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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于单片机的异型水箱仿真装置60基于单片机的异型水箱仿真装置摘要本设计的研究对象是以单片机为核心的异型水箱仿真装置，在为这一系统进行软硬件设计的过程中，发现和总结了一些实际问题，并通过解决这些问题，就异型水箱数学模型的建立、仿真装置硬件设计、软件设计展开讨论，力争在理论分析和实际应用上有所创新。异型水箱仿真装置的核心是围绕异型水箱的数学模型来体现异型水箱的特性，并通过软件实现整个异型水箱的工作状态和功能。对异型水箱数学模型的建立是本文工作的重点。异型水箱属于过程控制系统实验装置中的被控对象。由于被控对象的特性直接影响到整个系统的控制质量，所以其数
2、学模型的建立非常重要。设计中通过机理演绎法推导并建立了其数学模型，并设计出了仿真装置。关键词：单片机；异型水箱；数学模型 Study on The Simulation Set of Shaped Water Box Based on MCUAbstractThe object of this paper is a simulation set of shaped water box based on MCU.In the process of designing on software and hardware for the system,a few practical problems
3、have been found.To solve these problems,we discuss the mathematical model building,the designing on hardware and software,and want to develop some new conclusions in practice and theory. The core of the simulation set of shaped water box is to show the characteristic of shaped water box according to
4、 its mathematic model,and realizes its duty and function by software designing. The highlight of this paper is to build up the mathematical model of the shaped water box.The shaped water box belongs to a controlled member of process control system in the experiment installation.Since the characteris
5、tic of the controlled member directly influences the quality of the whole system,so it is very important that the mathematical model of the shaped water box is built.We have deduced and built its mathematic model by adopt the deductive method,and we have designed the device to simulate the shaped wa
6、ter box. Key words: MCU; Shaped water box; Mathematic model 目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景11.2 课题的目的及研究的主要内容11.3 课题的意义2第二章 异型水箱数学模型的建立42.1 过程建模的介绍42.2 单容过程的建模62.3 异型水箱数学模型的建立92.3.1 建立异型水箱数学模型的方法92.3.2 异型水箱数学模型的建立11第三章 基于单片机的异型水箱仿真装置硬件设计163.1 系统硬件的总体设计163.2 中央控制部件163.2.1 中央控制部件的选择163.2.2 AT89C52的封装形
7、式与引脚173.2.3 AT89C52的基本电路183.2.4 AT89C52的口线分配193.3 串行程序存储器203.3.1 X25045的引脚排列及引脚说明203.3.2 X25045芯片功能223.3.3 X25045工作原理223.3.4 X25045与AT89C52的接口电路233.4 模数转换部件233.4.1 模数转换部件的选择233.4.2 TLC0832引脚分配243.4.3 TLC0832配置位说明243.4.4 TLC0832时序分析253.4.5 TLC0832与AT89C52的接口电路263.5 人机接口部件263.5.1 输出显示263.5.2 键盘输入283.5
8、.3 液位报警33第四章 基于单片机的异型水箱仿真装置软件设计344.1 系统主程序设计344.2 A/D转换设计364.3 数据处理设计374.3.1 数字滤波设计374.3.2 标度变换设计394.4 键盘控制设计424.5 液位报警设计43第五章 课题总结及设想455.1 课题总结455.2 课题设想46参考文献47附录A 基于单片机的异型水箱仿真装置硬件电路图49附录B 基于单片机的异型水箱仿真装置源程序50致谢59内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1 研究背景随着工业自动化的飞速发展、生产过程的需求、控制理论的开拓和控制技术工具及手段的进展要求过程控制系统不断的
9、发展和完善。在过程控制系统中被控对象的对象特性直接影响系统的控制品质，所以对于被控对象的研究实验也成为发展过程控制系统的重要手段之一。本设计就是在此基础上进行的以单片机为核心的异型水箱仿真装置实验。对被控对象进行认真和透彻的研究，对从事自动控制系统的工程技术人员来说，具有很重要的意义。单容水箱作为被控对象的实验系统具有广泛的应用背景。依据其不同的实际背景设计随机出水的单水箱供液系统以及随机入水的单水箱排液系统，并对这些系统的建模进行研究是很有意义的。1.2 课题的目的及研究的主要内容基于单片机的异型水箱仿真装置是应用单片机控制技术，以AT89C52单片机为核心实现异型水箱的特性。异型水箱是通过
10、在水位分界点处其数学模型的不同来实现异型水箱所具有的异型及非线性特性，同时设计相应的硬件电路来模拟异型水箱仿真装置并通过软件编程实现异型水箱的实际工作状态。国内外所研究的水箱控制系统基本上是：单容水箱系统、双容水箱系统与三容水箱系统，其中单容水箱可以作为单输入单输出一阶对象；双容水箱可以作为单输入单输出一阶对象、二阶对象、双输入双输出对象；三容水箱可以作为单输入单输出一阶对象、二阶对象、三阶对象、双输入双输出对象1。异型水箱系统是单容水箱系统。单片机的发展，使其越来越多的被应用在工业生产过程控制中，但由于工业生产中的实际操作都比较复杂而且庞大，为了使研究的成本降到最低，我们通过实验的方法对实际
11、生产中的过程进行模拟和参数的标定，从而得出结论，经过研究和整定，应用到实际的生产过程中，这就达到了研究的目的。 1.3 课题的意义在工业生产的实践中，人们普遍要求产品的质量“稳定”，而所谓产品质量的稳定实质上是指产品的某些最关键性的指标必须达到预定的要求，但是产品的性能指标的稳定往往是与产品生产过程中的工艺过程、工艺条件及工艺参数的稳定密不可分的。难以想象，在一个不稳定的、多变的生产条件下，能够生产出质量稳定的产品。事实上，在许多领域，过程控制的主要目的在于消除或减小外界的干扰对被控量的影响，使被控量能够稳定在给定值上。一个良好的控制系统不但要保护系统的稳定性和整个生产的安全，满足一定的约束条
12、件，而且应该带来一定的经济效益和社会效益。因此，对于过程控制系统的设计，已不能采用单一基于定量的数学模型的传统控制理论和控制技术，必须进一步开发高级的过程控制系统，研究先进的过程控制规律。所以基于单片机的控制系统在过程控制的生产实践中，发挥了越来越重要的作用。基于单片机控制的特点：1. 单片微机体积小，实际应用系统简单实用，成本低，效益好。2. 系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比。3. 应用系统通常将程序驻留在ROM中，无需软硬磁盘做软件载体，使系统不易受到干扰，可靠性高，使用方便。4. 应用系统所用存储器芯片可选用EPROM、E2PROM、OTP芯片或利用掩膜
13、形式生产，便于成批开发和应用，许多单片微机如68系列和80C51系列，开发芯片和应用芯片相互配套，使应用系统成本大大降低。5. 由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于安装于被控设备之内，大大推动了机电一体化产品的开发。单片微机在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。不仅有常用的8位机，而且4位单片机和16位单片机也得到了普及，随着过程控制精度要求的增加和运算速度的增快，32位单片机也得到了进一步的应用。第二章 异型水箱数学模型的建立2.1 过程建模的介绍1 过程建模的基本概念被控过程的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量之间关系的数学描述。或者说，是描述被控过程因输入作用导致输出量
14、（被控变量）变化的数学表达式。被控过程可能既受控制输入的作用，也受扰动量影响。控制输入总是力图使被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运行状态。但从系统角度来看，无论是控制输入还是扰动，都属于输入量，因为它们都会影响输出的变化。2 数学模型的作用与要求 被控过程数学模型的作用很多，归纳起来主要有以下几点7：（1）设计过程控制系统及整定调节器参数在设计过程控制系统时，选择控制通道、确定控制方案、分析质量指标、探讨最佳工况以及调节器参数的最佳整定等都是以被控过程的数学模型为重要依据。尤其是实现生产过程的最优控制，如果没有充分掌握被控过程的数学模型，就无法实现最优设计。
15、因此，建立数学模型也是实现最优控制的必要前提。（2）指导生产工艺及其设备的设计与操作通过对生产工艺过程及其相关设备数学模型的分析或仿真，可以确定有关因素对整个被控过程特性的影响，从而指导生产工艺及其设备的设计与操作。（3）对被控过程进行仿真研究通过对过程的数学模型进行仿真试验，在计算机上进行计算、分析，以获取代表或逼近真实过程的定量关系，可以为过程控制系统的设计与调试提供所需的信息数据，从而大大降低设计试验成本，加快设计进程。对建立被控过程数学模型的具体要求，随其用途不同而异，但总的来说，一是应该尽量简单，二是应该正确可靠。3 建立过程数学模型的途径建立被控过程数学模型的方法目前主要有三种：一是机理演绎方法；二是实验辨识方法；三是机理演绎与实验辨识相结合的混合方法，下面分别加以说明。（1）用机理演绎法建立被控过程的数学模型 所谓机理演绎法又称解析法，它是根据被控过程的内在机理，运用已知的静态和动态物料平衡、能量平衡等关系，用数学推理的方法求取被控过程的数学模型。通常的静态物料或能量的平衡关系是单位时间内进入被控过程的物料或能量等于单
