基于AT89C52单片机的流量控制系统课程设计报告(仿真和实物实现)

《过程控制仪表》课程设计报告

设计题目

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目录

第一章流量控制系统（实验部分） (1)

2.1 控制系统工艺流程 (1)

2.2 控制系统的控制要求 (5)

2.3 系统的实验调试 (7)

第二章流量控制系统工艺流程及控制要求 (9)

2.1 控制系统工艺流程 (9)

2.2 设计内容及要求 (10)

第三章总体设计方案 (11)

3.1 设计思想 (12)

3.2 总体设计流程图 (13)

第四章硬件设计 (14)

4.1 硬件设计概要 (14)

4.2 硬件选型 (15)

4.3 硬件电路设计系统原理图及其说明 (16)

第五章软件设计 (17)

5.1 软件设计流程图及其说明 (17)

5.2 源程序及其说明 (18)

第六章系统调试及使用说明 (20)

第七章收获、体会 (21)

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，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

1、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（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、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。

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。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PWM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

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1

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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；

微分作用能有效的减小动态偏差。

阀门设定值流量输出