单容水箱液位控制详解.doc

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重 庆 邮 电 大 学

自 动 化 学 院

计算机控制技术及自动检测系统设计报告

设计题目：液体转移监测装置：

单位(二级学院): 自 动 化 学 院

学 生 姓 名：

专 业：

班 级：

学 号：

指 导 教 师：

设计时间： 2014年5 月

重庆邮电大学自动化学院制度

摘要

本文介绍了计算机控制技术在过程控制中的实际应用，通过建立控制对象的数学模型，设计了基于51单片机的液体转移监测装置来完成系统PID通过上位机软件监控和数据获取参数整定，达到液位重量控制效果。

控制对象是单容储液箱重量控制过程，具有自衡特性，通过传输函数建模方便Matlab上的simulink模拟工具PID模拟测试，确定理论控制参数；硬件方面，装置升级51芯片STC12C5A60S以矩阵键盘为输入设备为主控，LCD显示设备为12864，全桥测量电路由4块电阻应变片组成，作为传感检测设备，通过PWM控制LM298电机驱动模块可调水泵输出。在上位机软件方面，人机交互界面和数据接收程序采用高级语言VB实现对下位机数据的实时监控。

本文从系统方案的选择和论证、硬件电路设计、系统软件和上位机软件设计等方面介绍了基于单片机的液位测量监控系统的设计过程，最终实现了液位的实时测量和监控。最后，本文总结了设计过程中的问题和解决方案，简要描述了数据的处理方法，并引出了进一步设计和开发的想法。

关键词：计算机控制技术： 传感器测量电路 PID控制 AD转换 电机控制

目录

摘要I

一、设计题目1

二、设计报告正文2

2.1 系统设计思路及总体方案2

2.1.1 设计思路2

2.1.2 系统控制总体方案2

2.2 过程控制建模和分析3

2.2.典型控制系统框图31

2.2.2被控对象分析3

2.2.传输函数参数确定43

2.2.4 Simulink仿真及PID参数整定6

2.3 硬件电路设计7

2.3.1 硬件设计总体方案7

2.3.2 单片机最小硬件设计751

2.3.3按键设计8

2.3.显示单元硬件设计84

2.3.传感检测模块设计85

2.3.6 A/D转换单元硬件设计9

2.3.电机驱动硬件设计97

2.3.8 通信模块设计9

2.3.9原理图10

2.4 下机程序设计10

2.4.1 程序流程10

2.4.2 PID控制器11

2.4.3 矩阵扫描程序12

2.4.4 LCD12864显示程序12

2.4.5 AD采集程序13

2.4.6 PWM电机驱动程序13

2.5 上位机软件设计14

2.5.1 设置14个功能模块

2.5.2软件界面15

三、 结果分析16

四、设计总结17

五、人员分工18

参考文献19

附录(源代码)20

附录一：主程序(main.c)20

附录二：LCD12864程序(lcd12864.c)28

附录3:串口驱动程序31

一、设计题目

设计并制作一个液体转移监控装置，示意图如下图所示：

图 1-1 设计示意图

A容器和B容器分别放置两个盛水容器，A容器里有足够的水，B容器为空，底部中心挖一个出水圆孔。将水从A容器转移到B容器，使B容器中的水重量达到预设值，并保持60秒。

基本要求：

(1)制作数字显示装置，当系统开始抽水任务时，B容器中的水重量和任务执行时间可以实时显示，任务结束后，计时停止；

(2)通过键盘设置转移到B容器的水的重量，设置范围为500克~1000克， 调整时间范围为≤3分钟；

(3)B容器中的水达到预设值后，保持60秒。发出短声提示信号；

(4)控制误差范围为10克；

(5)B当容器中的水接近溢出时，启动报警，停止系统运行；

(6)主站能实时显示B容器中水的重量变化曲线；

注意：

(1)控制泵类型和水重的测量方法无限，其安装位置和安装方法自定；

(2)A容器大小不限，可以装足够的水，B容器为3.3升矿泉水桶；

(3)B容器底部中心制作直径≥圆孔3mm；

(4)系统机不能用于现场控制；评委当场给出水的重量预设值。

二、设计报告正文

2.1 系统设计思路和总体方案

2.1.1 设计思路

本设计为单容量水箱的液体重量控制，是一种自衡系统。由于流出与液位有关，液体重量首先是