第1章緒論1.1選題的背景意義單位時(shí)間內(nèi)流體通過一定橫截面積的量叫做流量。該量由流體的體積表示，稱為瞬時(shí)體積流量，簡稱體積流量。在流量質(zhì)量上稱為瞬間質(zhì)量流量，簡稱質(zhì)量記錄，該期間的流體體積流量或質(zhì)量流量的累計(jì)值稱為累計(jì)流量。測量在一定通道內(nèi)流動的流體的流量，統(tǒng)稱為流量測量。流量測量的流體有各種各樣的。例如，流體的流量、壓力和溫度有很大的不同。測定對象有液體、氣體和混合流體。這樣測量的精度也不同。因此，基于測量目的，針對所測定的流體的種類、流動狀態(tài)、測定場所等的測定條件，研究各自的測定方法，保證流量值的傳送正確。在各領(lǐng)域中流量的測量具有非常廣泛的應(yīng)用。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液體流量的精確測量有了新的手段。單片機(jī)豐富的硬件資源被充分利用，同時(shí)配上適當(dāng)?shù)臋z測接口電路，可精確測量由渦街流量傳感器輸出的代表流量大小的脈沖信號。由所用軟件來計(jì)算出流量，再用簡單的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多功能、高精度、高可靠性的液體流量檢測系統(tǒng)。對流體流量進(jìn)行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。通過本課題的研究，綜合運(yùn)用所學(xué)課程的基本知識，單獨(dú)進(jìn)行單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)工作，掌握單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)、分析和調(diào)試檢查。正確測量和調(diào)整流體流量是保證生產(chǎn)、閱讀和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低物質(zhì)消費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。液體流量的檢查和控制廣泛應(yīng)用于化工、能源電力、準(zhǔn)金、石油等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，企業(yè)為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，對產(chǎn)品有了更加嚴(yán)格的要求，使用水配料方面精度要求更高。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢17世紀(jì)，由托里拆利規(guī)定了差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)。這是流量測量的里程碑。此后，18、19世紀(jì)的流量測量開始出現(xiàn)了許多類型的儀器原型。例如，跟蹤器法、皮托管、文丘里管、容積、潤輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)制造業(yè)、能源測量、城市公共事業(yè)對流量測量的需求急劇增加，促進(jìn)了儀表的快速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍性發(fā)展極大地推動了儀表的更新，新型流量計(jì)如雨后春筍般出現(xiàn)。據(jù)說至今為止已經(jīng)有100種以上的流景計(jì)投入市場。我國現(xiàn)代流量測量技術(shù)的發(fā)展比較慢，初期所需的流量計(jì)均從國外進(jìn)口。中國的流量計(jì)制造業(yè)從上世紀(jì)30年代中期開始進(jìn)行儀表修理開始，到解放前后在上海、天津等沿海地區(qū)形成現(xiàn)代流量計(jì)的民族工業(yè)，在改革開放前，經(jīng)過模擬、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、自主研發(fā)過程，已經(jīng)整頓了規(guī)模，幾乎滿足了中度流量計(jì)的需求。改革開放以來，經(jīng)過技術(shù)引進(jìn)，與國際先進(jìn)技術(shù)企業(yè)的合資、合作、儀表性能和水平大幅度提高。近年來，國際主流企業(yè)紛紛在中國建設(shè)生產(chǎn)基地，研發(fā)能力和競爭因素也在增加。目前，中國流量計(jì)產(chǎn)品全面覆蓋所有行業(yè)，滿足各行業(yè)需求，技術(shù)創(chuàng)新較快，但產(chǎn)品生產(chǎn)過程仍有較大提高空間。1.3研究內(nèi)容及需要解決的問題本液體流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用傳感器和信號處理的基礎(chǔ)上，以單片機(jī)為核心控制液體流量，以達(dá)到液體流量的流速實(shí)時(shí)檢測和控制目的，液體流量控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是智能化、安全穩(wěn)定、低功耗，系統(tǒng)各個(gè)部分協(xié)同工作，滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)包括渦輪流量計(jì)、電動調(diào)節(jié)閥、按鍵部分、LCD顯示電路，當(dāng)流速高于或低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出信號并啟動液體流量控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)液體流量的穩(wěn)定控制。本文為實(shí)現(xiàn)在液體流量控制過程中，設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)，進(jìn)行液體流量流速的控制，來滿足現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)過程中對液體流量控制系統(tǒng)的精度以及工作要求的滿足。第2章液體流量控制整體方案2.1液體流量控制系統(tǒng)原則液體流量控制是為了檢測控制液體的流速，使流速保持一個(gè)需要應(yīng)用到的值，從而達(dá)到節(jié)約或精準(zhǔn)控制目的，化學(xué)反應(yīng)過程中，需控制物料投放速度（投料過快，放熱過大或副反應(yīng)增多；投料過慢，其中物料會相互反應(yīng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量）；可知流量的最大值、最小值，便于工藝設(shè)計(jì)和工藝控制。2.2總體方案描述根據(jù)方案分析及電路的性質(zhì)、控制目的，確定下面的方案：1）檢測并顯示當(dāng)前液體的流速，并可以設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)流速值。2）當(dāng)液體流速低于標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)用蜂鳴器鳴響報(bào)警，警示燈亮，電動調(diào)節(jié)閥的閥門開合增大，高于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值報(bào)警，系統(tǒng)用蜂鳴器鳴響報(bào)警，警示燈亮，電動調(diào)節(jié)閥的閥門開合變小。3）液體流速達(dá)到設(shè)定值，蜂鳴器停止報(bào)警，警示燈熄滅，控制電動調(diào)節(jié)閥以額定功率運(yùn)行，系統(tǒng)正常工作。如圖2.2所示，液體流量控制系統(tǒng)是由水泵，電動調(diào)節(jié)閥，渦輪流量計(jì)，管道組成的。水泵工作將水傳入管道中，再由渦輪流量計(jì)測量計(jì)算出瞬時(shí)流量，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)中，通過流量控制裝置設(shè)定流速預(yù)設(shè)值、讀取由渦輪流量計(jì)測量的流量信號、控制電動調(diào)節(jié)閥工作。圖2.2液體流量控制系統(tǒng)2.3顯示模塊方案一：選用LCD12864液晶顯示屏，LCD12864是128*64分辨率的點(diǎn)陣。它的優(yōu)點(diǎn)：功耗低、體積嬌小不占面積、重量輕，超薄等。它的缺點(diǎn)：LCD12864液晶信息顯示較大，相對來說電路與程序都比較復(fù)雜、成本相對高。方案二：選用LCD1602液晶顯示屏，它的優(yōu)點(diǎn)：字符型液晶，所展示的字母和數(shù)字比較方便、控制簡單、成本較低。缺點(diǎn)：顯示的字體不能大小有限制、不能顯示所需要表現(xiàn)出來的圖形等、并且它不能顯示曲線。分析比較，因?yàn)轱@示的流量不涉及圖形、曲線的顯示，LCD1602就可以滿足條件，并且LCD1602價(jià)格親民，控制簡單，所以選擇方案二。2.4流量計(jì)選型在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，流量計(jì)是常見儀表，被廣泛使用于醫(yī)藥、化工、食品等領(lǐng)域。流量計(jì)的測量精度，直接影響產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)品生產(chǎn)的所需要消耗的能源，因此，流量計(jì)是可以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和其操作水平的重要手段?，F(xiàn)在一般的流量計(jì)根據(jù)測定結(jié)果分為體積流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)兩類。由于質(zhì)量流量計(jì)的價(jià)格高、體積大、安裝環(huán)境嚴(yán)格等特點(diǎn)，因此本文主要選擇體積流量計(jì)。不同流量計(jì)具有不同的設(shè)置條件、測量精度和適用環(huán)境，在工業(yè)自動化系統(tǒng)的建設(shè)中尤其重要的是正確選擇合理的經(jīng)濟(jì)流量計(jì)。在一般的工業(yè)現(xiàn)場，除了選擇流量計(jì)，根據(jù)測定出的液體體的物性和流動狀況、作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境限制等條件選擇適當(dāng)?shù)牧髁坑?jì)。還要特別注意流量計(jì)的安全性和可靠性即使流量計(jì)發(fā)生故障，也要確保不會影響系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備，影響生產(chǎn)安全。另外，在選定流量計(jì)時(shí)，需要特別注意對精度等級的要求。流量計(jì)的重要條件之一是檢測精度高，再現(xiàn)性好。但是，在工業(yè)現(xiàn)場，并非越高精度的流量計(jì)越適用。實(shí)現(xiàn)流量計(jì)檢測高精度的同時(shí)，流量計(jì)檢測靈敏度同樣得到提高，如果工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境狀況復(fù)雜多變，由環(huán)境因素帶來的誤差也會被放大。并且高精度流量計(jì)的選用，也意味著設(shè)備建設(shè)成本的提高。因此，在實(shí)際選用中，一定要綜合考慮，而不可盲目地追求流量計(jì)的高性能。2.5閥門選型閥門作為工業(yè)生產(chǎn)中流體管路的控制裝置在系統(tǒng)中起著不可缺少的作用。其主要功能是調(diào)節(jié)軟管中的液體狀態(tài)。例如，流動、截?cái)唷⒘魉?、壓力等。起到切斷、隔離、消除壓力等作用。閥門有著無法取代工業(yè)生產(chǎn)的重要地位。特別是在化工、石油等行業(yè)，其介質(zhì)具有可燃性、爆炸性、強(qiáng)腐蝕性、有毒性等特點(diǎn)。閥門能否勝任可靠的工作會影響勞動者的健康、企業(yè)的收益、環(huán)境污染等問題。因此，選擇科學(xué)合理的閥門是非常重要的過程，不僅能安全生產(chǎn)，還能降低生產(chǎn)成本。在很多閥門的種類和型號中，正確選擇生產(chǎn)管道所需的閥門，首先請理解閥門的特性。閥門技術(shù)的先進(jìn)度，質(zhì)量的可靠性，密封性，動作的靈敏度等。然后理解測定出的液體的物性，選擇適當(dāng)?shù)拈y體材質(zhì)。最后也要考慮經(jīng)濟(jì)性。包括價(jià)格、售后服務(wù)等。2.6泵選型泵的種類很多，應(yīng)用范圍很廣。在日常生活中，水泵經(jīng)常被用于生活用水、排污等工作。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，水泵經(jīng)常用于灌溉、蓄水、排水等工作。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，用于管道的液體輸送式加壓、填充等。但是，無論在哪個(gè)領(lǐng)域，為了長期且穩(wěn)定地確保必要的功能，需要對泵進(jìn)行可靠性、安全性、高效率、低能消耗等要求，特殊情況下也需要耐腐蝕性、防爆性等要求。不同的泵具有不同的性能特性，所以選擇泵時(shí)請一定選擇適合自己的泵類型和泵材質(zhì)。重的話會引起人身安全事故?，F(xiàn)在產(chǎn)品的技術(shù)要求越來越復(fù)雜了。主要使用的還是離心泵。離心泵如其名，是利用離心力輸送液體，基于離心力原理設(shè)計(jì)的泵。離心泵在啟動前必須滿足輸送到泵和入口管中的液體，使其處于真空狀態(tài)。否則離心泵不能正常工作。離心泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)的話，葉輪的中心部分變成真空區(qū)域，入口的管中的液體在真空中產(chǎn)生的差壓作用可以進(jìn)入離心泵內(nèi)。這樣循環(huán)，液體也被連續(xù)吸入擠壓，實(shí)現(xiàn)液體的連續(xù)輸送。在一般的工業(yè)現(xiàn)場，選擇離心泵時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的要求、生產(chǎn)環(huán)境的限制等條件，主要可以根據(jù)以下四個(gè)原則選擇類型。（1）泵的額定參數(shù)必須符合產(chǎn)品生產(chǎn)流程的要求。額定功率、額定流量、供電電壓、額定功率等。（2）泵的材料要求，例如泵材料、葉輪材料。在這里考慮泵的耐腐蝕性和壽命等。（3）泵工作的重點(diǎn)要求，一般來說，選擇的泵在工作中長期在有效區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)和功能效果。第3章硬件設(shè)計(jì)3.1液體流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)液體的流速由流量傳感器收集，并將流量信息傳送給宏處理器。宏處理器分析通過系統(tǒng)軟件的控制輸入的數(shù)據(jù)，向外部輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)LED顯示。在LED數(shù)字管上顯示動態(tài)流量的同時(shí)，在流量超過設(shè)定的上下限范圍的情況下，在警報(bào)電路中產(chǎn)生聲光警報(bào)信號，流量不在正常范圍內(nèi)，進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)軟件主要包含主程序、顯示程序等主程序啟動的子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，子例程實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的具體功能。3.2主控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：按鍵電源單片機(jī)LCD顯示、蜂鳴按鍵電源單片機(jī)LCD顯示、蜂鳴復(fù)位電路時(shí)鐘電路流量傳感器報(bào)警電路電動調(diào)節(jié)閥3.2.1AT89C51單片機(jī)在本設(shè)計(jì)中，宏處理器作為整體液體流量控制的中央處理器，是儀表整體的核心部分。綜合考慮宏處理器的運(yùn)算能力、控制能力、數(shù)據(jù)收集能力、高速緩存能力、消耗功率等。經(jīng)過篩選，ATMEL的AT89C51單片機(jī)從多個(gè)候選類型中挑選出，并被確定為液體流量控制系統(tǒng)的中央處理器。AT89C51單片機(jī)價(jià)格相對較高，在電子行業(yè)中，該單片機(jī)具有很廣泛的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，完全滿足液體流量控制器的數(shù)據(jù)收集和控制的需要，AT89C51具有足夠的內(nèi)外部中斷和高精度的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，滿足對液體流量控制精度的要求。圖3.2.1AT89C51引腳圖端口引腳功能特性P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INTO（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入口）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入口）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）XTAL1內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入及反向振蕩放大器的輸入XTAL2來自反向振蕩器的輸出VCC/GND供電電源AT89C51結(jié)構(gòu)框圖如圖3.6所示：圖3.2.2AT89C51結(jié)構(gòu)框圖3.2.2流量測量模塊根據(jù)本文提出的流量計(jì)選擇原則，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場液體流量檢測常用流量計(jì)的選擇情況進(jìn)行了調(diào)查。本設(shè)計(jì)使用最具代表性的渦輪流量計(jì)作為液體體積流量測量的直接儀器。渦輪流量計(jì)是工業(yè)現(xiàn)場常用的速度流量計(jì)。從機(jī)械構(gòu)造來說，渦輪流量計(jì)的構(gòu)造比較簡單，體積小，便于安裝和維護(hù)。從使用性能來說，渦輪流量計(jì)的測量范圍很大，一般范圍比達(dá)到1:10?？梢酝瑫r(shí)擁有高精度等級和高重復(fù)性等級。一般來說，渦輪流量計(jì)在對低粘度純凈液體流量測量時(shí)可得到最佳性能。為了更加深入地理解渦輪流量計(jì)的工作原理和不確定度影響因素，以實(shí)現(xiàn)渦輪流量計(jì)合理準(zhǔn)確地使用，首先從機(jī)械結(jié)構(gòu)去了解渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3.2.3渦輪流量計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖根據(jù)這個(gè)，在設(shè)置渦輪流量計(jì)的時(shí)候，可以知道為什么需要長短范圍的長度。只有正確地在管道中設(shè)置渦輪流量計(jì)，渦輪流量計(jì)的螺旋槳才能在流體進(jìn)入時(shí)正確地旋轉(zhuǎn)。安裝在渦輪流量計(jì)殼體上的傳感器產(chǎn)生電磁場。由導(dǎo)磁性材料制成的葉輪在旋轉(zhuǎn)期間切斷電磁磁力線，改變傳感器線圈的磁通量，經(jīng)過傳感器中的電路的接收、變換、放大、整形，向外部輸出基于TTL電平的連續(xù)脈沖信號。傳感器線圈磁通量的變化頻率與葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪數(shù)有關(guān)，所以葉輪轉(zhuǎn)速與液體流量有關(guān)。以此方式，將連續(xù)脈沖信號與單片機(jī)相關(guān)聯(lián)。工作時(shí)，單片機(jī)接收基于從渦輪流量計(jì)傳送的TTL電平的連續(xù)脈沖信號，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的脈沖計(jì)數(shù)。在外部時(shí)鐘的正確定時(shí)可以得到脈沖頻率值。渦輪流量計(jì)在出廠前在常溫下測量水介質(zhì)的儀表系數(shù)。計(jì)量器系數(shù)是通過渦輪流量計(jì)單位的體積液體產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。脈沖頻率和渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)可以通過渦輪流量計(jì)計(jì)算液體的瞬時(shí)體積流量。如果要完成整個(gè)生產(chǎn)所記錄的脈沖總數(shù)計(jì)算，則可獲得液體的累計(jì)流量。渦輪流量計(jì)液體的瞬時(shí)體積流量具體可按公式計(jì)算：Qv=f/K其中：Qv——渦輪流量計(jì)測得的液體瞬時(shí)體積流量，m3/h；f——渦輪流量計(jì)測得的脈沖頻率；K——渦輪流量計(jì)儀表系數(shù)，（m3）-1或L-1。在生產(chǎn)生活中，一般以質(zhì)量流量為基準(zhǔn)。因此，取得體積流量后，需要進(jìn)一步計(jì)算。通過公式可以得到液體的質(zhì)量流量：Qm=pQv其中：Qm——渦輪流量計(jì)測得的液體瞬時(shí)質(zhì)量流量，t/h；p——工況條件下液體的密度，kg/m3。一般來說，基于渦輪流量計(jì)輸出的TTL電平的連續(xù)脈沖信號已經(jīng)處理完畢，考慮到工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜情況，液體流量控制可能無法安裝在渦輪流量計(jì)的相對接近位置。為了消除長距離信號傳輸時(shí)的攝動，如圖所示，示出了帶有光電分離的渦輪流量計(jì)流量測量電路的原理圖。圖3.2.2渦輪流量計(jì)測量電路原理圖使用渦輪流量計(jì)時(shí)，必須在范圍內(nèi)使用。否則儀表的系數(shù)會有很大的變化。如圖所示，顯示了渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)和流量的關(guān)系曲線。渦輪流量計(jì)K-qv特性曲線可以看出，發(fā)現(xiàn)液體在管中流動，根據(jù)流動狀態(tài)分為兩個(gè)區(qū)域：層流區(qū)域和湍流區(qū)域。在層流區(qū)域，流量越大，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)越大。在湍流區(qū)域，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)基本保持穩(wěn)定值。在層流區(qū)域和湍流區(qū)域的邊界點(diǎn)，渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)在此顯示峰值。3.2.3流量控制模塊根據(jù)本文所給出的流量計(jì)選型原則，結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場液體流量檢測常用流量計(jì)的選擇情況。在液體流量控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用能夠根據(jù)控制信號自動調(diào)節(jié)的電動調(diào)節(jié)閥門。（1）電動調(diào)節(jié)閥選型選擇電動調(diào)節(jié)閥時(shí)要依靠一系列的技術(shù)參數(shù)，最基本的技術(shù)參數(shù)包括：型號、口徑、壓力和連接方式等。主要的技術(shù)參數(shù)有：工作電壓、控制信號型式和介質(zhì)類型與溫度等。在本文設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)中，最終選擇上海萬訊儀表有限公司生產(chǎn)的QSTP型號的電動調(diào)節(jié)閥，口徑為20mm，螺紋連接型式。能對蒸汽或冷熱水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，廣泛應(yīng)用于水處理、采暖、中央空調(diào)、工業(yè)加工業(yè)等系統(tǒng)的流體控制。其特點(diǎn)包括：①執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼用塑料材質(zhì)，內(nèi)部支架用鑄鋁材質(zhì)，總重量輕，體積小巧；②驅(qū)動裝置帶有永磁同步電機(jī)，并伴隨磁滯離合機(jī)構(gòu)，能夠自我保護(hù)；③控制信號：電流信號（4~20mA）；④4~20mA反饋信號；⑤傳動齒輪采用金屬材質(zhì)，電動調(diào)節(jié)閥的使用壽命較長；⑥運(yùn)行時(shí)消耗的功率較低、產(chǎn)生的噪音較小、驅(qū)動裝置輸出的力矩較大；⑦閥體有鑄銅和鑄鐵等材質(zhì)，適合工作于不同場合。由于QSTP型電動調(diào)節(jié)閥具有以上的特點(diǎn)，這里選擇4~20m電流控制信號，單片機(jī)輸出電壓到GP8102，由GP8102將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，這樣可以更加方便的調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥門的開度。（2）電動調(diào)節(jié)閥的工作原理電動調(diào)整閥的動作原理是，致動器接收來自控制器的電流控制信號，通過內(nèi)部比例積分程序輸出對應(yīng)大小的推力調(diào)整閥桿，一邊打開閥門使其對應(yīng)的開度，一邊將閥門的實(shí)際開度信號返回控制器判定是否達(dá)到目標(biāo)開度。圖中示出了操作原理的框圖。電動調(diào)整閥是液體流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收到的信號是4～20mA的電流信號，在模擬中無法模擬實(shí)際的電動調(diào)整閥，因此需要用其他元件代替。由于電動調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動裝置是直流馬達(dá)，所以用微機(jī)控制電氣調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)際上控制直流馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)。動作原理：當(dāng)單片機(jī)將從流量傳感器測得的信號Ii發(fā)送到控制器時(shí)，位置傳感器所代表的電流If傳入，與進(jìn)入控制器的目標(biāo)位置信號Ii進(jìn)行比較而得到的差ΔI（ΔI＝ΣI-If）中，差值信號“ΔI>0”使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過機(jī)械減速器減速后，增加輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置通過位置發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的反饋電流，經(jīng)由位置傳感器反饋給控制器，馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)直至△I＝0，輸出軸穩(wěn)定在與輸入信號對應(yīng)的位置。相反，在△I<0的情況下，當(dāng)伺服電動機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度減小，If也相應(yīng)減少，在△I＝0的情況下，馬達(dá)停止旋轉(zhuǎn)，輸出軸穩(wěn)定在其他新位置。如圖3.2.3所示，輸出軸的旋轉(zhuǎn)角θ輸入信號Ii之間具有一個(gè)對應(yīng)的線性關(guān)系，其靜態(tài)傳遞系數(shù)K為5.625℃/mA。這正是電氣執(zhí)行機(jī)關(guān)檢查時(shí)的重要性能指標(biāo)。圖3.2.3電動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靜態(tài)特性3.3顯示電路LCD602液晶顯示器現(xiàn)在使用相對多的文字型液晶顯示模塊。在PCB基板上安裝有文字型液晶顯示器（LCD）、主電路HD44780以及其擴(kuò)展驅(qū)動電路HD44100，以及少量的電阻、電容元件、結(jié)構(gòu)部件等。各引腳的功能介紹如下：端口引腳功能特性引腳1VSS為地電源。引腳2VDD接5V正電源。引腳3VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，過高時(shí)會產(chǎn)生鬼影現(xiàn)象，可以通過一個(gè)10kQ的電位器調(diào)整其對比度。引腳4RS為寄存器選擇腳，高電平時(shí)用數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)用指令寄存器。引腳5R/W為讀/寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示地址；當(dāng)RS為低電平，R/W為高電平時(shí)，可以讀忙信號；當(dāng)RS為高電平，R/W為低電平時(shí)，可以寫入數(shù)據(jù)。引腳6E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。引腳7~14D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。引腳15背光源正極引腳16背光源負(fù)極3.4蜂鳴器電路蜂鳴器能將HYPERLINK"/app/790"\t"/dianzichangshi/_blank"音頻信號轉(zhuǎn)化為聲音信號的一種元件，蜂鳴器主要用于提示或報(bào)警，根據(jù)設(shè)計(jì)和用途的不同，能發(fā)出音樂聲、汽笛聲、蜂鳴聲、警報(bào)聲、電鈴聲等各種不同的聲音。在這里，當(dāng)液體的流速到達(dá)所設(shè)定的上下限值時(shí)，蜂鳴器響起，發(fā)出報(bào)警的作用。3.5按鍵電路本系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)本系統(tǒng)通過四個(gè)按鍵，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位、標(biāo)準(zhǔn)流量的設(shè)定與調(diào)整，分別是S1鍵復(fù)位，S2鍵用來將要設(shè)定的流量提高0.1m3/h，S3鍵用來將要設(shè)定的流量降低0.1m3/h，S4選擇確認(rèn)鍵用來切換上下限流量限度并確認(rèn)設(shè)置，如圖所示。3.6測量電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是液體流量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，對于液體流量控制系統(tǒng)的流速測量部分，在系統(tǒng)仿真模擬中，無法表示渦輪流量計(jì)，其電路在本文中采用模擬流速，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，這里用滑動變阻器改變滑動變阻器電阻來表示管道內(nèi)的水流速。3.7復(fù)位電路復(fù)位是為了初始化單片機(jī)的操作。單片機(jī)準(zhǔn)備啟動時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作，目的是清除單片機(jī)之前的工作記憶，使單片機(jī)能夠從初始狀態(tài)進(jìn)入工作。因此，在所有操作程序中復(fù)位操作是最基本的操作。但是單片機(jī)本身不能完成復(fù)位操作，它需要與外部電路來共同完成復(fù)位操作。根據(jù)具體要求，上電復(fù)位和手動復(fù)位是常用的兩種復(fù)位操作方式，而且當(dāng)實(shí)際復(fù)位電路中共同存在這兩種復(fù)位方式時(shí)，對單片機(jī)可以起到雙重的保護(hù)作用，對控制系統(tǒng)而言，可以做到更加可靠的控制。因此，在本文設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)硬件電路中采用上述兩種方式對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位操作，如圖3.7所示。圖3.7復(fù)位電路上電復(fù)位：在電容開始充電的過程中，處理器在通電的瞬間開始對電容進(jìn)行充電。此時(shí)，可以將電容視為導(dǎo)線。將電阻和開關(guān)短路，將復(fù)位直接連接到高電平，實(shí)現(xiàn)自動復(fù)位。當(dāng)電容電壓上升到等于電源供給電壓時(shí)，電容的電線相當(dāng)于開路狀態(tài)，此時(shí)復(fù)位引腳電平變低，程序恢復(fù)正常運(yùn)行。手動復(fù)位：實(shí)際按下復(fù)位按鈕可完成復(fù)位操作。程序運(yùn)行時(shí)，按重置鍵，RST與高電平導(dǎo)通，進(jìn)行復(fù)位操作。同時(shí)電解電容器C4被短路，放電到外面。松開復(fù)位按鈕后，電源開始充電電容，充電時(shí)的RST將保持在高電平，復(fù)位操作一直在進(jìn)行。復(fù)位操作將停止，直至電容充電，程序?qū)⒄＿\(yùn)行。3.8時(shí)鐘電路來自時(shí)鐘電路的脈沖信號控制AT89C51的操作節(jié)奏，并且AT89C51可以以內(nèi)部和外部兩種方式產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號。如圖3.8所示，本文設(shè)計(jì)的液體流量系統(tǒng)控制器使用內(nèi)部時(shí)鐘。XTAL1和XTAL2與外部的結(jié)晶振蕩器（以下稱為晶片）連接，在單片機(jī)內(nèi)設(shè)置有高增益的反轉(zhuǎn)放大器，構(gòu)成自激式振蕩器通過生成振蕩的時(shí)鐘脈沖信號并發(fā)送到芯片的內(nèi)部時(shí)鐘電路，構(gòu)成內(nèi)部振蕩方式。圖3.8時(shí)鐘電路圖3.8的X1為晶片，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能和電能的相互變換，在系統(tǒng)諧振時(shí)正常工作。電路設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇1.2～12MHz的振動頻率的晶片，但一般使用的是6MHz和12MHz的振動頻率的晶片。理論上，由于X1的振蕩頻率越高，時(shí)鐘電路的操作頻率越高，AT89C51的實(shí)際操作速度越快，所以本文設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)的控制器時(shí)鐘電路選擇12MHz的振蕩頻率的晶片。圖3.8中的C2和C3是諧振容量，并且使用這兩個(gè)電容值來稍微調(diào)整頻率以滿足系統(tǒng)要求。當(dāng)選擇12MHz的振蕩頻率的晶片時(shí)，電容器C2和C3的值可以在5~30pF之間選擇，這里設(shè)計(jì)的液體流量控制系統(tǒng)的時(shí)鐘電路選擇30pF容量。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完美的液體流量控制系統(tǒng)不僅需要合理的硬件基礎(chǔ)，還需要科學(xué)的軟件支持，在軟件中體現(xiàn)控制方法和控制策略。液體流量控制器最終使用的精度和穩(wěn)定性是軟硬件的兩部分組合的結(jié)果。在液體流量控制器的軟件設(shè)計(jì)中，采用了基于Keil軟件開發(fā)平臺的C語言編程方式。C語言在軟件編寫中比較常見，具有其豐富的操作符，嚴(yán)格程序結(jié)構(gòu)，便于閱讀，是一種應(yīng)用比較廣泛的高級程序語言。C語言不是某領(lǐng)域的專用程序語言，具有較強(qiáng)的通用性，能夠針對各種軟件任務(wù)編寫相應(yīng)的軟件代碼，實(shí)現(xiàn)用戶所需的功能要求。從維護(hù)上來說，由于C語言是一種較為基礎(chǔ)的程序語言，一般程序員都會在入門時(shí)接觸該語言，能夠輕易讀懂C語言程序代碼，并能根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件升級功能，減少新程序語言學(xué)習(xí)周期，加快程序更新速度。液體流量控制儀的軟件采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。4.1程序設(shè)計(jì)程序部分主要包括：主程序、渦輪流量計(jì)初始化、LCD1602液晶初始化、流量的讀取與顯示、報(bào)警部分、定時(shí)器初始化等幾個(gè)部分，程序的邏輯框圖如下：4.2按鍵模塊程序會根據(jù)所設(shè)定的上下限值范圍，來對所需要的流速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，并與流量的實(shí)際值進(jìn)行比較。4.3控制模塊程序會將設(shè)定的預(yù)期流量與傳感器檢測的流量進(jìn)行對比，然后進(jìn)行PID運(yùn)算調(diào)節(jié)，輸出電流信號，控制電動調(diào)節(jié)閥閥門開合度，進(jìn)行液體的流速的控制，之后對運(yùn)行周期進(jìn)行比較，若運(yùn)行周期大于調(diào)節(jié)時(shí)間，反復(fù)進(jìn)行以上操作，若周期小于調(diào)節(jié)時(shí)間，則對周期進(jìn)行延時(shí)。4.4PID運(yùn)算設(shè)計(jì)在工程實(shí)際中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)則作為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，也稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器登場已有近70年的歷史。其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠，協(xié)調(diào)方便，是工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。應(yīng)用PID控制技術(shù)是最方便的。也就是說，如果沒有完全理解系統(tǒng)和被控制物體，或者不能通過有效的測量手段獲得系統(tǒng)參數(shù)，則最適合使用PID控制技術(shù)。（1）比例P控制比例控制是最簡單的控制方式。該控制器的輸出與輸入誤差信號成比例。僅在比例控制的情況下，系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)定誤差。（2）積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成比例。該控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)存在穩(wěn)定狀態(tài)誤差時(shí)，存在穩(wěn)定狀態(tài)誤差或簡單的差分系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，控制器必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)的誤差取決于時(shí)間的積分，積分項(xiàng)隨著時(shí)間的增加而增加。即使誤差如此小，積分項(xiàng)也隨著時(shí)間的增加而增大，以促進(jìn)控制器的輸出增加，并且進(jìn)一步減小，直到穩(wěn)定誤差等于零。因此，當(dāng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，比例積分（PI）控制器可以使得系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成比例。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)整期間可能發(fā)生振動或不穩(wěn)定。其原因是由于有大的慣性部件（環(huán)節(jié)）或滯回性成分，所以有抑制誤差的作用，其變化總是延遲于誤差的變化。解決方法是使抑制誤差的作用的變化為“超前”，即當(dāng)誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用應(yīng)該為零。也就是說，只是在控制器中導(dǎo)入“比例”項(xiàng)目的話很多情況下是不夠的，比例項(xiàng)的作用只是放大誤差的幅度，現(xiàn)在需要增加的是“微分項(xiàng)”，可以預(yù)測誤差變化的傾向。避免了控制量較重的過沖。因此，對于具有大慣性或滯后的受控對象，比例導(dǎo)數(shù)（PD）控制器可以改進(jìn)正在調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的動態(tài)特性。被測參數(shù)采樣周期T備注流量1~5s優(yōu)先選用2s壓力3~10s優(yōu)先選用8s液位6~8s優(yōu)先選用7s溫度5~20s優(yōu)先選用純滯后時(shí)間成分15~20s優(yōu)先選用18s位置10~50ms優(yōu)先選用30ms根據(jù)查表得，采樣周期為2s。采用MATLAB中的SIMLINK對本系統(tǒng)進(jìn)行仿真。首先在SIMLINK中搭建系統(tǒng)的模型圖，如圖4.4所示。圖4.4SimLink中搭建的系統(tǒng)模型圖經(jīng)過調(diào)試，確定PID參數(shù)，定PID參數(shù)為：Kp=40，Ki=0.5，Kd=125。第5章軟件仿真5.1仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2仿真結(jié)果當(dāng)仿真開始的時(shí)候，通過開關(guān)設(shè)置需要控制流速的上下限報(bào)警值，上限為6.5m3/h，下限為5.5m3/h，仿真結(jié)果如圖所示：可以