储水罐液位计算机控制系统设计资料讲解.docx
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储水罐液位计算机控制系统设计资料讲解.docx
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储水罐液位计算机控制系统设计资料讲解
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合计50100%
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
学生姓名
学号
学院名称
专业名称
指导教师
2011年
6月
7日
1.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内达到并稳定在1m水位高度,并且偏差在
10%。
1.1.2主要内容
被控系统为一储水罐。
系统如图1-1所示,储水罐内为清水,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(即在储水罐补水过程中液位不变化)。
已知储水罐的截面积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,从清水池抽水供给给储水罐;当水箱水位高于1m时水泵自动停止;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。
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;
直流水泵选用TPH2T6K型号,220V离心式水泵,此水泵工作效率为50
/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;
A/D转换器则选用ADC08088位精度转换器。
图2-1储水罐液位系统的原理图
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行相应的处理,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:
(2.1)
式中
——表示流入储水罐的水量;
——表示储水罐中保留的水量;
——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则(2.1)可写成:
(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:
(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
(2.4)
假设
是个常数则出水流量将达到一个稳态值
,水位高度也将能达到一个恒定值。
(2.5)
我们假设
有个小的扰动值,我们能得到:
(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)
应用泰勒级数将(2.8)线性化,泰勒级数:
(2.9)
取泰勒级数第一级得到:
(2.10)
或者
(2.11)
将(2.8)用(2.11)线性化后得到:
(2.12)
对(2.12)进行拉普拉斯变换,我们可以得到:
(2.13)
带入数据可得:
(2.14)
电机的电气方程:
(2.15)
电机的机械方程:
(2.16)
式中
——表示电机电势系数;
——表示电枢电阻;
——表示电枢电压;
——表示电枢电流;
——表示电枢电感;
——表示折算到轴上的转动惯量;
T——表示电动机电磁转矩;
——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:
(2.17)
电机经验公式:
得出该电机的传递函数为:
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
,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3-1PT500-500液体压力传感器技术参数
技术参数
参数值
被测介质
气体、液体及蒸气
量程
-100KPa-20Kpa~60Mpa~150Mpa间任意可选
输出
0~20mA(二线制)
综合精度
±0.1%FS(量程60MPa以上)、±0.25%FS、±0.5%FS
供电
12~36VDC
绝缘电阻
≥1000MΩ/100VDC
负载电阻
最大800Ω
介质温度
-20~85℃、-20~150℃、-20~200℃、-20~300℃(可选)
环境温度
-20~85℃
相对湿度
0~95%RH
过载能力
150%FS
响应时间
≤10mS
电气连接
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,电压范围广,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。
此水泵采用单相交流电,易于控制,流量50
/H=0.83
/min,在两分钟内可以达到要求。
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
2900RPM
3.3微控制器的选择
此设计采用ATMEL80C51作为控制芯片。
它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的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包括两个部分:
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;五个中断源的中断控制系统;一个全双工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需要外接。
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。
这种芯片内置4KROM,因为系统要求控制线较多,如果采用8031外置EPROM程序控制结构,则造成控制线不够,而8051却可以利用P0、P2口作控制总线,大大简化了硬件结构,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。
3.3.180C51电源
VCC-芯片电源,接+5V;
VSS-接地端;
3.3.280C51时钟
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.3.380C51控制线
●ALE/PROG:
地址锁存允许/片内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:
片内有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(Reset)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:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
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。
3.3.480C51I/O接口
●P0口(39脚~32脚):
P0.0~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/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
●P1口(1脚~8脚):
P1.0~P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。
对于MCS—52子系列单片机,P1.0和P1.1还有第2功能:
P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。
对于EPROM编程和进行程序校验时,P0口接收输入的低8位地址。
●P2口(21脚~28脚):
P2.0~P2.7统称为P2口,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接口且寻址范围超过256个字节时,P2口用于高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):
P3.0~P3.7统称为P3口。
它为双功能口,可以作为一般的准双向I/O接口,也可以将每1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1功能的输入输出或第2功能。
图3-180C51单片机引脚图图3-2ADC0808引脚图
3.4A/D转换器选择
本设计采用ADC0808作为A/D转换器,AD
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