基于單片機的流量控制系統(tǒng)設計—(共23頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院畢 業(yè) 設 計（論 文）題目：基于單片機的流量控制系統(tǒng)設計系： 機電工程系 專 業(yè)： 機電設備維修與管理 班 級： 13機電設備維修與管理3班 姓 名： 黃啟熙 指導教師： 完成時間： 2016年4月17日 專心-專注-專業(yè)摘要流量是自動化生產過程中重要的過程參數(shù)之一。以下采用AT89C51單片機,對流量控制系統(tǒng) 的硬件和軟件系統(tǒng)進行了設計。傳感器采集流量信息,由變換器變換為模擬電信號,并通過AD轉換器轉化成離散信號,傳給單片機。控制系統(tǒng)的軟件處理信息輸出 離散的控制信號,實現(xiàn)對流量的控制。關鍵詞：    

2、;目錄前言工業(yè)生產中過程控制是流量測量與儀表應用的一大領域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對生產過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調節(jié)是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領域應用廣泛?！?】在天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在，天然氣的計量引起了的特別關注，因為在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中，需要數(shù)以百萬計的流量計，其中有些流量計涉及到的結算金額數(shù)字巨大，對測量和控制準確度和可靠性要求特別高。此外，在環(huán)境保護領域，流量測量儀表也扮演著重要角色

3、。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴?，必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監(jiān)測；廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對廢液和污水進行處理，對排放量進行控制。于是數(shù)以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。同時在科學試驗領域，需要大量的流量控制系統(tǒng)進行仿真與試驗。流量計在現(xiàn)代農業(yè)、水利建設、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領域等也都有廣泛的應用。第一章緒論1.1  研究目的、意義及研究內容流量是衡量設備的效率和經濟性的重要指標 。流量測量與控制是實現(xiàn)工業(yè)生產過程自動化的一項重要任務。 本課題的主要研究內容是對流量進行控制，主要由流量傳感器采集流量信

4、息，然后經過AD轉換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機，單片機在軟件系統(tǒng)的控制下，根據(jù)預先的設置和預期的控制要求,通過步進電機來精確控制閥門的開度,實現(xiàn)對流量的精確控制。1.2  流量計的應用領域流量計主要用于以下幾個領域。l          工業(yè)生產過程l          能源計量l          環(huán)境保護

5、工程l          交通運輸l          生物技術l          科學實驗1.3  流量計概述所謂流量是指單位時間內通過某一截面的物料數(shù)量，即瞬時流量。用于測量流量的儀表稱為流量計，流量計是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一。流量計也成為流量傳感器，是一種指示被測流量和(或)在選定的時間間隔內流體

6、總量的流速監(jiān)測裝置。主要功能是當流速未達到設定的流速閥值時發(fā)出檢測信號，經計算機控制，進行報警或啟動連鎖保護系統(tǒng)，保護關鍵設備，能夠以及時制止在生產中的突發(fā)事故，對生產安全和經濟效益，有不可估量的實際作用。第二章 工作原理及系統(tǒng)硬件設計2.1  系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號，AD轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉換器將離散的控制信號轉化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調節(jié)流量，實現(xiàn)流量的精確控制。2.2 硬件構成本系統(tǒng)主要

7、由水泵、流量傳感器、電動閥門和MCS-51單片機控制系統(tǒng)以及液體管線和控制線、監(jiān)視線等組成。            系統(tǒng)結構框圖如下所示：流量是指單位時間內通過管道某一截面的物料數(shù)量。本控制系統(tǒng)的任務是對通過某一管道截面的物料數(shù)量即降粘劑流量進行控制。本系統(tǒng)采用單片機控制，通過流量計采集流量信息，傳給單片機。單片機通過預先設定值和系統(tǒng)軟件進行分析，發(fā)出相應的控制信號，驅動調節(jié)閥動作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實現(xiàn)生產過程自動化。    

8、0;      系統(tǒng)硬件結構圖如圖所示：其中，電磁流量計作為流量傳感器，采集流量信息，經放大器放大后送到AD轉換器。AD轉換器將連續(xù)的模擬量轉化為單片機能接受的離散的數(shù)字量。單片機收到流量信號后，在控制系統(tǒng)軟件的作用下，發(fā)出相應的執(zhí)行命令給執(zhí)行機構步進電機。步進電機帶動閥門動作，對流體流量進行控制。2.3 流量計的介紹工業(yè)上常用的流量計種類很多，如按照其測量原理來分類，大致分為：轉子流量計，差壓式流量計，節(jié)流式流量計，速度式流量計，容積式流量計及其它類型流量計如基于電磁感應原理的電磁流量計和超聲波流量計等。本設計選用的是超聲波流量計。目前的工業(yè)

9、流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點。而超聲波流量計卻克服了這些問題。超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發(fā)展才開始應用的一種非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響。2.4 流量計的選擇本次所選

10、的超聲波流量計為北京中元瑞得公司的ZYF-300.本流量計的優(yōu)點為：最新計算機技術、IC技術同步發(fā)展的高技術的流量測量儀表，與其它常規(guī)類型流量計或其它超聲波流量計相比，除具有高精度（達到0.1）、高可靠性、高性能、價格低廉；內置流量日月年累計器 * 內置上電斷電記錄器；0.5秒基本測量周期 * 內部32位浮點數(shù)據(jù)處理；頻率信號輸出 * 40皮秒時間測量分辨率；測量周期為500ms等。此流量計的工作原理為:當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產生微小變化，其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下面表達式：V=MD/sin2×T/(Tup·Tdown)。其中:

11、     為聲束與液體流動方向的夾角             M  為聲束在液體的直線傳播次數(shù)D   為管道內徑Tup  為聲束在正方向上的傳播時間Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間T = Tup Tdown。第三章 軟件設計3.1  軟件設計思路該控制系統(tǒng)的軟件設計可以分為三部分：1.主程序部分：該部分完成存儲器分區(qū)、數(shù)據(jù)定義和系統(tǒng)的初始化等，以及調用各個子程序，完成主要的控制功能。2.流量控制程序：通

12、過PID控制算法，編寫出相應的流量控制子程序，實現(xiàn)對流量的控制，達到預期的控制要求；3.各子程序：各個子程序完成具體的實現(xiàn)方法，主要包括：設定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進電機控制、AD轉換中斷、T0定時器中斷、采樣中斷等。軟件流程圖如下：3.2  主程序設計u        主程序部分，主要完成存儲器分配、系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)整體控制等，并通過調用各子程序段，實現(xiàn)軟件的總體設計功能。主程序流程圖u初始化：系統(tǒng)初始化程序的功能是對8155和89C51進行初始化，使D/A輸出為0，步進電機處于停機狀態(tài)，將RAM中的標志位和工作

13、單元置為初始狀態(tài)，提示符CPUREADY寫入緩沖器。更新顯示器子程序的功能是將顯示緩沖器的內容，分別轉化為段數(shù)據(jù)，輸出到8155。顯示器012的顯示數(shù)據(jù)緩沖器分別為73H7FH單元。當系統(tǒng)處于停機狀態(tài)時，顯示器04顯示參數(shù)，顯示器57顯示參數(shù)地址，所以73H77H作為數(shù)據(jù)緩沖器，78H7AH作為地址緩沖器，在運行狀態(tài)時，73H77H作為瞬時流量緩沖器，78H7FH作為累計流量緩沖器。初始化程序的流程如圖所示：3.3  流量控制子程序在流量測試的基礎上，把流量設定值和實際測試得到的瞬時流量進行比較計算出誤差，采用數(shù)字PID調節(jié)算法，計算輸出到AD0809的變量Uio增量式PID控制算法

14、的計算公式為式中：ei為本次實際測得的流量和設定值之差； SHAPE  * MERGEFORMAT P為比例系數(shù)；I為積分系數(shù)；D為微分系數(shù)；輸出控制變量表達式為： SHAPE  * MERGEFORMAT 程序的入口參數(shù)：偏差ek、ek-1、ek-2、測量值y、給定值r。這5個參數(shù)均為3字節(jié)的浮點數(shù)，分別將它們存放在RAM單元中。低字節(jié)存放浮點數(shù)的階數(shù)和符號，其中符號存放在最高位，階數(shù)以補碼的形式存放在另7位中。尾數(shù)以原碼的形式存放在另2個字節(jié)中。第四章 中斷服務子程序4.1  設定值輸入程序本程序將4位BCD碼按千、百、

15、十、個依次存放在89C51片內RAM的30H33H單元中，每個地址單元的高4位為0，低4位為BCD碼。           程序代碼如下：RDS：MOV  R0，#30H；初始化，存放單元首址MOV  R2，#7FH；P1口高4位置控制字及低4位置輸入方式MOV  R3，#04H；讀入4個BCD碼MOV  A，R2LOOP：MOV  P1，A；P1口送控制字及低4位置輸入方式MOV  A，P1；讀如BCD碼ANL  

16、 A，#0FH；屏蔽高4位MOV  R0，A；送入存儲單元INC  R0；指向下個存儲單元MOV  A，R2；準備下一片撥盤的控制端置0RR  A；MOV  R2，A；DJNZ  R3，LOOP；未讀完返回RET；讀完結束4.2  A/D中斷子程序A/D中斷子程序流程圖如下所示：程序代碼如下：INT0：PUSH   ACC        ；保護現(xiàn)場PUSH   DPH    &

17、#160;   PUSH   DPL        PUSH   PSW        SETB   PSW.3      ；選工作寄存器區(qū)1        MOV    DPTR，#0DF01H；讀取8155A口數(shù)據(jù) 

18、       MOVX   A，DPTR        MOV    R2，  A        ANL    A， #0F0H    ；屏蔽低4位        JNZ    N

19、D5          ；        MOV    A，R2        JNB    02H， D51    ；判斷是否采樣零信號        MOV    

20、C，  ACC.0  ；        MOV    30H，  CMOV    C，  ACC.7              MOV    37H，C          

21、;    AJMP   D14D51：   MOV    C，ACC.0     ；萬位和標志位荷重信號緩沖器             MOV    48H，C             MO

22、V    C，ACC.7             MOV    4FH，C             AJMP   D14ND5：  MOV  A，R2         

23、；判斷是否讀出千位            JNB  ACC.7,ND4            JNB  02H，D41       ；判斷是否采樣零信號            ANL

24、0; A， #0FH       ；千位零信號緩沖器            SWAP  A            MOV   25H，A            AJMP 

25、  D14D41： ANL  A，#0FH                   SWAP  A           MOV   28H， A           AJMP

26、     D14ND4： JNB   ACC.6， ND3    ；判斷是否讀出百位      JNB   02H，D31       ；判斷是否采樣零信號      MOV   R1，  #25H     ；百位零信號緩沖器   

27、;   ANL   A，#0FH      XCHP  A，R1      AJMP  D14D31： MOV   R1，  #28H           ANL   A，#0FH      XCHD  A，R1 

28、60;    AJMP  D14ND3： JNB   ACC.5， ND2    ；判斷是否讀出十位      JNB   02H，  D21     ；判斷是否采樣信號      ANL   A，  #0FH      ；十位零信號緩沖器 

29、0;    SWAP  A      MOV   24H，  A      AJMP  D14D21： ANL   A，  #0FH           SWAP  A      MOV   24H，A

30、0;     AJMP  D14ND2： JNB   02H，D11       ；判斷是否采樣零信號      ANL   A，#0FH        ；個位零信號緩沖器      MOV  R，#24H      X

31、CHD  A，R1      CLR   02H      MOV   DPTR，#0DFF3H  ；啟動A/D轉換      MOV  A， #30H      MOVX  DPTR，  AADS1：SETB   P1.6      NO

32、P      NOP      CLR   P1.6      AJMP   D14          D11： ANL   A，#0FH      MOV   R1，#27H   

33、0;  XCHD  A，R1      MOV   2AH，24H      ； 采樣數(shù)據(jù)送處理緩沖器      MOV   2BH，25H      MOV   2CH，26HMOV   2DH，27H      MOV   2

34、EH，28H      MOV   2FH，29H      SETB  03H            ；置一次A/D采樣結束標志D14： POP   PSW            ；恢復現(xiàn)場   &

35、#160;       POP   DPL           POP   DPH           POP   ACCRETI4.3  定時器中斷子程序定時器T0中斷程序流程圖如下圖所示。程序代碼如下：PIT0：  PUSH  

36、0; PSW            ；保護現(xiàn)場        PUSH    ACC        PUSH    DPH        PUSH    DPL  

37、60;     JNB     00H，  T01     ；允許采樣否？        DJNZ    10H，  T02   ；采樣周期計數(shù)器減1，不為1轉T02        DJNZ   11H，T02   &#

38、160;    MOV     10H，#0A0H  ；恢復采樣周期計數(shù)器初值MOV     11H，  #0FHSETB     0FHCLR          0DHCLR      P3.4MOV      DPTR，  #

39、0DFF3H ；    對零點采樣MOV    A，   #00H        MOVX   DPTR，  ASETB     04HSETB     04HT02： JB   01H，   T05      T01  

40、; SETB    P1.7          NOPCLR     P1.7T05：CLR      P1.6DJNZ    16H，  T06       ；調試用脈沖周期計數(shù)器減1CPL      P1.4  &#

41、160;         ；使P1.4產生方波MOV    16H，17HT06： POP    DPL               ；恢復現(xiàn)場POP   DPHPOP   ACCPOP   PSWERTI4.4  數(shù)碼管顯示子程序程序流程

42、圖如下所示：在單片機內部RAM的20H和21H單元中有四位十六進制數(shù)(20H中為高兩位)，以下是將其自左到右顯示出來的程序。           程序代碼如下：ORG  2000HSDIAPLAY：MOV  A，20H            ；20H中數(shù)送A ANL  A，#0F0H     

43、60;  ；截取高4位 MOV  P1，A           ；送1#MC14495 MOV  A，20H          ；20H中數(shù)送A SWAP  A               ；低4位送

44、高4位ANL  A，#0F0H         ；去掉低4位 INC  A                 ；A1A0指向2#MC14495 MOV  P1，A            ；送2#MC14

45、495 MOV  A，21H          ；21H中數(shù)送AANL  A，#0F0H         ；截取高4位 ADD  A，#02H           ；A1A0指向3#MC14495 MOV  P1，A   

46、0;        ；送3#MC14495 MOV  A，21H           ；21H中數(shù)送A SWAP  A               ；低4位送高4位 ANL  A，#0F0H   &#

47、160;     ；去掉低4位 ADD  A，#03            ；A1A0指向4#MC14495 MOV  P1，A            ；送4#MC14495 RET4.5  步進電機控制程序程序代碼如下：ORG  2100H PUSH

48、0; ACC                  ；保護現(xiàn)場 MOV  R4，#N                ；步進馬達步進數(shù)送R4CLR  C        

49、0;             ；Cy清零ORL  C，PSW.5               ；轉向標志狀態(tài)送CyJC  ROTE                

50、;    ；若為反轉，則轉ROTEMOV  R0，#20H               ；正轉模型始址送R0AJMP  NEXT                  ； 轉入NEXTROTE：MOV  R0，#27H &#

51、160;             ；反轉模型始址送R0NEXT：MOV  A，R0                ；輸出控制模型的值MOV  P1，A             &#

52、160;     ；輸出控制脈沖               ACALL  DELAY                ；延時（形成脈寬）           &

53、#160;   INC  R0                       ；準備下個模型指針               MOV  A，#00H   

54、0;            ；判斷送完一遍模型值               ORL  A，R0               JZ  TPL    &

55、#160;                  ；若模型結束，則TPL LOOP：DJNZ  R4，NEXT             ；若步進數(shù)未走完，則NEXT           

56、;   POP  ACC                   ；恢復現(xiàn)場              RET             

57、;            ：返回TPL：MOV  A，R0                             CLR  C     &

58、#160;    SUBB  A，#06H                          MOV  R0，A                   ；恢復模型始址AJMP  LOOP          &#