號經過壓力變送器輸出420mA直流信號后，再經250Ω電阻轉換成直流15V標準電壓信號，送入A/D 轉換器。 A/D轉換器在工業控制過程中，被測參數（如流量、溫度、液位、壓力、速度等）都是連續變化的量，稱為模擬量。而單片機只能處理數字量，所以在數據進入單片機之前，必須把模擬量轉換成為單片機可識別的數字量，能夠達到這一目的的器件，稱之為模數轉換器，即A/D轉換器。A/D轉換器有很多種，依據位數來區分，有16位、12位、10位、8位等。其位數越高，分辨率也就越高。通常使用的A/D轉換器是將一個輸入模擬信號轉換為一個輸出的數字信號，本設計所用的A/D轉換器是ADC0832，它可實現05V模擬電壓信號的8位數字量轉換。本設計采用ADC0832模數轉換器與I/V轉換電路相連接，對輸入的15V電壓信號進行采樣。現場傳來的420mA電流信號經過適當的輸入轉換電路轉換為單片機可接受的15V