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1、目目 录录第一章第一章 流量控制系统流量控制系统（实验部分）.12.1 控制系统工艺流程.12.2 控制系统的控制要求.52.3 系统的实验调试.7第二章第二章 流量控制系统工艺流程及控制要求流量控制系统工艺流程及控制要求.92.1 控制系统工艺流程.92.2 设计内容及要求.10第三章第三章 总体设计方案总体设计方案.113.1 设计思想.123.2 总体设计流程图 .13第四章第四章 硬件设计硬件设计.14 4.1 硬件设计概要.144.2 硬件选型.154.3 硬件电路设计系统原理图及其说明.16第五章第五章 软件设计软件设计.175.1 软件设计流程图及其说明.175.2 源程序及其说
2、明.18第六章第六章 系统调试及使用说明系统调试及使用说明.20第七章第七章 收获、体会收获、体会.21参考文献参考文献.22设计电磁流量计为流量传感器,单片机为核心流量控制系统。 本系统采用 C51 系列的 89S52 单片机为核心,通过设置 89S52 单片机的定时器产生脉宽可调的 PWM 波【2】,对阀门电机的输入电压进行调制,实现阀门开度的变化,进而实现了对液体流量的控制。单片机通过电磁流量计采集实际流量信号,根据该信号对其内部采用数字 PID 算法对 PWM 变量的值进行修改,从而达到对流量的闭环精确控1、设计电磁流量计为流量传感器，单片机为核心流量控制系统。系统主要由水 泵、水泵电
3、机、流量传感器、电动阀门、阀门电机、单片机控制系统等组成。 2、写出流量控制过程，绘制控制系统组成框图 3、利用单片机对流量进行控制（1）系统硬件电路设计单片机采用 89S52；设计键盘及显示电路，电机控制电路（可控硅，光 电耦合器） 。（2）编制流量控制程序一一 ，流量控制系统设计意义，流量控制系统设计意义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
4、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人们的特别关注，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
5、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。二，系统方案二，系统方案1、方案整体思路、方案整体思路 液体流量控制通常采用电动调节阀实现，近年来，电动调节阀的结构和控制方式发生了 很大的变化， 随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使 采用全控制的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation ,简称 PWM）控制方 式得到了广泛的应用。这种控制方式很容易在单片机中实现，从而为电动调节阀的控制数 字化提供了基础。将 偏差的比例（proportion） 、积分（integral） 、微分
6、（differential）通过线性组合构成数字控制量，构成数字 PID 控制器，它具有非常强的 灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。 本系统采用 C51 系列的 89S52 单片机为核心，通过设置 89S52 单片机的定时器产生脉 宽可调的 PWM 波【2】，对阀门电机的输入电压进行调制，实现阀门开度的变化，进而实现了 对液体流量的控制。单片机通过电磁流量计采集实际流量信号，根据该信号对其内部采用 数字 PID 算法对 PWM 变量的值进行修改，从而达到对流量的闭环精确控制。2 2、实现流程、实现流程流量控制系统是一个过程控制系统，在设计的过程中，必须明确它的
7、组成部分。过程控制系统的组成部分有：控制器、执行器、被控对象和测量变送单元，其框图如图 1 所示。阀门设定值流量输出图 1 流量过程控制组成框图电磁流量计：对输出流量进行检测，并与设定值比较，差值作为控制器的输入。 PID 控制器：对差值进行 P 、I、D 运算，输出对应得模拟量控制电机正反转和转速。直流电机：根据控制器输出正反转，控制阀门开度增大或减小。 阀门：直接控制流量的执行机构。 所以，在这个系统的设计中，主要设计以上几个部分。除此之外，根据题目要求，还 要选取合适的控制算法来达到满足系统参数的要求。具体就是确定控制器的算法和如何控 制阀门开度，因为这两部分是实现本系统控制目的的关键。
8、它们选取的好坏将直接影响着 整个系统实现效果的优劣。3、控制器算法与、控制器算法与 PWM 波形输出波形输出流量是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里人们需对它进行测量和控制。本 系对流量控制采用 PID 算法，它具有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以 PID 为基础改进的。在工业过程控制中 90%以上的控制系统回路具有 PID 结构，图 2 PID 控制原理框图PID 调节器的离散化表达式为)1()()()()(kekeTKkTeKkeKkud ip比例调节的作用是使调节过程趋于稳定，但会产生稳态误差;积分作用可消除被调量的稳态误差，但可能会使系统振荡甚至使系统不稳定；微分作用
9、能有效的减小动态偏差。PWM 波形输出：用 89S52 单片机的定时器 0 和定时器 1 交替工作，产生连续的与偏 差大小有关的占空比可调的 PWM 波形。首先，定时器 0 定时时间到，产生中断，置位 PWM 输出口并开启定时器 1，定时器 1 定时期间 PWM 输出高电平，且定时器 1 的定时时 间可调，与偏差的 PID 运算结果有关，所以能输出占空比变化的 PWM 波，控制电机转动， 进而控制阀门开度和流量。三、系统硬件设计三、系统硬件设计1、总体设计框图及说明、总体设计框图及说明本系统是一个简单的单回路控制系统。为了实现流量的自动测量和控制，采用了 89S52 单片机作为系统的控制中心，
10、由数据采集模块检测到的流量信号传入单片机，并根 据接收到的数据进行处理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较， 根据系统程序控制，进行 PID 运算以及 PWM 输出控制电机转速，最终由 CPU 控制电机正 反转，达到调节流量的目的。系统还具有键盘设定模块，便于用户与系统之间的对话。系 统的硬件结构较简单，由若干个功能模块组成。具体结构图图 3 及说明如下，89S52 单片机键盘数据采集直流电机阀门数据显示图 3 功能模块结构图键盘设定：设定控制系统要求的流量大小。数据采集：用滑动变阻器分压模拟流量大小。直流电机：接收单片机的控制信号进行正反转和转速调节，带动阀门转动。2、部分
11、外部电路设计、部分外部电路设计2.1 数码管显示电路数码管显示电路采用四联排共阴极数码管进行显示，具有四位数码管，这四个数码管的段选 a、b、c、d、e、f、g 分别接在一起，每一个都拥有一个共阴的位选端。P3 口控制数码管 的点亮情况。因为单片机的 IO 口输出功率有限，需要使用 74LS374 芯片进行锁存。此外还 用一个电阻 R-PACK8 来保护 LED。2.22.2、直流电机控制电路、直流电机控制电路直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二 代电力半导体器件(GTR、GTO
12、、MOSFET、IGBT 等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技 术的应用，直流电机得到广泛应用。为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路， 构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器 的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用三极管构建 H 桥【3】，实现大 功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、 高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用 PWM 技术实现直流电机调速控制。单片机的 P10 引脚输出高低电平控制电机的正反转，P11 输出 PWM 波形控制电机
13、转速。具体为： 当 P10 为高电平时，三极管 Q3、Q2 导通，所以 Q4 导通，而 Q2 导通钳制电位 为 0.9V，所以不论 P11 是高还是低，Q1、Q7 都不导通，即电机电流从左向右流， 电机正转。 当 P10 为低电平，Q3 Q2 不导通，所以 Q4 不导通。当 P11 为高电平时电机反转， 当 P11 为低电平是，电机停转。四四 系统软件设计系统软件设计1、程序结构说明、程序结构说明任何一个系统的软件设计都离不开硬件电路的连接，所以本课题硬件设计的高度模块化 决定了软件设计的模块化。主要包括：主控程序模块、键盘扫描及处理子程序、采样数据 处理子程序、PID 算法子程序、电机驱动与控制子程序和显示等子程序几个部分。结构图 如下：主程序键盘 输入数码 管显 示数据 采集PID 运算直流电机图 4 程序结构图主控程序模块在整个结构中充当管理者，管理所有子程序的调用，就相当于个人计算 机的操作系统。它主要负责初始化各个 I/
