简单智能液体加注装置.docx
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简单智能液体加注装置.docx
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简单智能液体加注装置
智能液体加注装置
班级:
11班电子信息2班4组
小组成员:
组长:
艾白
组员:
李明明、杨凯丽、路漫漫、贺莲花
指导教师:
高老师
摘要
本系统采用STC单片机89C52RC作为核心处理芯片,自动注水小车系统的软件设计采用高精度的控制算法实现。
平板电动小车采用单个步进电机独立驱动,控制精度高,稳定性好;注水探头也采用单个步进电机独立控制,准确度高;自动注水装置由流量计、高度传感器、滑轮、支架、平板电动小车等构成;另外,系统采用双机通信模块,将平板电动小车行使过程中的注水量、时间、路程、高度参数等分段实时传送,构成了简单的远程控制系统。
Abstract
ThesystemselectsSTCmicrocomputer89C52RCascoreprocessingchip,automaticfillingthecarsystemsoftwaredesignusinghighprecisioncontrolalgorithm.Electriccarusingasingleplatestepmotordrive,independenthighcontrolaccuracy,goodstability;Waterinjectionalsoselectsasingleprobesteppingmotorindependentcontrol,highaccuracy;Automaticfillingdevicebyflowmeters,highlysensors,pulley,bracket,flatelectriccarof;Inaddition,thesystemwithdoublemachinecommunicationmodule,electriccarwillbeflatintheprocessofexerciseandinjectedwater,time,distanee,highlyparameters,suchassectionreal-timetransmission,constituteasimpleremotecontrolsystem.
关键词:
STC单片机89C52RC步进电机,高度传感器,流量
方案设计与论证
根据题目给定条件,对该系统自动注水过程的特点及其控制特性进行了分析。
分析结果表明该系统为一个精确控制系统,且在不同的位置需要注入不同的水量。
由于该系统为一个精确控制系统,采用常规的控制算法精度达不到要求。
因此在软件设计是采用分段式变参数控制算法。
根据以上分析,实现系统要求的关键技术主要有平板电动小车,电机的选择及注水量高精度控制的实现两个方面,根据制作实验装置的实际情况,系统对平板电动小车的要求应定位精度高、速度不宜过快,对注水量有较高的准确度及灵敏度。
为此,分别做了几种不同的设计方案,并进行论证。
1.电机类型选择
方案一:
使用直流电机。
直流电机的特点是速度快,驱动电路简单。
但是直流电机的位置控制难度大,难以达到较高的控制精度。
方案二:
使用步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转化成相应的角位移(或线位移)的机电组件,它的转角及转速分别取决于脉冲信号的数量和频率。
这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得它可以达到很高的控制精度,且控制难度要比直流电机小得多。
分析两个方案的优、缺点,本系统采用第二种方案。
2.电机驱动电路选择
方案一:
采用步进电机专用驱动模块。
此方案可以为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流,而且外围电路简单、元件少、重量轻、控制简单。
方案二:
采用L298N电机驱动芯片,外围电路简单,电路稳定相对较差。
比较以上两种方案,本系统采用方案一。
3.注水量高精度控制。
方案一:
采用流量计流量计可以精确地控制水流量,操作简单,但是只能单方向测量。
方案二:
测量水位高度的放法。
此方法控制简单,灵敏度高,但精确度不够。
自制高度传感器如图一所示。
综合两个方案的优缺点及题目要求,故基本部分采用方案一,发挥部分采用
基于题目要求及以上分析,本系统主要由平板小车,控制小车设备,水管收放设备,流量计,高度传感器,水泵。
系统各部分功能如下。
1中央处理模块:
采用两片STC单片机89C52RC作为主从控制器,完成系统控制功能。
2电机驱动模块:
采用两片ULN2003A及单片机89C52RC作为步进电机驱动电路。
3水泵驱动模块:
采用一片L298N及单片机89C52RC作为水泵驱动电路
4高度检测模块:
采用自制高度传感器作为高度检测模块。
5电源模块:
采用7812,,7809,7805稳压块及周边器件作为电源。
6双机通信模块:
采用两片STC单片机89C52RC作为发送机与接收机。
7数码管显示模块:
采用开发板自带模块。
8声光报警模块:
采用开发板自带蜂鸣器及发光二极管作为报警模块。
二、理论分析与计算
1、理论计算
⑴水流量计算方法:
采用磁感应、非接触式的流量计量传感器,开关量信号输出,具有测量精度高、耐温、耐潮、耐压(>1.75Mpa)等特点,精度为0.2564ml
(3900个脉冲/L),脉冲个数N,水量V,可推公式:
V=N*0.2564ml。
4096
下降
O
VCC
5V
R1.
——m1
100kQ
⑵控制水管高度:
采用精度高的步进电机,八拍编码可达到微细控制,个编码转一圈,电机轮周长10cm,可达到24.4^m的精确度,起始高度H,编码数N,水面高度公式:
h=H-NX(100/4096)伽
⑶高度传感器:
R2
-AW
680kQ
①根据实际测量水杯内水的电阻值R0为
50K~200K欧姆。
R3R4
AAAWV
200Q2470Q
2刚开始1端电压为4.36V
3当探针伸入水中时,R0与R2并联阻值为46.6K~154.5K欧,此时1端电压为1.6V~3V.
42端电压为3.5V
5通过比较器比较1端和2端的电压,当探针伸入水之前,比较器输出为高电平,当探针伸入水中,比较器电压为低电平。
图2高度传感器原理
三、电路与程序设计
1、硬件电路设计
⑴主控制电路设计
STC单片机89C52RC主要完成以下功能:
1根据设定的路线和高度控制步进电机运行
2根据设定控制水泵运行。
3计算所有测量数据并传输给显示系统。
4采集流量计数据。
5采集高度传感器数据。
6接收和发送主从机控制命令。
7控制声光报警提示
⑵步进电机驱动电路设计
图4步进电机驱动
采用步进电机专用驱动模块ULN2003A(如图4所示)28BYJ-48步进电机。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲:
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及
步进角)。
您可以通过控制脉冲个来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
⑶水泵驱动电路设计
OilTraTJ
ONB
CURREKTSElCiVtUS
LlflE
图5L298电路
采用L298作为驱动电路(如图5所示)
⑷高度传感器及水面报警电路设计
何1Pl*
RH
R15
R1£
R17
R]«
RW
R2C
R21
图6高度传感器
通过传感器采集到的信号传递给比较器,将信号变为TTL电平,通过单片
机控制水位高度及声光报警。
⑸显示模块设计
8位数码管显示
图7数码管
⑹按键模块设计
S4
图8按键
⑺电源模块设计
图9电源
⑻双机通信模块
操作机
控制机
TXD
■*■RXD
RXD
醫
待TXD
GND
■
*GND
图10双机通信
2、软件程序设计流程
软件设计流程图如图11所示。
基本部分工作过程如下:
首先将小车置于A杯出,接通电源,通过控制机发送运行参数及操作指令到操作机,使其开始工作,通过按键设定水量按注水键放下水管开始注水,注水停止后拉上水管。
一次向B、C、D、E、F号水杯中加注水,使水杯中的水达到指定量。
加注完成后小车回到A号杯位置,并给出声光报警。
发挥部分工作过程如下:
小车回到A杯后,继续从A杯开始通过高度传感器,实现加水抽水的过程。
当原杯中有水且水量少于设定的量时,则只加入所缺少的部分;当原杯中有水且水量大于设定的量时,则从杯中吧多余的水抽走;当水桶中的水量少于指定高度时报警。
开始
四、结果分析
本系统经过多次测量反复测试后,系统非常稳定,采用流量计测量的水量在误差范围内满足题目要求,能够精确测量。
但是,通过水位高度注水或抽水时,由于硬件问题,使其误差较大。
流量计测量数据:
组
数次
据、、、、
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
设定值/ml
1.5
2
2.5
3
3.5
4
实测值/ml
1.5
1.8
2.4
2.8
3.5
4
误差/ml
0
0.2
0.1
0.2
0
0
组
数据
第7组
第8组
第9组
第10组
第11组
第12组
设定值/ml
4.5
5
5.5
6
6.5
7
实测值/ml
4.4
5
5.5
6.2
6.6
7.2
误差/ml
0.1
0
0
0.2
01
0.2
组
数据
第13组
第14组
第15组
第16组
第17组
第18组
设定值/ml
7.5
8
8.5
9
9.5
10
实测值/ml
7.6
8.2
8.6
9.2
9.7
10.3
误差/ml
0.1
0.2
0.1
0.2
0.2
0.3
组
数次
据
第19组
第20组
第21组
第22组
第23组
第24组
设定值/ml
10.5
11
11.5
12
12.5
13
实测值/ml
10.6
11.2
11.5
12.1
12.6
13.2
误差/ml
0.1
0.2
0
0.1
0.1
0.2
组
数据、次、
第25组
第26组
第27组
第28组
第29组
第30组
设定值/ml
13.5
14
14.5
15
15.5
16
实测值/ml
13.7
14.2
14.6
15.3
15.6
16.3
误差/ml
0.2
0.2
0.1
0.3
0.1
0.3
组
数次据
第31组
第32组
第33组
第34组
第35组
第36组
设定值/ml
16.5
17
17.5
18
18.5
19
实测值/ml
16.7
17.1
17.7
18.1
18.8
19.2
误差/ml
0.2
0.1
0.2
0.1
0.3
0.2
组
数据、次,
第37组
第38组
平均误差
设定值/ml
19.5
20
0.145
实测值/ml
19.6
20.1
误差/ml
0.1
0.1
高度传感器测量数据:
组
数据、、
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
设定值/ml
4
6
8
10
12
14
实测值/ml
2.5
8
10.4
12
14.3
16.8
误差/ml
1.5
2
2.4
2
2.3
2.8
组
数据
第7组
第8组
第9组
平均误差
设定值/ml
16
18
20
2.73
实测值/ml
19.2
22
24.4
误差/ml
3.2
4
4.4
分析系统的测试结果,影响系统性能的因素除电路设计外,主要还有以下几点:
1传感器的安装和布局,对其检测效果的影响很大。
2由于水面高度不同,有时产生倒吸或滴漏现象。
3水杯的上下直径不同对测量精确度影响很大。
五、参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础第五版.北京:
高等教育出版社,2006.5
[2]童诗白.模拟电子技术基础第四版.北京:
高等教育出版社,2006.5
[3]孙肖子.实用电子电路手册(模拟分册).北京:
高等教育出版社,1992
[4]谭浩强.C语言程序设计(第二版).北京:
清华大学出版社,2000
[4]张毅刚.单片机原理及应用(第二版).北京:
高等教育出版社,2004
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