储水罐液位计算机控制系统设计.doc

计算机控制技术课程设计储水罐液位计算机控制系统设计学生 学 号 学院名称专业名称 指导教师 2021年 6月 7日1. 储水罐液位系统设计原理 41.1 本设计任务和主要容 4设计任务 4主要容 42. 系统模型建立 52.1 系统组成 52.2 系统工作原理 52.3 系统模型 63. 硬件选择 93.1 液体压力传感器选择 93.2 水泵选择 103.3 微控制器的选择 103.3.1 80C51 电源 113.3.2 80C51 时钟 113.3.3 80C51 控制线 113.3.4 80C51 I/O 接口 113.4 A/D 转换器选择 124. 硬件电路设计 134.1 80C51单片机外围电路设计134.1.1 时钟电路 134.1.2 复位电路 144.2水泵驱动电路设计 144.2.1 继电器电路 14154.2.2 双向晶闸管过零调功调速原理过零检测电路 154.2.4 双向晶闸管触发电路 16 4.3数码管电路 175. 系统软件设计 175.1 软件设计流程图 175.2 软件主函数 185.3 软件水泵控制程序 206. 结论 23 参考文献 24 附录 25附录 125附录 334 附录 4361■储水罐液位系统设计原理1.1本设计任务和主要容设计任务本设计主要研究水箱水位自动控制系统。

此系统实现了水位报警，水位实时显示在 2min到达并稳定在1m水位咼度，并且偏差在 10%主要容被控系统为一储水罐系统如图1-1所示，储水罐为清水，下部设有出水管，流量记 为Q2储水罐通过水泵将清水池的清水补入罐，流量记为 Q1,清水池的水位可视为固定 值2米〔即在储水罐补水过程中液位不变化〕储水罐的截面积A=1平方米，高度H=2米， 要求控制目标液位高度为1米当水箱水位低于1m时，启动水泵，从清水池抽水供应给储水罐；当水箱水位高于 1m时水泵自动停顿；当水箱水位高于1.8m时外部报警灯自动点亮，手动复位控制系统Q1储水罐目标液位 高度水泵图1-1储水罐系统2.系统模型建立2.1系统组成储水罐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，微控 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理想状态，即水位高度不变；3直流水泵选用TPH2T6K型号，220V离心式水泵，此水泵工作效率为 50m /H ； 微控制器选用Atmel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；2.2系统工作原理此系统由液体压力传感器测出储水罐液位压力， 以0~20mA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，然后输入微控制器 80C51,微控制器80C51经过处理判断水位高度进展相应的处理，并控制数码管显示现在水位高度。

系统工作流程图如 图 2-2图2-2储水罐液位系统工作流程图2.3系统模型此系统是一个典型的一阶系统储水罐相当于一个流体容器，由物质守恒可以得到:Qin = Q + Qout〔2.1〕式中 Qin——表示流入储水罐的水量；Q ――表示储水罐中保存的水量；Qout——表示流出储水罐的水量假设A是储水罐的横截面积，h'为储水罐中水位的高度那么〔2.1〕可写成:dhQin = A- + Qout〔2.2〕出水流量取决于储水罐的流量系数，储水罐的液位高度，储水罐的出水口面积，和重力常数即:Qout = Cda . 2gh〔2.3〕式中 Cd――表示储水罐出口的流量系数;a 表示储水罐的出水口面积；g 表示重力常数〔9.8m/s2〕结合〔2.2〕，〔2.3〕我们能得到dhQin = A 一 Cda, 2ghdt 〔 2.4〕假设Qin是个常数那么出水流量将到达一个稳态值 Qout Q0，水位高度也将能到达一个恒定值Q0= Cd^/29h0〔 25〕我们假设Qin有个小的扰动值，我们能得到:Qin Qin Q0〔2.6〕同时液位高度也将会有小的扰动:h°〔2.7〕将〔2.6〕、〔2.7〕带入〔2.4〕我们可以得到:d hA —dtCda、.、2( h h0) QinQ0〔2.8〕应用泰勒级数将〔2.8〕f(x) f(Xo)线性化，泰勒级数：d2fdx2dfdx取泰勒级数第一级得到:f (x)或者将〔2.8〕用〔2.11〕(x X0)X x0f(Xo)dfdx1!(X X0)22!〔2.9〕X Xo(XXo)〔2.10〕f(x) d! dxX x0〔2.11〕线性化后得到：A于斛Qn〔2.12〕对〔2.12〕进展拉普拉斯变换，我们可以得到:JQ0 2h0h(s)Qin(s)As〔2.13〕带入数据可得:h(s)Qin (S)1s 0.1〔2.14〕电机的电气方程:diaaLa Ua iara Ce (t)dt〔2.15〕电机的机械方程:T Tl〔2.16〕式中Ce表示电机电势系数;ra 表示电枢电阻;ua 表示电枢电压；ia——表示电枢电流；La——表示电枢电感；J ――表示折算到轴上的转动惯量；T 表示电动机电磁转矩;Tl ――表示负载转矩;将〔2.15〕〔2.16〕式进展拉式变换可以得到转速和输入电压的传递函数:H(s) (S)Uc(s)2 Ce 〔2.17〕TmT's Tms 1电机经历公式：-_ UN I NRaCe 30nNT gd2rT m375CeCmCm 30 CeTl兰Ra得出该电机的传递函数为：30.139H(s) 20.000163s 0.0173s 1由上式我们可以得到此液位系统的框图如图 2-3水泵微控制器80c51A/D储水罐驱动电路h液体压力传感器KI图2-3储水罐液位系统框图3.硬件选择3.1液体压力传感器选择本设计中储水罐的高度液位高度最高为 2M,根据P 液gh，可算出在此设计中最大压强为19.6Kpa。

可选择压力传感器量程为 0— 20Kpa，最终选用了 PT500-500液体压力传 感器，PT500-500采用高精度高稳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、满量程补偿，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3-1所示表3-1 PT500-500液体压力传感器技术参数技术参数参数值被测介质 1气体、液体及蒸气量程 ?-100KPa-20Kpa〜60 Mpa 〜150 Mpa 间任意可选输出 :0〜20mA〔二线制〕综合精度 ±0.1%FS〔量程 60MPa 以上〕、土 0.25%FS、土 0.5%FS供电 112〜36V DC绝缘电阻 ；ih'> 1000 M Q /100VDC负载电阻壬最人800 Q介质温度 “-20〜85 C、-20〜150 C、-20〜200 C、-20〜300 C〔可选〕环境温度 --20〜85 C相对湿度i0 〜95% RH过载能力:*150%FS响应时间< 10mS电气连接1不锈钢防水密封端子、四芯航空接插件、赫丝曼接头等此液体压力传感器完全可以满足控制的要求，选择此传感器主要因为：供电要求 12〜36VDC，电压围广，输出0〜20mA标准电信号，方便A/D采集。

3.2水泵选择此设计中应用了 TPH2T6K离心式单相交流水泵，其技术参数如表3-2此水泵采用单3 3相交流电，易于控制，流量50m /H=0.83 m /min，在两分钟可以到达要求表3-2TPH2T6K离心式单相交流水泵技术参数技术参数^ 参数值工作电压： 220V工作频率 ;50HZ流量50m3/H扬程: 55m进出口径|25cm马达转速2900RPMJ3.3微控制器的选择此设计采用ATMEL80C51作为控制芯片它是在MCS-48系列的根底上开展的高性能 的8位单片机所出的系列产品有 8051、8031、8751其代表就是8051其他系列的单片 机都以它为核心，所以本设计采用的核心芯片是 8051单片机CPU是它的核心设备，从功能 上看,CPU包括两个局部：运算器和控制器，它执行对输入信号的分析和处理每片 80C51包 括：一个8位的微型处理器CPU; 128B的片数据存储器RAM; 4KB片程序存储器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； 五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O 口；片振荡器和时钟产生电路， 但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率是12MHZ以上各个局部通过部总线 相连接整个系统电控局部以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三 个过程这种芯片置4KROM，因为系统要求控制线较多，如果采用 8031外置EPROM程 序控制构造，那么造成控制线不够，而 8051却可以利用P0 P2 口作控制总线，大大简化 了硬件构造，并可以直接控制 LED数据显示，方便现场调试和维护，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下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、控制和I/O引脚331 80C51 电源VCC - 芯片电源，接 +5V ；VSS - 接地端；3.3.2 80C51 时钟XTAL1 、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端3.3.3 80C51 控制线ALE/PROG: 地址锁存允许 / 片 EPROM 编程脉冲ALE功能：用来锁存P0 口送出的低8位地址PROG功能：片有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲PSEN:外ROM读选通信号RST/VPD: 复位/备用电源RST〔 Rese〕t 功能：复位信号输入端。

VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源EA/Vpp:外ROM选择/片EPROM编程电源EA 功能：外 ROM 选择端Vpp 功能：片有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 Vpp3.3.4 80C51 I/O 接口P0 口〔39脚〜32脚〕：P0.旷P0.7统称为P0 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 当接有外部程序存储器或扩展 I/O 口时， P0 口为地址。