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日目录1.储水罐液位系统设计原理 01.1 本设计任务和主要内容 01.1.1设计任务 01.1.2主要内容 02.系统模型建立 (1)2.1系统组成 (1)2.2系统工作原理 (1)2.3系统模型 (2)3.硬件选择 (5)3.1 液体压力传感器选择 (5)3.2水泵选择 (5)3.3微控制器的选择 (6)3.3.1 80C51电源 (6)3.3.2 80C51时钟 (6)3.3.3 80C51 控制线 (6)3.3.4 80C51 I/O接口 (7)3.4 A/D转换器选择 (7)4.硬件电路设计 (9)4.1 80C51单片机外围电路设计 (9)4.1.1 时钟电路 (9)4.1.2 复位电路 (9)4.2水泵驱动电路设计 (9)4.2.1 继电器电路 (10)4.2.2 双向晶闸管过零调功调速原理 (10)4.2.3过零检测电路 (11)4.2.4 双向晶闸管触发电路 (12)4.3数码管电路 (12)5.系统软件设计 (13)5.1 软件设计流程图 (13)5.2 软件主函数 (14)5.3 软件水泵控制程序 (14)6.结论 (18)参考文献 (19)附录 (20)附录1 (20)附录3 (27)附录4 (29)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。
Q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503m/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ADC0808 8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：in out Q = Q + Q （2.1）式中 inQ ——表示流入储水罐的水量；Q —— 表示储水罐中保留的水量；out Q ——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：in out Q = A+ Q dhdt （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：out dQ = C （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in d Q = AC dhdt + （2.4）假设in Q 是个常数则出水流量将达到一个稳态值out 0Q Q =，水位高度也将能达到一个恒定值。
0d Q = C （2.5）我们假设in Q 有个小的扰动值，我们能得到：in in 0Q Q Q δ=- （2.6）同时液位高度也将会有小的扰动：0h h h δ=- （2.7）将（2.6）、（2.7）带入（2.4）我们可以得到：d in 0AC Q Q d hdt δδ+=+ （2.8）应用泰勒级数将（2.8）线性化，泰勒级数：220002()()()().....1!2!x x x x x x x x dfd ff x f x dxdx==--=+++ （2.9）取泰勒级数第一级得到：00()()()x x dff x f x x x dx=-≈- （2.10）或者()x x df f x xdxδδ=≈（2.11）将（2.8）用（2.11）线性化后得到：A2in Q d h h Q dt h δδδ+= （2.12）对（2.12）进行拉普拉斯变换，我们可以得到：00()1()2in h s Q s As Q h =+ （2.13）带入数据可得：()1()0.1in h s Q s s =+ （2.14）电机的电气方程：()aaa a a e di L u i r C t dt=--Ω （2.15）电机的机械方程：()L d t JT T dtΩ=- （2.16）式中 e C ——表示电机电势系数； a r ——表示电枢电阻； a u ——表示电枢电压； a i ——表示电枢电流；a L ——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； L T ——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：21()()()1ec m l m s C H s U s T T s T s Ω==++ （2.17） 电机经验公式：30N N ae NU I R C n π-= 2375m e mGD R T C C =30m e C C π=al aL T R =得出该电机的传递函数为：230.139()0.0001630.01731H s s s =++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P ghρ=液，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）、±0.25%FS、±0.5%FS供电12～36V DC绝缘电阻≥1000 MΩ/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12～36V DC，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503m/H=0.833m/min，在两分钟内可以达到要求。
表3-2 TPH2T6K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2900RPM3.3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。
3.3.1 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。
3.3.4 80C51 I/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。
