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1、单片机的流量控制系统.大纲本文介绍了一种pwm结合数字pid算法在液体流量控制系统中的应用方案，系统以AVR单片机atnega32为核心，以比率电磁阀为控制对象，利用atnega32的PWM功能，采用数字PID调治实现液体流速闭坏控制，仿真结果表示采用PWM和数字PID控制液体流速拥有优异的动向、牢固态，进而证了然这种设计的合理性和优越性。重点词：AVR单片机；PWM;PID;比率电磁阀/第1页共18页目录序言,4第一章系统方案,51.1方案整体思路,51.2流程实现,61.3控制器算法与pwm波形输出,7第二章系统硬件设计,82.1整体设计框图及说明,82.2部分外面电路设计,82.3传感器
2、的选择,10第三章系统软件设计,113.1程序结构说明,113.2程序流程图及部分程序,11第四章总结,17致谢,18参照文件,19第2页共18页序言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信息，尔后经过AD变换器将连续的模拟信号失散化后传给单片机，单片机在软件系统的控制下，依照起初的设置和预期的控制要求，经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。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
3、数，人们经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治是保证生产过程安全经济运转、提高产质量量、降低物质耗资、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。随着计算机技术特别是单片微型机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控制。PC机拥有富强的监控和管理功能，而单片机则拥有快速及灵便的控制特点，经过PC机的RS-232串行接口与外面设备进行通信，是好多测控系统中常用的一种流量控制解决方案。所以如何实现PC机与单片机之间的控制拥有特别重要的现实意义。第3页共18页第一章系
4、统方案1.1方案整体思路液体流量控制平时采用电动调治阀实现，近来几年来，电动调治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，以及新式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（pulsewidthmodulation,简称PWM）控制方式获取了广泛的应用。这种控制方式很简单在单片机中实现，进而为电动调治阀的控制数字化供应了基础。将误差的比率（proportion）、积分（integral）、微分（differential）经过线性组合组成数字控制量，组成数字PID控制器，它拥有特别强的灵便性，能够依照试验和经验在线调整参数，所以能够获取更好的控制性能
5、。本系统采用C51系列的89S52单片机为核心，经过设置89S52单片机的定【2】时器产生脉宽可调的PWM波，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。单片机经过电磁流量计采集实质流量信号，依照该信号对其内部采用数字PID算法对PWM变量的值进行更正，进而达到对流量的闭环精确控制。1.2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，必定明确它的组成部分。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。设定值流量输出直流电机直流电机PID控制阀门PID控制图1流量过程控制组成框图第4页共18页电磁流量计：对输出流量
6、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：依照控制器输出正反转，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，依照题目要求，还要采用合适的控制算法来达到满足系统参数的要求。详尽就是确定控制器的算法和如何控制阀门开度，由于这两部分是实现本系统控制目的的重点。它们采用的利害将直接影响着整个系统实现收效的利害。1.3控制器算法与PWM波形输出控制算法是指需执行控制作用的数学表示法。PWM就是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形。PWM波的
7、产生：设计采用单片机atmega32产生PWM信号。atmega32的准时/计数器的PWM模式能够分成快速PWM和频率（相位）调整PWM两大类。本设计采用快速PWM模式，快速PWM能够的到比较高频率的PWM输出，响应比较快，所以拥有很高的实时性。此时计数器仅工作在单程正向计数方式，计数器的上限值决定PWM的频率，而比较般配存放器的值决定了占空比的大小。流量是一个一般而又重要的物理量，在好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，它拥有结构简单、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拥有PID结构，图2PID控制原理
8、框图第5页共18页第二章系统硬件设计2.1整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，由数据采集模块检测到的流量信号传入单片机，并依照接收到的数据进行办理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，依照系统程序控制，进行PID运算以及PWM输出控制电机转速，最后由CPU控制电机正反转，达到调治流量的目的。系统还拥有键盘设定模块，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。详尽结构图图3及说明以下，直流电机键盘89S52单片机数据采集数据显示阀门图3功能模块结构图键盘设定：设定控
9、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治，带动阀门转动。2.2部分外面电路设计2.2.1数码管显示电路第6页共18页采用四联排共阴极数码管进行显示，拥有四位数码管，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。由于单片机的IO口输出功率有限，需要使用74LS374芯片进行锁存。其余还用一个电阻R-PACK8来保护LED。直流电机控制电路直流电机以其优异的线性特点、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环地址伺服控制系统的最正确选择。特别随着计算机
10、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、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机获取广泛应用。此试验中我们选择Z2-62直流电机，对于该试验更能够简单易行的实现。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，组成基于微办理器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路组成的直流电机驱动器的输出功率有限，不合适大功率直流电机驱动需求。所以采用【3】三极管成立H桥，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，并拥有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微办理器接口，可应用PWM技术实现直流电机调速控制。第7页共18页单片机的P10引脚输出高低电平控制电机的正反转，P11输出PWM波形控制电机转速。详尽为：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，Q3Q2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。2.3传
