储水罐液位计算机控制系统设计资料讲解

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

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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 (1)

2.1系统组成 (1)

2.2系统工作原理 (1)

2.3系统模型 (2)

3.硬件选择 (5)

3.1 液体压力传感器选择 (5)

3.2水泵选择 (5)

3.3微控制器的选择 (6)

3.3.1 80C51电源 (6)

3.3.2 80C51时钟 (6)

3.3.3 80C51 控制线 (6)

3.3.4 80C51 I/O接口 (7)

3.4 A/D转换器选择 (7)

4.硬件电路设计 (9)

4.1 80C51单片机外围电路设计 (9)

4.1.1 时钟电路 (9)

4.1.2 复位电路 (9)

4.2水泵驱动电路设计 (9)

4.2.1 继电器电路 (10)

4.2.2 双向晶闸管过零调功调速原理 (10)

4.2.3过零检测电路 (11)

4.2.4 双向晶闸管触发电路 (12)

4.3数码管电路 (12)

5.系统软件设计 (13)

5.1 软件设计流程图 (13)

5.2 软件主函数 (14)

5.3 软件水泵控制程序 (14)

6.结论 (17)

参考文献 (18)

附录 (19)

附录1 (19)

附录3 (26)

附录4 (28)

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。

清水池

储水罐

目标液位

高度

水泵

2

Q 1

Q

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；

m/H；

直流水泵选用TPH2T6K型号，220V离心式水泵，此水泵工作效率为503

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。

其他设备

微控制器80c51

驱动电路

数码管

水泵TPH2T6K

ADC0808

液体压力传感器

储水罐

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：

in out Q = Q + Q （2.1）

式中 in Q ——表示流入储水罐的水量；

Q —— 表示储水罐中保留的水量；

out Q ——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：

in out Q = A

+ Q dh

dt （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：

out d Q = C a 2gh

（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

in d Q = A

C a 2dh

gh dt + （2.4）

假设in Q 是个常数则出水流量将达到一个稳态值out 0Q Q =，水位高度也将能达到一个恒定值。

0d 0

Q = C a 2gh （2.5）

我们假设in Q 有个小的扰动值，我们能得到：

in in 0Q Q Q δ=- （2.6）

同时液位高度也将会有小的扰动：

0h h h δ=- （2.7）

将（2.6）、（2.7）带入（2.4）我们可以得到：

d 0in 0A

C a 2()Q Q d h

h h dt δδδ++=+ （2.8）

应用泰勒级数将（2.8）线性化，泰勒级数：

2

20002

()()()().....1!2!x x x x x x x x df

d f

f x f x dx

dx

==--=+

++ （2.9）

取泰勒级数第一级得到：

00()()()

x x df

f x f x x x dx

=-≈

- （2.10）

或者

()x x df f x x

dx

δδ=≈

（2.11）

将（2.8）用（2.11）线性化后得到：

A

2in Q d h h Q dt h δδδ+= （2.12）

对（2.12）进行拉普拉斯变换，我们可以得到：

00

()1()2in h s Q s As Q h =

+ （2.13）

带入数据可得：

()1

()0.1

in h s Q s s =

+ （2.14）

电机的电气方程：

()a

a

a a a e di L u i r C t dt

=--Ω （2.15）

电机的机械方程：

()

L d t J

T T dt

Ω=- （2.16）

式中 e C ——表示电机电势系数； a r ——表示电枢电阻； a u ——表示电枢电压；

a i ——表示电枢电流；