单容水箱液位控制系统设计计算机课设

辽宁工业大学微型计算机控制技术课程设计（论文）题目：单容水箱液位控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化074学号：070302120学生姓名：俞洁华指导教师：（签字）起止时间：2010.12.15—2010.12.24课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：自动化学号070302120学生姓名俞洁华专业班级074课程设计题目单容水箱液位控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能以单片机为控制核心，加上相应的输入输出通道，采用常规PID控制算法，将液位控制在规定范围内，并要求实时显示当前液位值。设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括单片机的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、推导PID控制算式，设计PID算法的程序流程图或程序清单；4、仿真研究，验证设计结果。5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数液位控制范围：10～100cm误差：±5cm三位LED显示液位高度进度计划布置任务，查阅资料，确定系统方案（1天）被控对象建模（1天）算法推导，程序设计（3天）仿真研究（2天）撰写、打印设计说明书（2天）答辩（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）IV摘要本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了基于单片机编程语言的PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，利用MATLAB应用软件对系统进行仿真得到图线。系统由进出水阀门，单片机，A/D转换器，D/A转换器，传感器，显示电路和键盘电路等组成。整个过程保持进水阀的开度比例不变，由传感器检测电路连续不断地相应液位值，送入A/D转换器中处理，输出的数字量送给单片机，控制显示电路实时显示实际液位值，由键盘输入设定值，控制器比较其值控制出水阀门的开度比例，以保持液位稳定在要求范围内。关键词：水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID本科生课程设计（论文）V目录第1章绪论........................................................1第2章课程设计的方案...............................................22.1概述.........................................................22.2系统组成总体结构.............................................2第3章硬件设计.....................................................33.1单片机最小系统设计...........................................33.2传感器模块...................................................33.3A/D转换和D/A转换模块.......................................33.4键盘模块.....................................................33.5显示模块.....................................................4第4章软件设计.....................................................54.1PID算法.....................................................54.2位置式PID控制系统...........................................64.3增量型PID控制算法...........................................84.4PID计算....................................................104.5主程序控制流程..............................................114.6显示部分....................................................12第5章系统测试与分析/实验数据及分析...............................145.1MATLAB程序.................................................145.2MATLAB成象曲线.............................................14第6章课程设计总结................................................15参考文献...........................................................16附录：系统硬件原理图...............................................17本科生课程设计（论文）1第1章绪论过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。液位控制是工业中创建的过程控制，它对生产的影响不容忽视。但荣液位控制系统具有非线性、滞后、耦合等特征，能够很好地模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的PID控制由于采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件的变化，得不到理想效果。在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于单片机编程语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。本科生课程设计（论文）2第2章课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计单容水箱液位控制系统设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握计算机控制算法和PID算法在现实中应用的基本方法。2.2系统组成总体结构图2.1是基于单片机为控制器单容水箱液位控制系统的基本组成硬件框图。主要由液位传感器，进水阀门，出水阀门，A/D转换电路，D/A转换电路，键盘电路，显示电路，单片机（89C51）组成。液位传感器可精确快速的测量微小液位差，把差值转换为电参数的器件。单片机信号得经由计算机PID算法计算传回。工作原理：控制进水阀门的流量，液位传感器检测液位，与设定值相比得到的差值经过A/D转换，送入单片机中，经过PID算法分析传回单片机，控制显示电路实时显示液位的实际值，信息数据经过D/A转换控制出水阀门的开闭。图2.1系统框图传感器液位信号显示电路A/D转换电路单片机差动电路键盘电路出水阀门PC机D/A转换复位电路电路电路本科生课程设计（论文）3第3章硬件设计3.1单片机最小系统设计本次设计中的最小系统模块中包括CPU、复位电路和晶振。3.2传感器模块本次设计中差压传感器选用柯普乐浮球液位传感器。它是一款根据浮力原理，并采用三线分压器原理对也未进行测量及信号得变送。浮球内磁钢的磁力线穿过导管，感应导管内干簧与电阻链，由此产生的电压与液位成正比例关系。工作原理简单应用范围广泛，对于液位的连续测量，能可靠稳定获取液位信号，不受被测介质的物理化学状态变化影响，支持信号源距离传送。适用范围：温度：-80℃~+200℃；压力：真空~100Mpa。耐腐蚀性强，适用于各种场合。误差在20mm之内。3.3A/D转换和D/A转换模块该模块A/D转换选用ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。3.4键盘模块本次设计中采用的4*4的非编码键盘。矩阵式非编码键盘的电路原理图如图3.4所示。当没有键按下时，行线和列线之间是不相连。若第N行第M列的键被按下，那么第N行与第M列的线就被接通。如果在行线上加上信号，根据列线的状态，便可得知是否有键按下。如果在行线上逐行加上一个扫描信号（本实验中用的低电平），就可以判断按键的位置。常用的按键识别有两种方法：一种是传统的行扫描法；另一种是速度较快的线反转法。本实验中采用的是线反转法进行识键。本科生课程设计（论文）4键盘在单片机系统中是一个很重要的部件。为了输入数据、查询和控制系统的工作状态，都要用到键盘，键盘是人工干预计算机的主要手段。键盘可分为编码和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖动功能。这种键盘使用方便，但硬件较复杂，PC机所用的键盘就属于这种。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，其他工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，一般在单片机应用系统中广泛使用。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:1-Jul-2010SheetofFile:D:\Study\09-10second\智能仪器\智能仪器课程设计\课程设计报告\protel\MyDesign.ddbDrawnBy:S1S2S3S13S4S5S6S14S7S8S9S15S10S11S12S16P00P01P02P03P04P05P06P07图3.1键盘模块硬件原理图3.5显示模块本设计采用三位LED显示电路。即常用的七段显示器件：半导体数码管将十进制数码分成七个字段，每段为一发光二极管。半导体数码管（或称LED数码管）的基本单元是PN结，目前较多采用磷砷化镓做成的PN结，当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。单个PN结可以封装成发光二极管，多个PN结可以按分段式封装成半导体数码管。有动态显示和静态显示两种。为了便于实时显示，本设计采用动态显示。本科生课程设计（论文）5第4章软件设计4.1PID算法数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如