基于单片机的流量控制系统设计—.doc

广东环境保护工程职业学院
毕 业 设 计（论 文）
题目:基于单片机的流量控制系统设计
系: 机电工程系
专 业： 机电设备维修与管理
班 级： 13机电设备维修与管理3班
姓 名:黄启熙
指导教师:
完成时间： 2016年4月17日
20

摘　要
流量是自动化生产过程中重要的过程参数之一。以下采用AT89C51单片机，对流量控制系统 的硬件和软件系统进行了设计.传感器采集流量信息，由变换器变换为模拟电信号,并通过AD转换器转化成离散信号，传给单片机。控制系统的软件处理信息输出 离散的控制信号，实现对流量的控制。
关键词： 单片机 叶片式 霍尔传感器 流量控制

目录
题目：基于单片机的流量控制系统设计1
摘　要2
关键词： 单片机 叶片式 霍尔传感器 流量控制2
目录3
前言4
第一章绪论5
1.1  研究目的、意义及研究内容6
1。3  流量计概述6
第二章工作原理及系统硬件设计6
2.1  系统工作原理7
2.2 硬件构成7
2.3 流量计的介绍8
2。4 流量计的选择9
第三章软件设计10
3。1  软件设计思路10
3。2  主程序设计10
3。3  流量控制子程序11
第四章中断服务子程序13
4.1  设定值输入程序13
4.2  A/D中断子程序13
4。3  定时器中断子程序16
4。4  数码管显示子程序18
4.5  步进电机控制程序20
总  结22
参考文献24
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 前言
前言
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。
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 第一章 绪论
第一章绪论
1.1  研究目的、意义及研究内容
流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标 .流量测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务.
 本课题的主要研究内容是对流量进行控制,主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机,单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。
1。2  流量计的应用领域
流量计主要用于以下几个领域。
l          工业生产过程
l          能源计量
l          环境保护工程
l          交通运输
l          生物技术
l          科学实验
1。3  流量计概述
所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量,即瞬时流量。用于测量流量的仪表称为流量计,流量计是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一。
流量计也成为流量传感器,是一种指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的流速监测装置。主要功能是当流速未达到设定的流速阀值时发出检测信号，经计算机控制，进行报警或启动连锁保护系统，保护关键设备,能够以及时制止在生产中的突发事故,对生产安全和经济效益，有不可估量的实际作用。
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 第二章工作原理及系统硬件设计
第二章 工作原理及系统硬件设计
2。1  系统工作原理
系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理,输出离散的控制信号.DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电量.通过模拟电量来控制阀门的动作,从而调节流量，实现流量的精确控制。
2.2 硬件构成
本系统主要由水泵、流量传感器、电动阀门和MCS-51单片机控制系统以及液体管线和控制线、监视线等组成。
            系统结构框图如下所示：
流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量。本控制系统的任务是对通过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制。本系统采用单片机控制，通过流量计采集流量信息，传给单片机。单片机通过预先设定值和系统软件进行分析,发出相应的控制信号，驱动调节阀动作,从而确定降粘剂的配比与耗量，实现生产过程自动化。
           系统硬件结构图如图所示:
其中,电磁流量计作为流量传感器，采集流量信息，经放大器放大后送到AD转换器。AD转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量。单片机收到流量信号后,在控制系统软件的作用下，发出相应的执行命令给执行机构—-步进电机。步进电机带动阀门动作，对流体流量进行控制。
2.3 流量计的介绍
工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类,大致分为:转子流量计，差压式流量计，节流式流量计，速度式流量计,容积式流量计及其它类型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等.本设计选用的是超声波流量计。
目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题,这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点。而超声波流量计却克服了这些问题.
超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量.使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响。
2.4 流量计的选择
本次所选的超声波流量计为北京中元瑞得公司的ZYF—300。本流量计的优点为：最新计算机技术、IC技术同步发展的高技术的流量测量仪表，与其它常规类型流量计或其它超声波流量计相比，除具有高精度（达到0。1％）、高可靠性、高性能、价格低廉；内置流量日月年累计器 ＊ 内置上电断电记录器；0.5秒基本测量周期 ＊ 内部32位浮点数据处理;频率信号输出 ＊ 40皮秒时间测量分辨率；测量周期为500ms等。
此流量计的工作原理为：
当超声波束在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速，其关系符合下面表达式:
V=MD/sin2θ×△T/（Tup·Tdown）。
其中：  θ  为声束与液体流动方向的夹角            
M  为声束在液体的直线传播次数

D   为管道内径

Tup  为声束在正方向上的传播时间

Tdown为声束在逆方向上的传播时间

△T = Tup –Tdown。
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 第三章 软件设计
第三章 软件设计
3。1  软件设计思路
该控制系统的软件设计可以分为三部分：
1。主程序部分：该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调用各个子程序，完成主要的控制功能。
2.流量控制程序:通过PID控制算法，编写出相应的流量控制子程序,实现对流量的控制,达到预期的控制要求;
3。各子程序：各个子程序完成具体的实现方法，主要包括：设定值输入、数码管显示、步进电机控制、AD转换中断、T0定时器中断、采样中断等.
软件流程图如下：
3.2  主程序设计
u        主程序部分，主要完成存储器分配、系统初始化和系统整体控制等，并通过调用各子程序段，实现软件的总体设计功能.主程序流程图
u初始化：系统初始化程序的功能是对8155和89C51进行初始化，使D/A输出为0，步进电机处于停机状态，将RAM中的标志位和工作单元置为初始状态，提示符CPUREADY写入缓冲器。更新显示器子程序的功能是将显示缓冲器的内容,分别转化为段数据,输出到8155。显示器0~12的显示数据缓冲器分别为73H～7FH单元。当系统处于停机状态时，显示器0~4显示参数,显示器5～7显示参数地址，所以73H～77H作为数据缓冲器，78H～7AH作为地址缓冲器,在运行状态时，73H～77H作为瞬时流量缓冲器，78H~7FH作为累计流量缓冲器.
初始化程序的流程如图所示:
3.3  流量控制子程序
在流量测试的基础上，把流量设定值和实际测试得到的瞬时流量进行比较计算出误差,采用数字PID调节算法,计算输出到AD0809的变量Uio增量式PID控制算法的计算公式为
式中:ei为本次实际测得的流量和设定值之差;
 SHAPE  \＊ MERGEFORMAT 
P为比例系数;I为积分系数；D为微分系数；
输出控制变量表达式为:
 SHAPE  \* MERGEFORMAT 
程序的入口参数:偏差ek、ek—1、ek—2、测量值y、给定值r。这5个参数均为3字节的浮点数，分别将它们存放在RAM单元中。低字节存放浮点数的阶数和符号，其中符号存放在最高位,阶数以补码的形式存放在另7位中。尾数以原码的形式存放在另2个字节中。
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 第四章 中断服务子程序
第四章 中断服务子程序
4.1  设定值输入程序
本程序将4位BCD码按千、百、十、个依次存放在89C51片内RAM的30H～33H单元中，每个地址单元的高4位为0，低4位为BCD码。
           程序代码如下:
RDS：MOV  R0,#30H；初始化，存放单元首址
MOV  R2，#7FH；P1口高4位置控制字及低4位置输入方式
MOV  R3,＃04H;读入4个BCD码
MOV  A,R2
LOOP：MOV  P1，A；P1口送控制字及低4位置输入方式
MOV  A，P1；读如BCD码
ANL   A，＃0FH；屏蔽高4位
MOV  ＠R0，A；送入存储单元
INC  R0；指向下个存储单元
MOV  A，R2；准备下一片拨盘的控制端置0
RR  A；
MOV  R2，A；
DJNZ  R3,LOOP;未读完返回
RET；读完结束
4。2  A/D中断子程序
A/D中断子程序流程图如下所示：

程序代码如下：
INT0:PUSH   ACC        ;保护现场
PUSH   DPH
        PUSH   DPL
        PUSH   PSW
        SETB   PSW.3      ；选工作寄存器区1
        MOV    DPTR，#0DF01H；读取8155A口数据
        MOVX   A，@DPTR
        MOV    R2，  A
        ANL    A， ＃0F0H    ;屏蔽低4位
        JNZ    ND5          ；
        MOV    A，R2
        JNB   02H, D51    ；判断是否采样零信号
        MOV     C，  ACC.0  ;
        MOV    30H，  C
MOV    C，  ACC.7
              MOV    37H，C
              AJMP   D14
D51：   MOV    C，ACC.0     ；万位和标志位→荷重信号缓冲器
             MOV    48H，C
             MOV    C,ACC.7
             MOV    4FH，C
             AJMP   D14
ND5：  MOV  A，R2          ；判断是否读出千位
            JNB  ACC。7，ND4
            JNB  02H，D41       ;判断是否采样零信号
            ANL  A， ＃0FH       ；千位→零信号缓冲器
            SWAP  A
            MOV   25H，A
            AJMP   D14
D41： ANL  A，＃0FH        
           SWAP  A
           MOV   28H, A
           AJMP     D14
ND4： JNB   ACC。6, ND3    ；判断是否读出百位
      JNB   02H，D31       ;判断是否采样零信号
      MOV   R1，  #25H     ；百位→零信号缓冲器
      ANL   A，#0FH
      XCHP  A，@R1
      AJMP  D14
D31: MOV   R1,  ＃28H     
      ANL   A，#0FH
      XCHD  A,＠R1
      AJMP  D14
ND3: JNB   ACC。5， ND2    ；判断是否读出十位
      JNB   02H，  D21     ;判断是否采样信号
      ANL   A,  #0FH      ；十位→零信号缓冲器
      SWAP  A
      MOV   24H，  A
      AJMP  D14
D21: ANL   A,  #0FH     
      SWAP  A
      MOV   24H,A
      AJMP  D14
ND2： JNB   02H,D11       ；判断是否采样零信号
      ANL   A，＃0FH        ；个位→零信号缓冲器
      MOV  R，＃24H
      XCHD  A,@R1
      CLR   02H
      MOV   DPTR，＃0DFF3H  ；启动A/D转换
      MOV  A， #30H
      MOVX  ＠DPTR，  A
ADS1：SETB   P1。6
      NOP
      NOP
      CLR   P1.6
      AJMP   D14          
D11: ANL   A，＃0FH
      MOV   R1,#27H
      XCHD  A，@R1
      MOV   2AH，24H      ； 采样数据送处理缓冲器
      MOV   2BH,25H
      MOV   2CH，26H
MOV   2DH，27H
      MOV   2EH,28H
     MOV   2FH，29H
      SETB  03H            ；置一次A/D采样结束标志
D14: POP   PSW            ;恢复现场
           POP   DPL
           POP   DPH
           POP   ACC
RETI
4。3  定时器中断子程序
定时器T0中断程序流程图如下图所示。

程序代码如下：
PIT0：  PUSH    PSW            ；保护现场
        PUSH    ACC
        PUSH    DPH
        PUSH    DPL
        JNB     00H，  T01     ；允许采样否?
        DJNZ    10H,  T02   ;采样周期计数器减1，不为1转T02
        DJNZ   11H，T02
        MOV     10H，#0A0H  ；恢复采样周期计数器初值
MOV     11H,  ＃0FH
SETB     0FH
CLR          0DH
CLR     P3。4
MOV      DPTR,  ＃0DFF3H ；    对零点采样
MOV    A,   ＃00H
        MOVX   ＠DPTR，  A
SETB     04H
SETB     04H
T02： JB   01H,   T05      
T01   SETB    P1.7          
NOP
CLR     P1。7
T05：CLR      P1.6
DJNZ    16H，  T06       ；调试用脉冲周期计数器减1
CPL      P1。4            ；使P1.4产生方波
MOV    16H，17H
T06： POP    DPL               ;恢复现场
POP   DPH
POP   ACC
POP   PSW
ERTI
4.4  数码管显示子程序
程序流程图如下所示：

在单片机内部RAM的20H和21H单元中有四位十六进制数（20H中为高两位)，以下是将其自左到右显示出来的程序.
           程序代码如下：
ORG  2000H
SDIAPLAY：MOV  A，20H           ；20H中数送A
 ANL  A，＃0F0H        ；截取高4位
 MOV  P1，A           ；送1#MC14495
 MOV  A，20H          ；20H中数送A
 SWAP  A               ；低4位送高4位
ANL  A，＃0F0H         ；去掉低4位
 INC  A                 ;A1A0指向2＃MC14495
 MOV  P1,A            ；送2#MC14495
 MOV  A，21H         ；21H中数送A
ANL  A,#0F0H         ；截取高4位
 ADD  A，＃02H           ；A1A0指向3#MC14495
 MOV  P1，A            ；送3＃MC14495
 MOV  A,21H           ;21H中数送A
 SWAP  A               ；低4位送高4位
 ANL  A，#0F0H         ;去掉低4位
 ADD  A，#03            ;A1A0指向4＃MC14495
 MOV  P1，A            ；送4＃MC14495
 RET
4.5  步进电机控制程序
程序代码如下:
ORG  2100H
 PUSH  ACC                  ;保护现场
 MOV  R4，#N                ；步进马达步进数送R4
CLR  C                      ;Cy清零
ORL  C，PSW。5               ；转向标志状态送Cy
JC  ROTE                    ;若为反转，则转ROTE
MOV  R0，＃20H               ；正转模型始址送R0
AJMP  NEXT                  ； 转入NEXT
ROTE：MOV  R0，#27H               ；反转模型始址送R0
NEXT：MOV  A，＠R0                ；输出控制模型的值
MOV  P1,A                   ；输出控制脉冲
               ACALL  DELAY                ；延时(形成脉宽）
              INC  R0                       ；准备下个模型指针
               MOV  A,#00H                ;判断送完一遍模型值
               ORL  A，@R0
               JZ  TPL                       ；若模型结束,则TPL
 LOOP:DJNZ  R4,NEXT             ；若步进数未走完,则NEXT
              POP  ACC                  ；恢复现场
              RET                         :返回
TPL：MOV  A，R0                   
          CLR  C
          SUBB  A,＃06H                
          MOV  R0,A                   ;恢复模型始址
AJMP  LOOP                 ；判断步进马达步数走完？
DELAY：MOV  R2,#M1                ；延时
DELAY1:MOV  R2，＃M2
DELAY2：DEC  A
   JNZ  DELAY2
DJNZ  R2,DELAY1
RET
END
上述控制程序是利用程序延时来控制电机的通电时间(即形成控制脉冲)以达到正转、反转、启动和停止的.这种控制的缺点是CPU因执行延时程序而降低了效率.为了提高CPU的使用效率,常常也可采用单片机内部定时/计数器编制上述程序。
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 总结
总  结
随着毕业设计的结束，我的大学生涯也将随之要划上一个句号了。
在设计的这段日子里,又学到了很多东西,突然觉得自己做什么事情都特别的认真了起来,也许是以前从未认真做过一件事吧。每天守着一大堆资料，随时还要上网查询，有时为了查一个数据就要耗去近一个小时的时间，证实了却又感到莫名地兴奋与愉悦。整个设计过程都是那么的紧张、严紧.
偶然间就回到了过去的学习深处,也就是在那里留下了我些许的遗憾和欣慰.遗憾里有后悔，有痛恨,曾经是那么的无知.欣慰的是事过境迁,深刻地认识了自己，一切改过还来的及.
顺利如期的完成本次设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，无论给水系统还是排水系统，我都采用了一些新的技术和设备他们有着很多的优越性但也存在一定的不足这些不足在一定程度上限制了我们的创造力，这些不足正是我们去更好的研究更好的创造的最大动力，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行,
本设计在王老师的悉心指导和严格要求下业已完成,从课题选择到具体构思和内容,无不凝聚着老师的心血和汗水，在三年的专科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀,我受益匪浅。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意.
到一个多月后，就是我要离开大学殿堂的时候了，收获的季节,我却并没有看累累硕果，但我会带着一颗火热而年轻的心上路，去寻找属于我的那方热土，奉献我的热血予需要我帮助的人，这也算是我今后的人生方向吧！
致  谢
大学三年学习时光已接近尾声,在此我想对我的母校，我的父母、我的亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学三年学习的默默支持;感谢我的母校给了我大学三年深造的机会,让我能继续学习和提高；感谢济南铁道技术学院的老师和同学们三年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢,课堂下的谆谆教诲;同学们在学习中的认真热情,生活上的热心主动,所有这些都让我的三年充满了感动。
首先要感谢我的指导老师王老师，本设计是在王老师精心指导和大力支持下完成的，在本课题的设计过程中，王老师从选题直至最后一直给予我重要的指导和帮助,为我解开了无数困惑，提供了很多关键性的建议。另外还要感谢我的同学以及电气系的所有老师，他们让我在课堂上学到了丰富的知识。无论是有形的图文还是无形的记忆,都会珍藏着我们的欢声笑语，永不磨灭。感谢所有朋友，感谢所有帮助我的人，很幸运能够认识你们，我的学习生活因你们而更加丰富多彩.
作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。我相信在此次设计中我的收获将会使我一生受益。
在这次设计中我感触最深的就是要设计一个东西首要条件就是要有丰富的知识。在设计过程中，我发现有许多地方能用到课本上的知识,但更多的是用用课本外的知识，在查资料的过程中，我深深体会到了知识的匮乏。不管怎样在老师、同学的帮助以及自己的努力下，本设计终于顺利完成。
三年的大专生活伴随着设计的完成，也走向了终点。时间终是短暂，但是这三年来我在本校却经历了重要的人生蜕变。学习总是枯燥和寂寞的，而生活本身又是那么丰富多彩。
广东环境保护工程职业学院毕业论文（设计） 参考文献
参考文献
【1】 任彦硕等．自动控制系统［M］．北京:北京邮电大学出版社，2006,157
【2】张家生。 电机原理与拖动基础［M］.  北京:北京邮电大学出版社，2006， 136
【3】 马斌等．单片机原理及应用—-—C语言程序设计与实现[M]．北京：人民邮电出版社,2009,284--290
【4】王宜怀等。嵌入式系统［M]。 北京：北京航空航天大学出版社，2008， 132
【5】顾德英，张健,马淑华。计算机控制技术［M］. 北京:北京邮电大学出版社，2006，106