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储水罐液位计算机控制系统设计.doc
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储水罐液位计算机控制系统设计.doc
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第 1 页
计 算机控制技术课程设计
储水罐液位计算机控制系统设计
学 生 姓 名
学 号
学 院 名 称
专 业 名 称
指 导 教 师
2011 年
6 月
7 日
目 录
1.储水罐液位系统设计原理 .....................................4
1.1 本设计任务和主要内容 ...................................4
1.1.1 设计任务.............................................4
1.1.2 主要内容.............................................4
2.系统模型建立 ...............................................5
2.1 系统组成 ................................................5
2.2 系统工作原理 ............................................5
2.3 系统模型 ................................................6
3.硬件选择 ...................................................9
3.1 液体压力传感器选择 .....................................9
3.2 水泵选择 ................................................9
3.3 微控制器的选择 .........................................10
3.3.1 80C51 电源..........................................10
3.3.2 80C51 时钟..........................................10
3.3.3 80C51 控制线 .......................................10
3.3.4 80C51 I/O 接口......................................11
3.4 A/D 转换器选择 .........................................11
4.硬件电路设计 ..............................................13
4.1 80C51 单片机外围电路设计 ...............................13
4.1.1 时钟电路 ...........................................13
第 2 页
4.1.2 复位电路 ...........................................13
4.2 水泵驱动电路设计 .......................................13
4.2.1 继电器电路 .........................................14
4.2.2 双向晶闸管过零调功调速原理 .........................14
4.2.3 过零检测电路........................................15
4.2.4 双向晶闸管触发电路 .................................16
4.3 数码管电路 .............................................16
5.系统软件设计 ..............................................17
5.1 软件设计流程图 ........................................17
5.2 软件主函数 ............................................18
5.3 软件水泵控制程序 ......................................18
6.结论 ......................................................21
参考文献 ....................................................22
附录 ........................................................23
附录 1 .....................................................23
附录 3 .....................................................30
附录 4 .....................................................32
1.储水罐液位系统设计原理
1.1 本设计任务和主要内容
1.1.1 设计任务
本设计主要研究水箱水位自动控制系统。此系统实现了水位报警,
水位实时显示。在 2min 内达到并稳定在 1m 水位高度,并且偏差在
10%。
1.1.2 主要内容
被控系统为一储水罐。系统如图 1-1 所示,储水罐内为清水,下部
设有出水管,流量记为 Q2。储水罐通过水泵将清水池内的清水补入罐内,
流量记为 Q1,清水池内的水位可视为固定值 2 米(即在储水罐补水过程
中液位不变化)。已知储水罐的截面积 A=1 平方米,高度 H=2 米,要求控
制目标液位高度为 1 米。
当水箱水位低于 1m 时,启动水泵,从清水池抽水供给给储水罐;当
±
第 1 页
水箱水位高于 1m 时水泵自动停止;当水箱水位高于 1.8m 时外部报警灯
自动点亮,手动复位控制系统。
图 1-1 储水罐系统
2.系统模型建立
2.1 系统组成
储水罐液位系统的原理图如图 2-1 所示。此系统由清水池,储水罐,
直流水泵,微控制器,液体压力传感器,A/D 转换器等组成。
清水池在此设计中属于理想状态,即水位高度不变;
直流水泵选用 TPH2T6K 型号,220V 离心式水泵,此水泵工作效率为
50 /H;
微控制器选用 Atmel 公司生产的 89C51 单片机;
液体压力传感器选用 PT500-500 液体压力传感器;
A/D 转换器则选用ADC0808 8 位精度转换器。
图 2-1 储水罐液位系统的原理图
2.2 系统工作原理
此系统由液体压力传感器测出储水罐液位压力,以 0~20mA 电流形式
输入到一个 125 电阻上,A/D 转换器采样电阻两端电压,然后输入微控
制器 80C51,微控制器 80C51 经过处理判断水位高度进行相应的处理,
并控制数码管显示现在水位高度。系统工作流程图如图 2-2。
图 2-2 储水罐液位系统工作流程图
2.3 系统模型
此系统是一个典型的一阶系统。储水罐相当于一个流体容器,由物
质守恒可以得到:
(2.1)
式中 ——表示流入储水罐的水量;
—— 表示储水罐中保留的水量;
3
m
W
in out
Q = Q + Q
in
Q
Q
第 2 页
——表示流出储水罐的水量。
假设 A 是储水罐的横截面积,h'为储水罐中水位的高度则(2.1)可
写成:
(2.2)
出水流量取决于储水罐的流量系数,储水罐的液位高度,储水罐的
出水口面积,和重力常数。即:
(2.3)
式中 Cd——表示储水罐出口的流量系数;
a——表示储水罐的出水口面积;
g——表示重力常数(9.8m/s2)。
结合(2.2),(2.3)我们能得到
(2.4)
假设 是个常数则出水流量将达到一个稳态值 ,水位高度也
将能达到一个恒定值。
(2.5)
我们假设 有个小的扰动值,我们能得到:
(2.6)
同时液位高度也将会有小的扰动:
(2.7)
将(2.6)、(2.7)带入(2.4)我们可以得到:
(2.8)
应用泰勒级数将(2.8)线性化,泰勒级数:
(2.9)
取泰勒级数第一级得到:
(2.10)
或者 (2.11)
out
Q
out d
Q = C a 2gh
in d
Q = A C a 2
dh
gh
dt
+
in
Q
out 0
Q Q=
0 d 0
Q = C a 2gh
in
Q
in in 0
Q Q Q
d
= -
0
h h h
d
= -
d 0 in 0
A C a 2( ) Q Q
d h
h h
dt
d
d d
+ + = +
0 0
2
2
0 0
0
2
( ) ( )
( ) ( ) .....
1! 2!
x x x x
x x x x
df d f
f x f x
dx dx
= =
- -
= + + +
0
0 0
( ) ( ) ( )
x x
df
f x f x x x
dx
=
- » -
第 3 页
将(2.8)用(2.11)线性化后得到:
(2.12)
对(2.12)进行拉普拉斯变换,我们可以得到:
(2.13)
带入数据可得:
(2.14)
电机的电气方程:
( )
a
a a a a e
di
L u i r C t
dt
= - - W
(2.15)
电机的机械方程:
(2.16)
式中
eC
——表示电机电势系数;
ar
——表示电枢电阻;
au
——表示电枢电压;
ai
——表示电枢电流;
aL
——表示电枢电感;
J
——表示折算到轴上的转动惯量;
T——表示电动机电磁转矩;
LT
——表示负载转矩;
将(2.15)、(2.16)式进行拉式变换可以得到转速和输入电压的传递
函数:
2
1
( )
( )
( ) 1
e
c m l m
s
C
H s
U s T T s T s
W
= =
+ +
(2.17)
电机经验公式:
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