储水罐液位计算机控制系统设计.docx

计算机限制技术课程设计储水罐液位计算机限制系统设计学生姓名学号学院名称专业名称指导老师2011年6月7日I.储水竣液位系统设计原理O1.1 本设计任务和主要内容O1.1.1 设计任务O1.1.2 主要内容O2 .系统模型建立I2.1 系统组成12.2 系统工作原理12.3 系统模型23 .硬件选择53.1 液体压力传感普选择53.2 水泵选择53.3 微限制器的选择63.3.1 8OC51电源63.3.2 8OC5I时钟63.3.3 8OC51限制线63.3.4 8OC51I/O接口73.4 A/D转换器选择74 .硬件电路设计94.1 8OC5I单片机外围电路设计94.1.1 时钟电路94.1.2 复位电路94.2 水泵驱动电路设计94.2.1 维电器电路IO4.2.2 双向晶闸管过零调动调速原理104.2.3 过零检测电路114.2.4 双向晶闸管触发电路124.3 数码管电路125 .系统软件设计135.1 软件设计流程图135.2 软件主函数145.3 软件水泵限制程序146 .结论17参考文献18附录19附录I19附录326附录4281 .储水罐液位系统设计原理1.1 本设计任务和主要内容1.1.1 设计任务本设计主要探讨水箱水位自动限制系统。此系统实现水位报警，水位实时显示。在2min内达到并稔定在Im水位高度，并且偏差在±10%.1.1.2 主要内容被控系统为一储水域。系统如图所示，储水器内为清水，卜.部设有出水管，流量记为Q2。储水球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（即在储水辘补水过程中液位不变更）。已知储水罐的截面枳A=I平方米,高度H=2米，要求限制目标液位高度为1米.当水箱水位低于Im时，启动水泵，从清水池抽水供应给储水搬：当水箱水位高于Im时水泵自动停止：当水箱水位高于8m时外部报警灯自动点亮，手动身位限制系统。图I-I储水战系统2 .系统模型建立2.1 系统组成储水域液位系统的原理图如图2-1所示。此系统由清水池，储水罐，直流水泵，微限制器，液体压力传感器，A/D转换器等组成。清水池在此设计中属于志向状态，即水位高度不变：直流水泵选用TPH2T6K型号，220V离心式水泵，此水泵工作效率为50标11：微限制器选用Atme1.公司生产的89C51单片机：液体压力传感器选用PT500-500液体压力传感器;A，D转换器则选用ADeo8088位精度转换器。图2-1储水螺液位系统的原理图2.2 系统工作原理此系统由液体压力传感器测出储水灌液位压力，以020mA电流形式输入到一个125。电阻上，A/D转换器采样电阻两端电压，然后输入微限制器8OC5I,微限制湍8OC51经过处理推断水位高度进行相应的处理，并限制数码管显示现在水位高度。系统工作流程图如图22图2-2储水域液位系统:作流程图2.3 系统模型此系统是个典型的阶系统。储水域相当于个流体容器，由物J贞守恒可以得到:Qn=Q+Q.（2.1）式中Qin一一表示流入储水罐的水量：Q一表示储水透中保留的水量；Q表示流出储水器的水量。假设A是储水城的横截面枳，h，为储水部;中水位的高度则（2.1）可写成：出水流量取决于储水徽的流域系数，储水楸的液位裔度，储水罐的出水口面枳，和至力常数。即：Qe1.=CIiaj,gh（2.3）式中Cd一一表示储水罐出口的潦量系数：a一一表示储水罐的出水口面积；g表示重力常数（9.8nVs2）.结合（2.2）,（2.3）我们能得到Q1.n=A+Cdag.假设Qs是个常数则出水流量将达到一个程态值QM=Q。，水位高度也将能达到一个恒定值。Qo=CUaJC我们假设Q”有个小的扰动值，我们能得到:6Q11=Qi"-Q,>(2,6)同时液位高度也将会有小的扰动:(2.7)将(2.6)、(2.7)带入(2.4)我们可以得到：(2.8)a*CMM%)=OQn+Q,>应用泰勒级数将(2S)线性化,泰勒级数:/3=/)+田宁+%号：+<2.9)(2.10)(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)(2.16)取泰勒级数第一级得到：f()-f(0)(-0)将(2.8)用(2.11)线性化后得到:A等上对(2.12)进行拉普拉斯变换，我们可以得到：心)二IQ<s)As+Q02hi1.带入数据可得：h(三)=Ie-j+o电机的电气方程：di1.)=UIy-1.ri1.Ccii(f)(it电机的机械方程：回=Tfdt式中Ct表示电机电势系数：a表示电枢电阻：Wd表示电枢电压：M表示电枢电流：1.表示电枢电感：J表示折算到轴上的转动惯量：T一一表示电动机电磁转矩：TI表示负载转矩：将（2.15）、（2.16）式进行拉式变换可以得到转速和输入电压的传递函数:=黑=丁巾£+1(2.17)电机阅历公式:UN-INR1.J11n375GeV1.30CK=Crn1.R，得出该电机的传递函数为:His)30.139().(MX)163.V2+0.01735+1由上式我们可以得到此液位系统的框图如图2-3图2-3储水排液位系统框图3.硬件选择3.1 液体压力传感器选择本设计中储水域的高度液位高度最高为2M,依据°=4劭，可算出在此设计中最大压强为19.6KPa。可选择压力传感器地程为020KPa,最终选用了PT500500液体压力传感器，PT500-500采纳精度高稔定性电阻应变计做为变送器的感压芯片，选进的贴片工艺，配套带有零点、满代程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路.主要技术要求如表3T所示。表3-1PTS(X1.XX)液体压力传丛源技术参数技术参数参数值被测介质!气体、液体及蒸气量程-100Kpa-20KPa-60Mpa-150Mpa间的意可选输出020mA(二践制)综合精度±0.1%FS(显程6()MPa以上八±0.25%FS,±0.5%FS供电1276VDC绝缘电阻1.()0()M10()VDC,负载电阻i800介侦温度i20-85C-20750C、20200C2O3OOC(可选环境温度!-2O-85-C相对湿度0-95%RH过我实力.一.,.一-I5O%FS响应时间<IOmS电气连接不恢钢防水密封端子、四芯航空接插件、林母晚接头等此液体压力传感器完全可以满意限制的要求，选择此传感器主要因为：供电耍求1236VDC,电压范围广，输出020mA标准电信号，便利A/D采集。3.2 水泵选择此设计中应用了TPH2T6K离心式单相沟通水泵，其技术参数如表3-2。此水泵采纳单相沟通电，易于限制，潦量50"'H=0.83min,在两分钟内可以达到要求。表3-2TPH2T6K离心式单相沟通水泵技术参数林术参数参数伯工作电压220V工作频率50HZ流ri50msH扬程55m进出口径25cmq达转速29(M)RPM3.3 微限制器的选择此设计来纳An1.E1.80C51作为限制芯片。它是在MCS-18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、803k875k其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采纳的核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备，从功能上看,0*包括两个部分:运算器和限制器,它执行对输入信号的分析和处理。每片80C5I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：五个中断源的中断限制系统：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须要外接。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ATME1.公司的8051为核心芯片，限制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置,4KRoM,因为系统要求限制线较多，假如采纳8031外出EPR琬程序限制结构,则造成限制线不够，而8051却可以利用P0、P2口作限制总线,大大简化了硬件结构，并可以干脆限制1.ED数据显示，便利现场调试和维护，使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。现在介绍卜在此设计中用到的引脚，引脚图如图3-1所示。单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、限制和I/O引脚。3.3.1 80C5I电源VCC-芯片电源，接+5V：VSS-接地端:3.3.2 8OC51时钟XT1.1.XT1.2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3.3.3 80C51限制线 A1.EJPRoG:地址锁存允许/片内EPRoM编程脉冲A1.E功能：用来锁存PO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:夕卜ROM读选通信号。 RSIVVPD:复位/备用电源。RST(Reset)功能：竟位信号输入端。VPD功能：在VCC掉电状况下，接备用电源.EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM茅程电源。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.3.3.48OC51I/O接口 PO（39脚一32脚）：P0.0P0.7统称为PO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。当按有外部程序存储器或扩展I/O口时，PO口为地址，数据分时豆用口。它分时供应8位双向数据总线。 P1.n<1脚8脚）：PI.0PI.7统称为P1.口，可作为准双向I/O接口运用。对丁McS-52子系列单片机,P1.0和P1.1还有第2功能：P1.O口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2：P1.1用作定时罂/计数器2的外部限制端T2EX”对于EPROM编程和进行程序校验时，PO接收输入的低8位地址。 P2口（21脚一28脚）：P2.0-P2.7统称为P211,一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且m址范圉超过256个字节时，P2用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。 P3口（10脚17脚）：P3.0P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为般的准双向I/O接口，也可以将每I位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第I功能的输入输出或第2功能。÷:IXrA1.1.POOZADOPO1/AD1PO2/AD2XTA1.2PO3/AD3PO4/AD4PO分ADSPOWADGRSTP0.7/AD7P20AP21/A9