基于单片机的流量控制系统设计讲解

过程控制系统课程设计

设计题目：基于单片机的流量控制系统设计

学生姓名：业：测控技术与仪器专班级学号：指导教师2010.6.28-2008.7.11 设计时间：

《过程控制系统》课程设计任务书

专业测控技术与仪器班级姓名

设计题目：基于单片机的流量控制系统设计

一、设计实验条件

过程控制系统实验室实验系统

二、设计任务

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

三、设计说明书的内容

1、设计题目与设计任务（设计任务书）

2、前言（绪论）(设计的目的、意义等)

3、主体设计部分

4、参考文献

5、结束语

四、设计时间与设计时间安排

1、设计时间： 2 周

2、设计时间安排：

熟悉实验设备、实验、收集资料：4天

设计计算、绘制技术图纸：4天

编写课程设计说明书：5天

答辩：1天

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1】【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。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【2】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。

流量过程控制组成框图1 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

K d[e(k)?e(K?Te(k)?k?1)](?u(k)Kek)ip T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。

PWM波形输出：用89S52单片机的定时器0和定时器1交替工作，产生连续的与偏差大小有关的占空比可调的PWM波形。首先，定时器0定时时间到，产生中断，置位PWM输出口并开启定时器1，定时器1定时期间PWM输出高电平，且定时器1的定时时间可调，与偏差的PID运算结果有关，所以能输出占空比变化的PWM波，控制电机转动，进而控制阀门开度和流量。

三、系统硬件设计

1、总体设计框图及说明

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，并根据接收到的数据进行处理和控制运算，同时将数据保存，以便与下一次采样值进行比较，根据系统程序控制，进行PID运算以及PWM输出控制电机转速，最终由CPU控制电机正反转，达到调节流量的目的。系统还具有键盘设定模块，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。具体结构图图3及说明如下，

功能模块结构图图3

键盘设定：设定控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节，带动阀门转动。2、部分外部电路设计

2.1 数码管显示电路