計算機控制技術(shù)課程設(shè)計報告

分?jǐn)?shù)：華南理工大學(xué)廣州學(xué)院課程設(shè)計報告題目：反應(yīng)爐液位控制系統(tǒng)設(shè)計方案課程：計算機控制技術(shù)課程設(shè)計專業(yè)：自動化班級：2012級1班姓名：學(xué)號：2015年1月6日《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱計算機控制系統(tǒng)及設(shè)計方案二、課程設(shè)計目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的理論、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對幫助學(xué)生全面牢固地消化、鞏固、掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、開拓思維、培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)、指導(dǎo)學(xué)生的實踐和動手環(huán)節(jié)、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義?！队嬎銠C控制技術(shù)》是一門實用性和實踐性都很強的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、方案設(shè)計、硬件電路設(shè)計、軟件編程等方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深學(xué)生對計算機控制技術(shù)的認(rèn)識和實際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計原則，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，編程調(diào)試，為將來將計算機控制技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)過程打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計任務(wù)經(jīng)過兩年多大學(xué)自動化專業(yè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，完成公共基礎(chǔ)課程、專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實踐，對自動化專業(yè)及控制系統(tǒng)充分認(rèn)識、理解，并具備一定自動化專業(yè)素養(yǎng)和控制系統(tǒng)理論知識，有一定的控制系統(tǒng)設(shè)計能力。在本學(xué)期完成《計算機控制技術(shù)》課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，安排有一周課程設(shè)計，通過完成該設(shè)計，希望同學(xué)對所學(xué)專業(yè)知識進(jìn)行總結(jié)、思索，充分認(rèn)識自動化專業(yè)在國民生產(chǎn)和生活中重大意義，意識當(dāng)代大學(xué)生任重道遠(yuǎn)，樹立遠(yuǎn)大目標(biāo)。以下本次《計算機控制技術(shù)》課程設(shè)計任務(wù)：（一）了解自動化技術(shù)在國民生產(chǎn)和生活中有何重要意義？計算機控制技術(shù)在生產(chǎn)過程中有何作用、意義？（二）掌握計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成。（三）根據(jù)本學(xué)期學(xué)習(xí)《計算機控制技術(shù)》課程，以常用計算機如工業(yè)控制計算機、PLC或單片機為主控制器進(jìn)行設(shè)計，完成一個計算機控制系統(tǒng)設(shè)計方案。分組選擇以下所列題目之一完成，每組4人或以下，相同控制參數(shù)題目的小組不能互相抄襲或內(nèi)容雷同。題目如下共四題，選定某控制參數(shù)后，可自行確定XXXX具體名稱，如選做溫度控制同學(xué)，可將題目確定：溫度控制系統(tǒng)或加熱爐溫度控制系統(tǒng)或啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)等。1、XXXX溫度控制系統(tǒng)設(shè)計；2、XXXX液位控制系統(tǒng)設(shè)計；3、XXXX壓力控制系統(tǒng)設(shè)計；4、XXXX流量控制系統(tǒng)設(shè)計；（四）課程設(shè)計具體要求：1、根據(jù)選做題目自行確定控制要求和控制精度，如：若選定溫度控制系統(tǒng)設(shè)計需確定溫度控制范圍和控制精度等。2、硬件設(shè)計方案及主要器件詳細(xì)選型，完成選型分析和計算，指明供貨廠商、產(chǎn)品具體型號、技術(shù)參數(shù)等。繪制計算機控制系統(tǒng)硬件框圖，并根據(jù)以上器件選型，畫出模擬量輸入、輸出通道電路接口線路原理接線圖。主要器件包括：工業(yè)計算機主機、輸入通道（傳感器、變送器、A/D模塊等）輸出通道（D/A模塊或模板、執(zhí)行機構(gòu)等）等器件。提示：硬件選型可在相應(yīng)產(chǎn)品商家網(wǎng)站上或技術(shù)論壇搜索獲取資料進(jìn)行器件或模板選型。3、軟件設(shè)計方案及要求a、分析被控參數(shù)特性、數(shù)學(xué)模型，確定控制規(guī)律及方法（控制規(guī)律和方法包括：PID算法、達(dá)林算法等）；b、分別設(shè)計數(shù)據(jù)采集、濾波及標(biāo)度變換程序流程圖（不必編制具體程序）；c、控制算法程序流程圖（不必編制具體程序）；d、畫出軟件設(shè)計主程序流程圖（不必編制具體程序）；四、進(jìn)度安排序號內(nèi)容天數(shù)1布置任務(wù)，明確設(shè)計要求12查閱相關(guān)資料，進(jìn)行總體方案設(shè)計及硬件選型13硬件電路接口設(shè)計及繪制24軟件方案設(shè)計25總結(jié)，撰寫課程設(shè)計報告167五、課程設(shè)計報告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計過程，提交書面設(shè)計報告，設(shè)計報告各章節(jié)及主要內(nèi)容要求如下：1、序言，內(nèi)容包括：1）自動化技術(shù)在國民生產(chǎn)和生活中有何重要意義？2）計算機控制技術(shù)在生產(chǎn)過程中有何作用、意義？3）計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成。2、第一章XXX控制系統(tǒng)控制要求和總體設(shè)計方案，內(nèi)容包括：課程設(shè)計的目和設(shè)計的任務(wù)、具體控制要求、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。3、第二章XXX控制系統(tǒng)硬件設(shè)計，要求詳見課程設(shè)計任務(wù)中設(shè)計具體要求中（2）4、第三章XXX控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，要求詳見課程設(shè)計任務(wù)中設(shè)計具體要求中（3）5、第四章總結(jié)、體會、收獲6、參考資料，若出自網(wǎng)站的請注明網(wǎng)址。六、其他1、設(shè)計報告A4紙、宋體小四字體打印。將該任務(wù)書A4打印并作為封面與（五）課程設(shè)計報告內(nèi)容一起裝訂。2、該設(shè)計任務(wù)書發(fā)出日期：2014年12月25日，請各班學(xué)委根據(jù)志愿組隊原則，將個組成員分配好，每組成員不超過4人。并于2014年12月28日前將組隊名單交給老師。3、課程設(shè)計報告請于2015年1月15日前交到老師處。第二部分課程設(shè)計報告序言自動化是主要指生產(chǎn)過程中，在沒有人或很少人的直接參與下，機器設(shè)備、系統(tǒng)、生產(chǎn)線能夠根據(jù)人的要求生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品或完成相應(yīng)的動作等。自動化技術(shù)廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)和家庭等方面。采用自動化技術(shù)，不僅可以節(jié)省人的繁重的體力勞動，以及替代部分比較危險的工作，而且，采用自動化技術(shù)，可以大大的提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，極大地提高勞動生產(chǎn)率。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，比如電梯、地鐵等的發(fā)展，人們的出行等方面都跟方便了，在居家方面，比如掃地機器人以及加濕器等家電的快速發(fā)展，人們可以做更少的家務(wù)，有更多的時間享受生活。計算機系統(tǒng)由計算機硬件和軟件兩部分組成。硬件包括中央處理機、存儲器和外部設(shè)備等；軟件是計算機的運行程序和相應(yīng)的文檔。計算機系統(tǒng)具有接收和存儲信息、按程序快速計算和判斷并輸出處理結(jié)果等功能。計算機系統(tǒng)的特點是能進(jìn)行精確、快速的計算和判斷,而且通用性好,使用容易，還能聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。一切復(fù)雜的計算，幾乎都可用計算機通過算術(shù)運算和邏輯運算來實現(xiàn)。計算機有判別不同情況、選擇作不同處理的能力,故可用于管理、控制、對抗、決策、推理等領(lǐng)域。計算機能存儲巨量信息。只要字長足夠，計算精度理論上不受限制。計算機一次操作所需時間已小到以納秒計。計算機是可編程的，不同程序可實現(xiàn)不同的應(yīng)用。豐富的高性能軟件及智能化的人-機接口,大大方便了使用。多個計算機系統(tǒng)能超越地理界限，借助通信網(wǎng)絡(luò)，共享遠(yuǎn)程信息與軟件資源。反應(yīng)爐液位控制系統(tǒng)方案本次課程設(shè)計為液位控制系統(tǒng)，采用STM32單片機為核心芯片,及其相關(guān)硬件來實現(xiàn)的水體液位控制系統(tǒng),在用液位傳感器測液位的同時,

CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài),獲取傳感器所檢測到的信息進(jìn)行換算得到實際的液位。當(dāng)水體液位低于用戶設(shè)定的值時,系統(tǒng)自動增大閥門開度,當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時,系統(tǒng)自動減小閥門開度或打開排水泵等等。

使用單片機實現(xiàn)水體液位控制具有較高的實用價值和穩(wěn)定性好等特點，可有效保證水位的自動控制，能更好地對水體水位進(jìn)行自動化控制,避免了工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行檢測操控,方便了人員對液位系統(tǒng)的控制,控制方便且系統(tǒng)穩(wěn)定性能好；單片機不僅有體積小，安裝方便，功能較齊全等優(yōu)點，而且有很高的性價比，應(yīng)用前景廣，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，通過微機實現(xiàn)給水系統(tǒng)的自動控制與調(diào)節(jié)，維持穩(wěn)定系統(tǒng)，保證安全經(jīng)濟運行。反應(yīng)爐液位控制系統(tǒng)控制要求反應(yīng)爐的液位控制要求：⑴、使液位保持在50m高度⑵、控制精度：±1%主要器件選擇主控芯片選擇STM32F103系列屬于意法半導(dǎo)體公司的32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。主頻為72MHz，芯片集成定時器，CAN，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。存儲器--從32K到512K字節(jié)的閃存程序存儲器（STM32F103XXXX中的第二個X表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）--最大64K字節(jié)的SRAM電源管理--2.0-3.6V供電和I/O引腳--上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測器（PVD）--4-16MHZ晶振振蕩器--內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHz的RC振蕩器--內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40KHz的RC振蕩器--產(chǎn)生CPU時鐘的PLL--帶校準(zhǔn)的32KHz的RC振蕩器低功耗--睡眠、停機和待機模式--Vbat為RTC和后備寄存器供電模數(shù)轉(zhuǎn)換器--2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時間（多達(dá)16個輸入通道）--轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V--雙采樣和保持功能--溫度傳感器DMA--2個DMA控制器，共12個DMA通道：DMA1有7個通道，DMA2有5個通道--支持的外設(shè)：定時器、ADC、SPI、USB、IIC和UART--多達(dá)112個快速I/O端口(僅Z系列有超過100個引腳)--26/37/51/80/112個I/O口，所有I/O口一塊映像到16個外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號傳感器選擇

米科科技MIK-P261液位傳感器，量程范圍為0～200m，輸出信號為4～20mA，精度高；優(yōu)質(zhì)的接線端子和電子元器件以及耐磨的防水導(dǎo)線，穩(wěn)定性好；高精度的信號處理電路位于將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，可直接與計算機、控制儀表﹑顯示儀表等相連。執(zhí)行機構(gòu)選擇采用BOLES的DN65電動蝶形閥門，閥門的控制信號可以為4～20mA或1～5V信號，閥門開度為0～90度。D/A模塊選擇TLC2543是TI公司的12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省單片機I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。TLC2543的特點

（1）12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；

（2）在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時間；（3）11個模擬輸入通道；

（4）3路內(nèi)置自測試方式；（5）采樣率為66kbps；

（6）線性誤差±1LSBmax；

（7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；

（8）具有單、雙極性輸出；

（9）可編程的MSB或LSB前導(dǎo)；

（10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。A/D模塊選擇TLV5616是一個12位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），相對來說分辨率較高帶有靈活的4線串行接口。數(shù)字電源和模擬電源分別供電，電壓范圍2.7～5.5V。輸出緩沖是2倍增益rail-to-rail輸出放大器，輸出放大器是AB類以提高穩(wěn)定性和減少建立時間。rail-to-rail輸出和關(guān)電方式非常適宜單電源、電池供電應(yīng)用。通過控制字可以優(yōu)化建立時間和功耗比。系統(tǒng)框圖本課程設(shè)計中，主控實時獲取液位的數(shù)據(jù)（MIK-P261液位傳感器獲取液位信號，通過TLV5616將模擬的液位信號轉(zhuǎn)換成STM32能夠讀取的數(shù)字信號），當(dāng)反應(yīng)爐的液位發(fā)生了改變后，控制器STM32經(jīng)過一定的運算后得出偏差，輸出一定的控制信號，由TLC2543將數(shù)字的控制信號轉(zhuǎn)換為能控制電動蝶形閥的模擬控制信號，通過該模擬控制信號是蝶形閥的開度改變，使得反應(yīng)爐的液位保持在設(shè)定值。控制系統(tǒng)的原理圖如下：TLV5616A/D轉(zhuǎn)換MIK-P261液位傳感器反應(yīng)爐液位電動蝶形閥TLC2543D/A轉(zhuǎn)換STM32控制算法給定值TLV5616A/D轉(zhuǎn)換MIK-P261液位傳感器反應(yīng)爐液位電動蝶形閥TLC2543D/A轉(zhuǎn)換STM32控制算法系統(tǒng)的硬件連接結(jié)構(gòu)圖如下：MIK-P261液位傳感器TLV5616MIK-P261液位傳感器TLV5616A/D轉(zhuǎn)換STM32電動蝶形閥TLC2543D/A轉(zhuǎn)換電動蝶形閥TLC2543D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的軟件流程結(jié)構(gòu)圖如下：開始開始獲取液位數(shù)據(jù)（獲取獲取液位數(shù)據(jù)（獲取AD芯片采集的數(shù)據(jù)）濾波算法濾波算法量化編碼（得到相應(yīng)單位的值）量化編碼（得到相應(yīng)單位的值）偏差計算偏差計算控制閥門開度控制閥門開度結(jié)束結(jié)束軟件算法公式：1、液位傳感器量程范圍為0～200m，輸出信號為4～20mA，通過I/V轉(zhuǎn)換為1～5V電壓。每上升1米，獲取的值增加：算法算出的液位為：2、電動蝶形閥門的控制信號可以為4～20mA或1～5V信號，閥門開度為0～90度。閥門每度的DA值為：總結(jié)在這次的課程設(shè)計中，選取STM32為控制器為控制核心，通過外圍元件構(gòu)成一個實時性的液位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由硬件和軟件組成。其中，軟件主要由濾波算法、編碼、偏差計算等算法組成。整個系統(tǒng)是根據(jù)微控制器對液位感應(yīng)信號和液位控制端口的循環(huán)判斷后，做出對電機的端口信號控制，控制液體的導(dǎo)入與否進(jìn)而控制了容器內(nèi)部的液位。根據(jù)之前做作品的經(jīng)驗，在實際應(yīng)用中，軟件算法應(yīng)根據(jù)實際的環(huán)境（比如氣溫等情況）進(jìn)行設(shè)定、以及補償?shù)?。?jīng)過一定時間的調(diào)試后才最終確定方案，才能得到一個穩(wěn)定工作的系統(tǒng)。工業(yè)上的設(shè)備，考慮的不僅僅只是穩(wěn)定的運行，還要考慮到產(chǎn)品質(zhì)量的控制，并且還要保證產(chǎn)能等。通過這次的課程設(shè)計，我對計算機控制技術(shù)有了更深