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1、 . 工程测试技术课程设计报告书设计题目 水塔液位检测及控制系统设计 院 （系） 机械工程与应用电子技术学院 班 级 070101 指导教师 玲丽 组 长 超 07010131 组 员 唐凯 07010129 付博研 07010124 雪 07010119 西迪 07010151 海新 06010122 2010 年 6月 21日 工业大学目录一、课题背景3二、水位检测控制原理32.1 控制方案32.2 控制的实现42.2.1 水位信号的获取42.2.2 信号的采集与输出转换42.2.3 LabVIEW功能要求42.2.4 信号输出与注、排水功能的实现4三、LabVIEW控制程序的设计53.1
2、 前面板介绍53.2 程序框图原理63.2.1 信号采集部分63.2.2 工作状态显示部分83.2.3 程序逻辑部分83.2.4 信号输出部分11四、硬件系统的选择及搭建114.1 硬件的选择114.1.1 传感器的选择114.1.2 电机的选择134.1.3 电磁阀的选择144.1.4 继电器的选择154.1.5 信号采集卡的选择154.1.6 外部放大电路的制作164.2硬件的连接16五、系统测试完善195.1 系统测试195.1.1手动水位控制调试195.1.2区间水位控制调试205.1.2精确水位控制调试225.2 系统完善23六、小组成员及分工23超23唐凯24付博研25雪26西迪2
3、7海新27七、参考文献28一、课题背景 水塔的应用十分广泛，现今存在的水塔液位控制主要有机械式、电气式、光电、电磁式等，这些控制虽能满足控制水位的要求，但是自动化程度都不够高，本设计系统利用LabVIEW软件自动检测并控制水塔的液位， 操作人员只需在LabVIEW控制程序中设定好相关的参数即可实现对水塔液位系统的实时精确控制。二、水位检测控制原理2.1 控制方案按照常规的控制系统设计的思路，总体设计分为三个部分：信号的采集、信号的处理显示和信号的显示输出控制。针对本课题水塔水位检测及控制，画出其原理图如图 1 水塔检测控制系统原理图。利用传感器获取水位信息，经A/D转化之后将模拟信号转换为计算
4、机课处理的数字信号，通过具体的电压与水位的关系，由电压转换得到水位，按照一定的逻辑关系对水位进行处理，得到信号输出，控制后续电路的工作，进而控制水位的变化，实现水位检测和控制。图 1 水塔检测控制系统原理图2.2 控制的实现2.2.1 水位信号的获取通常来说，对水位检测有接近式电容开关和电容式压差变送器两种，这里我们显然要测出任意时刻水位的具体值，接近式电容开关无法满足要求，须选用电容式压差变送器，将传感器敏感部分放入水底，其信号输出部分输出一个电压信号。将这个信号经过程序处理显示成具体的液位，并根据相应的程序关系再输出一个信号。满足这样要求的传感器常用的为液位变送器，根据现有条件，选择SEN
5、SE INSTRUMENTS公司生产的STK633型传感器。其相应参数介绍在后续硬件选择中。2.2.2 信号的采集与输出转换采集的信号为一模拟量电压信号，要想将信号应用还需要经过一个A/D转换才能使用。同理，计算机程序给出的也只是一个数字信号，必须经过D/A转换，才能把数字信号转化为模拟信号，控制后续电路的工作。我们采用实验室的National Instruments公司的USB6251采集卡来实现要求的A/D和D/A转换。采集的模拟电压信号从a01的68、67这两个端口接收到电脑程序中，模拟电压量的输出从21、22、55这三个口输出，得到两个输出电压，分别控制注水和排水电机工作。2.2.3
6、LabVIEW功能要求我们这个水塔水位系统的功能要求如下：1.实时检测水塔液位并显示出来。2.用户自己设定一个具体水位值，系统自动保持水位在这个值。3.用户也可设置一个水位围，系统自动保持水位在这个围。4.用户还可通过软件手动控制水塔水位。以上四个功能是本设计系统的主要部分，LabVIEW程序的设计都是根据这几个功能来完成的。具体的程序设计将在第二部分着重介绍。2.2.4 信号输出与注、排水功能的实现经过LabVIEW处理过的信号将会根据一定的逻辑关系输出一个信号控制电机工作来完成水位的调节，由USB6251输出的信号是不能直接驱动电机转动的，我们需要设计一个电路来完成这个功能。电机转动我们只
7、需要一个开关来控制即可，考虑到电机断电之后还会由于惯性转动，是水位发生变化，影响系统的精度，我们在电机相应的回路位置串接一个电磁阀，电磁阀随电机一起同时工作，这样即使电机转动，电磁阀关闭也会限制水的流动，从而精确控制。而开关的控制则需要LabVIEW给出的信号来控制，LabVIEW系统给出的电压信号是不能直接驱动电机和电磁阀的，电机电压220V，电磁阀工作电压24V，这样就考虑用继电器来完成相应的控制，继电器工作，电机和电磁阀工作。只需控制继电器的工作即可。为完成此功能，设计一个简单的放大电路实现继电器的工作，继电器的两个开关分别控制电机和其相应的电磁阀。采用两组电路，即可完成排水和注水的两部
8、分。如图 2 注水、排水控制电路所示，M为继电器。图 2 注水、排水控制电路三、LabVIEW控制程序的设计 3.1 前面板介绍在设计的介绍中我们已经明确了水塔水位检测控制系统的基本要求，程序的设计就是完成这些功能。首先，我们设计出满足基本功能的前面板，如图 3 LabVIEW控制系统前面板所示。第一部分功能为水塔液位的检测，在前面板上给出一直观清晰的显示，既能通过具体读数显示，又给人以形象展示，如图3左侧部分。第二部分为功能显示灯部分，这一部分只是让我们能更清楚的知道系统现在的工作状态，分为注水、排水指示灯部分和水位上下限报警部分。当水位超过90或低于10的时候，可能导致系统无常工作，分别给
9、予上限报警或下限报警，用高亮的红色显示报警。控制系统的功能在实现的时候，电机和响应电磁阀工作，我们需要给出一个指示，注水和排水电机分别高亮绿色显示。第三部分是控制部分，为主要部分。系统的三个工作功能选项，精确水位控制、区间水位控制、手动控制。这三个功能是并行的，只能选择其中一种工作状态，一种工作状态起作用，另外两种就不起作用。 工作时，相应指示灯高亮。图 3 LabVIEW控制系统前面板3.2 程序框图原理根据前面板的设计，程序框图出现相应的控件，将各种控件按照一定的逻辑关系连接在一起即可完成整体控制系统的设计。整体分为信号采集部分、工作状态显示部分、程序逻辑部分以及信号输出部分。3.2.1
10、信号采集部分通过DAQ助手，选择采集模拟量，选用的National Instruments公司的USB6251采集卡，选用a01通道，信号便可采集到电脑。模拟信号转变为数字信号，首先动态数据转换为数组，再经过索引数组即可变成我们程序可处理的数字量，这个量就是传感器输出的电压。电压与液面高度是有一定关系的，这跟传感器的类型有一定的关系。我们选用的是STK633液位变送器，其输出电压为15v，测量围1-100cm，先进行标定。测得数据如表 1 液位变送器电压水位表所示 电压（V）水位(cm)1.001.351.5101.6151.8202.1252.2302.4352.6402.8453.0503
11、.4603.8704.280 表 1 液位变送器电压水位表将得到的数据进行拟合，得到对应的电压与水位的关系，如图 4 液位变送器电压水位拟合曲线所示图 4 液位变送器电压水位拟合曲线经MATLAB计算得到水位H(cm)与电压U(V)的关系这样经过两个运算关系之后就把电压转变成了水位值，这个水位值可以经过显示控件直接显示，其值也作为后续步骤的输入值。3.2.2 工作状态显示部分本程序系统有多个工作状态，电机的工作状态我们也要实时了解，如果水位偏离了水塔工作的正常围，还必须作出报警，这里根据硬件设置低于10cm时下限报警，高于90cm时上限报警。当选择了相应的工作状态之后，相应的工作指示灯高亮。给
12、出电机信号的同时，把电机工作状态告诉操作者。这些功能的实现都是靠布尔显示控件来实现的。可以在前面板中右键设置不同工作状态的颜色等属性。3.2.3 程序逻辑部分控制部分是程序的灵魂部分，它的逻辑关系这里详细讲解。程序框图如图 5LabVIEW控制程序框图所示。图 5LabVIEW控制程序框图首先在控制方式选择里设置一个下拉列表，供用户选择控制方式，我们这里给不同的方式赋值，便于程序的编写。如图 6 控制方式选择所示。图 6 控制方式选择接下来程序就要判断用户选择了那种控制方式，如果判断出用户选择了一种控制方式，输入控件就得到了相应的赋值，程序就以这个值执行下去。下面逐个分析每种控制方式的控制原理
13、：精确水位控制：用户输入想要精确控制的水位，与传感器得到的水位的信号做比较，如果输入的值大于目前水位，输出一个布尔信号TRUE来控制后面的电压输出部分，进而控制注水电机的转动；否则给出FALSE，注水电机不动。如果输入的值小于目前的水位，则给出另一个布尔信号TRUE控制排水电机的工作，否则给出FALSE不执行操作。如果恰好是这个水位，也不做响应。如图 7 精确水位控制所示图 7 精确水位控制区间水位控制：用户输入允许的最高水位和最低水位，系统检验设定值与实际水位的关系，如果实际水位超出设定最高水位，则给出给出一个布尔信号TRUE来控制后面的电压输出部分，进而控制排水电机的转动，否则给出FALS
14、E。如果实际水位小于给出的最低水位，则给出另一个布尔信号TRUE控制注水电机的工作，否则给出FALSE不执行操作。如果水位在用户输入的允许围，则不做响应。如图 8 区间水位控制所示图 8 区间水位控制手动水位控制：这个功能允许用户通过程序控制一个开关来控制电机的注水和排水。此功能最为简单，控制原理与上述两种控制方式相同，通过判断开关的状态给出响应的布尔量。如图 9 手动水位控制所示图 9 手动水位控制上述三种控制方式都是通过布尔量来控制如何给出信号的，三种工作方式，只要有任何一部分给出信号即可给出信号，因此可将上述三种方式的布尔结果进行一个或运算然后给出一个总布尔量，即只要有一种工作方式让电机工作，电机就会工作，这就是程序的核心部分了。3.2.4 信号输出部分程序核心部分给出布尔量之后，通过判断布尔量的状态来控制给出高电平信号还是低电平信号。采用条件结构，如图 10 信号输出所示，如果为真就给出高电平5v，如果为假就给出低电平0。这里的信号都是通过仿真的直流信号给出的，这样输出就直
