基于单片机的流量控制系统设计—.

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1、广东环境保护工程职业学院广东环境保护工程职业学院 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题目：题目：基于单片机的流量控制系统设计基于单片机的流量控制系统设计 系：系： 机电工程系机电工程系 专专 业：业： 机电设备维修与管理机电设备维修与管理 班班 级：级： 1313 机电设备维修与管理机电设备维修与管理 3 3 班班 姓姓 名：名： 黄启熙黄启熙 指导教师：指导教师： 完成时间：完成时间： 20162016 年年 4 4 月月 1717 日日 摘摘 要要 流量是自动化生产过程中重要的过程参数之一。以下采用 AT89C51 单片机,对 流量控制系统 的硬件和软件系统进行了设计。传感器采集流

2、量信息,由变换器 变换为模拟电信号,并通过 AD 转换器转化成离散信号,传给单片机。控制系统的 软件处理信息输出 离散的控制信号,实现对流量的控制。 关键词关键词： 单片机 叶片式 霍尔传感器 流量控制 3 目录目录 题目：题目：基于单片机的流量控制系统设计基于单片机的流量控制系统设计 .1 摘摘 要要2 关键词：关键词： 单片机单片机 叶片式叶片式 霍尔传感器霍尔传感器 流量控制流量控制 .2 目录目录3 前言前言4 第一章绪论第一章绪论 5 1.1 研究目的、意义及研究内容.6 1.3 流量计概述 6 第二章第二章 工作原理及系统硬件设计工作原理及系统硬件设计.6 2.1 系统工作原理.7

3、 2.2 硬件构成7 2.3 流量计的介绍8 2.4 流量计的选择.9 第三章第三章 软件设计软件设计.10 3.1 软件设计思路.10 3.2 主程序设计 10 3.3 流量控制子程序.11 第四章第四章 中断服务子程序中断服务子程序13 4.1 设定值输入程序.13 4.2 A/D 中断子程序13 4.3 定时器中断子程序.16 4.4 数码管显示子程序.18 4.5 步进电机控制程序.20 总总 结结.22 参考文献参考文献24 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）前言前言 4 前言前言 工业生产中过程控制是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压 力和物位一起统称为过程控制中的

4、四大参数，人们通过这些参数对生产过 程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全 经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理 的基础。流量的检测和控制在化工、能源电力、冶金、石油等领域应用广 泛。 【1】在天然气工业蓬勃发展的现在，天然气的计量引起了的特别关注， 因为在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计 的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量和控制准 确度和可靠性要求特别高。此外，在环境保护领域，流量测量仪表也扮演 着重要角色。人们为了控制大气污染，必须对污染大气的烟气以及其他温 室气体排放量进行监测；废液和污

5、水的排放，使地表水源和地下水源受到 污染，人们必须对废液和污水进行处理，对排放量进行控制。于是数以百 万计的烟气排放点和污水排放口都成了流量测量对象。同时在科学试验领 域，需要大量的流量控制系统进行仿真与试验。流量计在现代农业、水利 建设、生物工程、管道输送、航天航空、军事领域等也都有广泛的应用。 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第一章 绪论 5 第一章绪论第一章绪论 1.1 研究目的、意义及研究内容研究目的、意义及研究内容 流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标 。流量测量与控制是实现工业生产 过程自动化的一项重要任务。 本课题的主要研究内容是对流量进行控制，主要由流量传感器采集流量

6、信息， 然后经过 AD 转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件系统 的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的 开度,实现对流量的精确控制。 1.2 流量计的应用领域 流量计主要用于以下几个领域。 l 工业生产过程 l 能源计量 l 环境保护工程 l 交通运输 l 生物技术 l 科学实验 1.3 流量计概述流量计概述 所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。用于测量流 量的仪表称为流量计，流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一。 流量计也成为流量传感器，是一种指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流 体总量的流速监测装置。主要

7、功能是当流速未达到设定的流速阀值时发出检测 信号，经计算机控制，进行报警或启动连锁保护系统，保护关键设备，能够以 及时制止在生产中的突发事故，对生产安全和经济效益，有不可估量的实际作 用。 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第二章工作原理及系统硬件设计 6 第二章第二章 工作原理及系统硬件设计工作原理及系统硬件设计 2.1 系统工作原理系统工作原理 系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，A D 转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事 先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA 转换器将离散的 控制信号转化为模拟电量。

8、通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量， 实现流量的精确控制。 2.2 硬件构成硬件构成 本系统主要由水泵、流量传感器、电动阀门和 MCS-51 单片机控制系统以及液体 管线和控制线、监视线等组成。 系统结构框图如下所示： 流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量。本控制系统的任务是对通 过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制。本系统采用单片机控制， 通过流量计采集流量信息，传给单片机。单片机通过预先设定值和系统软件进 行分析，发出相应的控制信号，驱动调节阀动作，从而确定降粘剂的配比与耗 量，实现生产过程自动化。 系统硬件结构图如图所示： 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）

9、第二章工作原理及系统硬件设计 7 其中，电磁流量计作为流量传感器，采集流量信息，经放大器放大后送到 AD 转 换器。AD 转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量。单片机 收到流量信号后，在控制系统软件的作用下，发出相应的执行命令给执行机构 步进电机。步进电机带动阀门动作，对流体流量进行控制。 2.3 流量计的介绍流量计的介绍 工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大致分为：转子流 量计，差压式流量计，节流式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类 型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。本设计选用的 是超声波流量计。 目前的工业流量测量普遍存在着大

10、管径、大流量测量困难的问题，这是因为一 般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加 大、安装不仅这些缺点。而超声波流量计却克服了这些问题。 超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接 触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动 可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故 不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生 产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。超声测量仪表的流量测量准确度 几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响。 广东环境保护工程职业学院毕业论

11、文（设计）第二章工作原理及系统硬件设计 8 2.4 流量计的选择流量计的选择 本次所选的超声波流量计为北京中元瑞得公司的 ZYF-300.本流量计的优点为： 最新计算机技术、IC 技术同步发展的高技术的流量测量仪表，与其它常规类型 流量计或其它超声波流量计相比，除具有高精度（达到 0.1）、高可靠性、 高性能、价格低廉；内置流量日月年累计器 * 内置上电断电记录器；0.5 秒基 本测量周期 * 内部 32 位浮点数据处理；频率信号输出 * 40 皮秒时间测量分 辨率；测量周期为 500ms 等。 此流量计的工作原理为: 当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播 时间

12、的变化正比于液体的流速，其关系符合下面表达式： V=MD/sin2T/(TupTdown)。 其中: 为声束与液体流动方向的夹角 M 为声束在液体的直线传播次数 D 为管道内径 Tup 为声束在正方向上的传播时间 Tdown 为声束在逆方向上的传播时间 T = Tup Tdown。 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第三章 软件设计 9 第三章第三章 软件设计软件设计 3.1 软件设计思路软件设计思路 该控制系统的软件设计可以分为三部分： 1.主程序部分：该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调 用各个子程序，完成主要的控制功能。 2.流量控制程序：通过 PID 控制算法，

13、编写出相应的流量控制子程序，实现对 流量的控制，达到预期的控制要求； 3.各子程序：各个子程序完成具体的实现方法，主要包括：设定值输入、数码 管显示、步进电机控制、AD 转换中断、T0 定时器中断、采样中断等。 软件流程图如下： 3.2 主程序设计主程序设计 u 主程序部分，主要完成存储器分配、系统初始化和系统整体控制等， 并通过调用各子程序段，实现软件的总体设计功能。主程序流程图 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第三章 软件设计 10 u 初始化：系统初始化程序的功能是对 8155 和 89C51 进行初始化，使 D/A 输出 为 0，步进电机处于停机状态，将 RAM 中的标志位和工

14、作单元置为初始状态， 提示符 CPUREADY 写入缓冲器。更新显示器子程序的功能是将显示缓冲器的内容 ，分别转化为段数据，输出到 8155。显示器 012 的显示数据缓冲器分别为 73 H7FH 单元。当系统处于停机状态时，显示器 04 显示参数，显示器 57 显 示参数地址，所以 73H77H 作为数据缓冲器，78H7AH 作为地址缓冲器，在 运行状态时，73H77H 作为瞬时流量缓冲器，78H7FH 作为累计流量缓冲器。 初始化程序的流程如图所示： 3.3 流量控制子程序流量控制子程序 在流量测试的基础上，把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比较计算 出误差，采用数字 PID 调节算

15、法，计算输出到 AD0809 的变量 Uio 增量式 PID 控 制算法的计算公式为 式中：ei 为本次实际测得的流量和设定值之差； 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第三章 软件设计 11 SHAPE * MERGEFORMAT P 为比例系数；I 为积分系数；D 为微分系数； 输出控制变量表达式为： SHAPE * MERGEFORMAT 程序的入口参数：偏差 ek、ek-1、ek-2、测量值 y、给定值 r。这 5 个参数均 为 3 字节的浮点数，分别将它们存放在 RAM 单元中。低字节存放浮点数的阶数 和符号，其中符号存放在最高位，阶数以补码的形式存放在另 7 位中。尾数以 原码

16、的形式存放在另 2 个字节中。 广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计）第四章 中断服务子程序 12 第四章第四章 中断服务子程序中断服务子程序 4.1 设定值输入程序设定值输入程序 本程序将 4 位 BCD 码按千、百、十、个依次存放在 89C51 片内 RAM 的 30H33H 单元中，每个地址单元的高 4 位为 0，低 4 位为 BCD 码。 程序代码如下： RDS：MOV R0，#30H；初始化，存放单元首址 MOV R2，#7FH；P1 口高 4 位置控制字及低 4 位置输入方式 MOV R3，#04H；读入 4 个 BCD 码 MOV A，R2 LOOP：MOV P1，A；P1 口送控制字及低 4 位置输入方式 MOV A，P1；读如 BCD 码 ANL A，#0FH；屏蔽高 4