1、廣東環境保護工程職業學院廣東環境保護工程職業學院畢畢 業業 設設 計（論計（論 文）文）題目：題目：基于單片機的流量控制系統設計基于單片機的流量控制系統設計系：系： 機電工程系機電工程系 專專 業：業： 機電設備維修與管理機電設備維修與管理 班班 級：級： 1313 機電設備維修與管理機電設備維修與管理 3 3 班班 姓姓 名：名： 黃啟熙黃啟熙 指導教師：指導教師： 完成時間：完成時間： 20162016 年年 4 4 月月 1717 日日 摘摘要要流量是自動化生產過程中重要的過程參數之一。以下采用 AT89C51 單片機,對流量控制系統 的硬件和軟件系統進行了設計。傳感器采集流量信息,由變

2、換器變換為模擬電信號,并通過 AD 轉換器轉化成離散信號,傳給單片機。控制系統的軟件處理信息輸出 離散的控制信號,實現對流量的控制。關鍵詞關鍵詞： 單片機 葉片式 霍爾傳感器 流量控制3目錄目錄題目：題目：基于單片機的流量控制系統設計基于單片機的流量控制系統設計 .1摘摘要要.2關鍵詞：關鍵詞： 單片機單片機 葉片式葉片式 霍爾傳感器霍爾傳感器 流量控制流量控制 .2目錄目錄.3前言前言.4第一章緒論第一章緒論 .51.1 研究目的、意義及研究內容.61.3 流量計概述 .6第二章第二章 工作原理及系統硬件設計工作原理及系統硬件設計.62.1 系統工作原理.72.2 硬件構成.72.3 流量計

3、的介紹.82.4 流量計的選擇.9第三章第三章 軟件設計軟件設計.103.1 軟件設計思路.103.2 主程序設計 .103.3 流量控制子程序.11第四章第四章 中斷服務子程序中斷服務子程序.134.1 設定值輸入程序.134.2 A/D 中斷子程序.134.3 定時器中斷子程序.164.4 數碼管顯示子程序.184.5 步進電機控制程序.20總總 結結.22參考文獻參考文獻.24廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）前言前言4前言前言工業生產中過程控制是流量測量與儀表應用的一大領域，流量與溫度、壓力和物位一起統稱為過程控制中的四大參數，人們通過這些參數對生產過程進行監視與控制。對流體流量

4、進行正確測量和調節是保證生產過程安全經濟運行、提高產品質量、降低物質消耗、提高經濟效益、實現科學管理的基礎。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領域應用廣泛。 【1】在天然氣工業蓬勃發展的現在，天然氣的計量引起了的特別關注，因為在天然氣的采集、處理、儲存、運輸和分配過程中，需要數以百萬計的流量計，其中有些流量計涉及到的結算金額數字巨大，對測量和控制準確度和可靠性要求特別高。此外，在環境保護領域，流量測量儀表也扮演著重要角色。人們為了控制大氣污染，必須對污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進行監測；廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對廢液和污水進行處理，對排放量進

5、行控制。于是數以百萬計的煙氣排放點和污水排放口都成了流量測量對象。同時在科學試驗領域，需要大量的流量控制系統進行仿真與試驗。流量計在現代農業、水利建設、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領域等也都有廣泛的應用。廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第一章 緒論5第一章緒論第一章緒論1.1 研究目的、意義及研究內容研究目的、意義及研究內容流量是衡量設備的效率和經濟性的重要指標 。流量測量與控制是實現工業生產過程自動化的一項重要任務。 本課題的主要研究內容是對流量進行控制，主要由流量傳感器采集流量信息，然后經過 AD 轉換器將連續的模擬信號離散化后傳給單片機，單片機在軟件系統的控制下，根據預先的

6、設置和預期的控制要求,通過步進電機來精確控制閥門的開度,實現對流量的精確控制。1.2 流量計的應用領域流量計主要用于以下幾個領域。l 工業生產過程l 能源計量l 環境保護工程l 交通運輸l 生物技術l 科學實驗1.3 流量計概述流量計概述所謂流量是指單位時間內通過某一截面的物料數量，即瞬時流量。用于測量流量的儀表稱為流量計，流量計是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一。流量計也成為流量傳感器，是一種指示被測流量和(或)在選定的時間間隔內流體總量的流速監測裝置。主要功能是當流速未達到設定的流速閥值時發出檢測信號，經計算機控制，進行報警或啟動連鎖保護系統，保護關鍵設備，能夠以及時制止在生產中的突發

7、事故，對生產安全和經濟效益，有不可估量的實際作用。廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第二章工作原理及系統硬件設計6第二章第二章 工作原理及系統硬件設計工作原理及系統硬件設計2.1 系統工作原理系統工作原理系統的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號，AD 轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統根據事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA 轉換器將離散的控制信號轉化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調節流量，實現流量的精確控制。2.2 硬件構成硬件構成本系統主要由水泵、流量傳感器、電動閥門和 MCS-51 單片機控制

8、系統以及液體管線和控制線、監視線等組成。 系統結構框圖如下所示：流量是指單位時間內通過管道某一截面的物料數量。本控制系統的任務是對通過某一管道截面的物料數量即降粘劑流量進行控制。本系統采用單片機控制，通過流量計采集流量信息，傳給單片機。單片機通過預先設定值和系統軟件進行分析，發出相應的控制信號，驅動調節閥動作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實現生產過程自動化。 系統硬件結構圖如圖所示：廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第二章工作原理及系統硬件設計7其中，電磁流量計作為流量傳感器，采集流量信息，經放大器放大后送到 AD 轉換器。AD 轉換器將連續的模擬量轉化為單片機能接受的離散的數字量。單片

9、機收到流量信號后，在控制系統軟件的作用下，發出相應的執行命令給執行機構步進電機。步進電機帶動閥門動作，對流體流量進行控制。2.3 流量計的介紹流量計的介紹工業上常用的流量計種類很多，如按照其測量原理來分類，大致分為：轉子流量計，差壓式流量計，節流式流量計，速度式流量計，容積式流量計及其它類型流量計如基于電磁感應原理的電磁流量計和超聲波流量計等。本設計選用的是超聲波流量計。目前的工業流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點。而超聲波流量計卻克服了這些問題。超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路

10、技術迅速發展才開始應用的一種非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行因而是一種理想的節能型流量計。超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響。廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第二章工作原理及系統硬件設計82.4 流量計的選擇流量計的選擇本次所選的超聲波流量計為北京中元瑞得公司的 ZYF-300.本流量計的優點為：最新計算機技術、IC 技術同步發展的高技術的流量測量儀表，與其它

11、常規類型流量計或其它超聲波流量計相比，除具有高精度（達到 0.1）、高可靠性、高性能、價格低廉；內置流量日月年累計器 * 內置上電斷電記錄器；0.5 秒基本測量周期 * 內部 32 位浮點數據處理；頻率信號輸出 * 40 皮秒時間測量分辨率；測量周期為 500ms 等。此流量計的工作原理為:當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產生微小變化，其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下面表達式：V=MD/sin2T/(TupTdown)。其中: 為聲束與液體流動方向的夾角 M 為聲束在液體的直線傳播次數D 為管道內徑Tup 為聲束在正方向上的傳播時間Tdown 為聲束在逆方向上的傳

12、播時間T = Tup Tdown。廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第三章 軟件設計9第三章第三章 軟件設計軟件設計3.1 軟件設計思路軟件設計思路該控制系統的軟件設計可以分為三部分：1.主程序部分：該部分完成存儲器分區、數據定義和系統的初始化等，以及調用各個子程序，完成主要的控制功能。2.流量控制程序：通過 PID 控制算法，編寫出相應的流量控制子程序，實現對流量的控制，達到預期的控制要求；3.各子程序：各個子程序完成具體的實現方法，主要包括：設定值輸入、數碼管顯示、步進電機控制、AD 轉換中斷、T0 定時器中斷、采樣中斷等。軟件流程圖如下：3.2 主程序設計主程序設計u 主程序部分，

13、主要完成存儲器分配、系統初始化和系統整體控制等，并通過調用各子程序段，實現軟件的總體設計功能。主程序流程圖廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第三章 軟件設計10u 初始化：系統初始化程序的功能是對 8155 和 89C51 進行初始化，使 D/A 輸出為 0，步進電機處于停機狀態，將 RAM 中的標志位和工作單元置為初始狀態，提示符 CPUREADY 寫入緩沖器。更新顯示器子程序的功能是將顯示緩沖器的內容，分別轉化為段數據，輸出到 8155。顯示器 012 的顯示數據緩沖器分別為 73H7FH 單元。當系統處于停機狀態時，顯示器 04 顯示參數，顯示器 57 顯示參數地址，所以 73H7

14、7H 作為數據緩沖器，78H7AH 作為地址緩沖器，在運行狀態時，73H77H 作為瞬時流量緩沖器，78H7FH 作為累計流量緩沖器。初始化程序的流程如圖所示：3.3 流量控制子程序流量控制子程序在流量測試的基礎上，把流量設定值和實際測試得到的瞬時流量進行比較計算出誤差，采用數字 PID 調節算法，計算輸出到 AD0809 的變量 Uio 增量式 PID 控制算法的計算公式為式中：ei 為本次實際測得的流量和設定值之差；廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第三章 軟件設計11 SHAPE * MERGEFORMAT P 為比例系數；I 為積分系數；D 為微分系數；輸出控制變量表達式為： S

15、HAPE * MERGEFORMAT 程序的入口參數：偏差 ek、ek-1、ek-2、測量值 y、給定值 r。這 5 個參數均為 3 字節的浮點數，分別將它們存放在 RAM 單元中。低字節存放浮點數的階數和符號，其中符號存放在最高位，階數以補碼的形式存放在另 7 位中。尾數以原碼的形式存放在另 2 個字節中。廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序12第四章第四章 中斷服務子程序中斷服務子程序4.1 設定值輸入程序設定值輸入程序本程序將 4 位 BCD 碼按千、百、十、個依次存放在 89C51 片內 RAM 的 30H33H單元中，每個地址單元的高 4 位為 0，低 4

16、位為 BCD 碼。 程序代碼如下：RDS：MOV R0，#30H；初始化，存放單元首址MOV R2，#7FH；P1 口高 4 位置控制字及低 4 位置輸入方式MOV R3，#04H；讀入 4 個 BCD 碼MOV A，R2LOOP：MOV P1，A；P1 口送控制字及低 4 位置輸入方式MOV A，P1；讀如 BCD 碼ANL A，#0FH；屏蔽高 4 位MOV R0，A；送入存儲單元INC R0；指向下個存儲單元MOV A，R2；準備下一片撥盤的控制端置 0RR A；MOV R2，A；DJNZ R3，LOOP；未讀完返回RET；讀完結束4.2 A/D 中斷子程序中斷子程序A/D 中斷子程序流

17、程圖如下所示：廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序13程序代碼如下：INT0：PUSH ACC ；保護現場PUSH DPH PUSH DPL PUSH PSW SETB PSW.3 ；選工作寄存器區 1 MOV DPTR，#0DF01H；讀取 8155A 口數據 MOVX A，DPTR MOV R2， A ANL A， #0F0H ；屏蔽低 4 位 JNZ ND5 ； MOV A，R2 JNB 02H， D51 ；判斷是否采樣零信號 MOV C， ACC.0 ； MOV 30H， CMOV C， ACC.7 MOV 37H，C AJMP D14D51： MOV C，A

18、CC.0 ；萬位和標志位荷重信號緩沖器廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序14 MOV 48H，C MOV C，ACC.7 MOV 4FH，C AJMP D14ND5： MOV A，R2 ；判斷是否讀出千位 JNB ACC.7,ND4 JNB 02H，D41 ；判斷是否采樣零信號 ANL A， #0FH ；千位零信號緩沖器 SWAP A MOV 25H，A AJMP D14D41： ANL A，#0FH SWAP A MOV 28H， A AJMP D14ND4： JNB ACC.6， ND3 ；判斷是否讀出百位 JNB 02H，D31 ；判斷是否采樣零信號 MOV

19、R1， #25H ；百位零信號緩沖器 ANL A，#0FH XCHP A，R1 AJMP D14D31： MOV R1， #28H ANL A，#0FH XCHD A，R1 AJMP D14ND3： JNB ACC.5， ND2 ；判斷是否讀出十位 JNB 02H， D21 ；判斷是否采樣信號 ANL A， #0FH ；十位零信號緩沖器 SWAP A MOV 24H， A AJMP D14D21： ANL A， #0FH SWAP A MOV 24H，A AJMP D14ND2： JNB 02H，D11 ；判斷是否采樣零信號廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序15 A

20、NL A，#0FH ；個位零信號緩沖器 MOV R，#24H XCHD A，R1 CLR 02H MOV DPTR，#0DFF3H ；啟動 A/D 轉換 MOV A， #30H MOVX DPTR， AADS1：SETB P1.6 NOP NOP CLR P1.6 AJMP D14 D11： ANL A，#0FH MOV R1，#27H XCHD A，R1 MOV 2AH，24H ； 采樣數據送處理緩沖器 MOV 2BH，25H MOV 2CH，26HMOV 2DH，27H MOV 2EH，28H MOV 2FH，29H SETB 03H ；置一次 A/D 采樣結束標志D14： POP PSW

21、 ；恢復現場 POP DPL POP DPH POP ACCRETI4.3 定時器中斷子程序定時器中斷子程序定時器 T0 中斷程序流程圖如下圖所示。廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序16程序代碼如下：廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序17PIT0： PUSH PSW ；保護現場 PUSH ACC PUSH DPH PUSH DPL JNB 00H， T01 ；允許采樣否？ DJNZ 10H， T02 ；采樣周期計數器減 1，不為 1 轉 T02 DJNZ 11H，T02 MOV 10H，#0A0H ；恢復采樣周期計數器初值MOV 11H，

22、 #0FHSETB 0FHCLR 0DHCLR P3.4MOV DPTR， #0DFF3H ； 對零點采樣MOV A， #00H MOVX DPTR， ASETB 04HSETB 04HT02： JB 01H， T05 T01 SETB P1.7 NOPCLR P1.7T05：CLR P1.6DJNZ 16H， T06 ；調試用脈沖周期計數器減 1CPL P1.4 ；使 P1.4 產生方波MOV 16H，17HT06： POP DPL ；恢復現場POP DPHPOP ACCPOP PSWERTI4.4 數碼管顯示子程序數碼管顯示子程序程序流程圖如下所示：廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）

23、第四章 中斷服務子程序18在單片機內部 RAM 的 20H 和 21H 單元中有四位十六進制數(20H 中為高兩位)，以下是將其自左到右顯示出來的程序。 程序代碼如下：ORG 2000HSDIAPLAY：MOV A，20H ；20H 中數送 A ANL A，#0F0H ；截取高 4 位 MOV P1，A ；送 1#MC14495廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第四章 中斷服務子程序19 MOV A，20H ；20H 中數送 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#M

24、C14495 MOV A，21H ；21H 中數送 AANL 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 中數送 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 RET4.5 步進電機控制程序步進電機控制程序程序代碼如下：ORG 2100H PUSH ACC ；保護現場 MOV R4，#N ；步進馬達步進數送 R4CLR C ；Cy

25、清零ORL C，PSW.5 ；轉向標志狀態送 CyJC ROTE ；若為反轉，則轉 ROTEMOV R0，#20H ；正轉模型始址送 R0AJMP NEXT ； 轉入 NEXTROTE：MOV R0，#27H ；反轉模型始址送 R0NEXT：MOV A，R0 ；輸出控制模型的值MOV P1，A ；輸出控制脈沖 ACALL DELAY ；延時（形成脈寬） INC R0 ；準備下個模型指針 MOV A，#00H ；判斷送完一遍模型值 ORL A，R0 JZ TPL ；若模型結束，則 TPL LOOP：DJNZ R4，NEXT ；若步進數未走完，則 NEXT廣東環境保護工程職業學院畢業論文（設計）第

26、四章 中斷服務子程序20 POP ACC ；恢復現場 RET ：返回TPL：MOV A，R0 CLR C SUBB A，#06H MOV R0，A ；恢復模型始址AJMP LOOP ；判斷步進馬達步數走完？DELAY：MOV R2，#M1 ；延時DELAY1：MOV R2，#M2DELAY2：DEC A JNZ DELAY2DJNZ R2，DELAY1RETEND上述控制程序是利用程序延時來控制電機的通電時間（即形成控制脈沖）以達到正轉、反轉、啟動和停止的。這種控制的缺點是 CPU 因執行延時程序而降低了效率。為了提高 CPU 的使用效率，常常也可采用單片機內部定時/計數器編制上述程序。廣東環

27、境保護工程職業學院畢業論文（設計）總結21總總 結結隨著畢業設計的結束，我的大學生涯也將隨之要劃上一個句號了。在設計的這段日子里，又學到了很多東西，突然覺得自己做什么事情都特別的認真了起來，也許是以前從未認真做過一件事吧。每天守著一大堆資料，隨時還要上網查詢，有時為了查一個數據就要耗去近一個小時的時間，證實了卻又感到莫名地興奮與愉悅。整個設計過程都是那么的緊張、嚴緊。偶然間就回到了過去的學習深處，也就是在那里留下了我些許的遺憾和欣慰。遺憾里有后悔，有痛恨，曾經是那么的無知。欣慰的是事過境遷，深刻地認識了自己，一切改過還來的及。順利如期的完成本次設計給了我很大的信心，讓我了解專業知識的同時也對本

28、專業的發展前景充滿信心，無論給水系統還是排水系統，我都采用了一些新的技術和設備他們有著很多的優越性但也存在一定的不足這些不足在一定程度上限制了我們的創造力，這些不足正是我們去更好的研究更好的創造的最大動力，只有發現問題面對問題才有可能解決問題，不足和遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，本設計在王老師的悉心指導和嚴格要求下業已完成，從課題選擇到具體構思和內容，無不凝聚著老師的心血和汗水，在三年的專科學習和生活期間，也始終感受著導師的精心指導和無私的關懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。到一個多月后，就是我要離開大學殿堂的時候了，收獲的季節，我卻并沒有看累累碩果，但我會帶著一顆火熱而年輕的心上路，去尋找屬于我的那方熱土，奉獻我的熱血予需要我幫助的人，這也算是我今后的人生方向吧！致 謝大學三年學習時光已接近尾聲，在此我想對我的母校，我的父母、我的