氨冷却器出口温度控制系统的设计.doc
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1、 本科生课程设计(论文) 辽 宁 工 业 大 学 智能仪器原理与设计 课程设计(论文) 题目: 微型衡压供水控制器 院(系): 专业班级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 起止时间: 课程设计(论文)任务及评语院(系): 教研室:学 号学生姓名专业班级设计题目微型衡压供水控制器课程设计(论文)任务设计任务设计一款微型衡压供水控制器,可应根据用户需求设定管道压力,当管道压力低于设定值时,增加管道上的压力泵数量,当压力高于设定值时,减少管道上压力泵的数量,同时系统可以显示当前时间。设计内容及要求1、检测管道上的压力,选择相应传感器,设计相应电路;2、预设管道上有4个的压力泵;3、系统能够提供当前
2、时间;4、设计4个按键,用于设置相应参数;5、采用1602液晶显示器分别显示压力设定值、当前管道压力和系统时间。6、对测试的数据进行分析;7、完成任务书的编写(包括:摘要、绪论、方案论证、硬件电路设计、软件设计、参数分析、总结、参考文献等几部分),字数应在4000字以上;8、尽可能降低设计中的硬件成本。参数指标1、压力检测范围:0.1MPa0.5MPa,检测精度0.01MPa;2、压力泵选用220V/3KW。工作计划1、布置任务,查阅资料,理解掌握系统的设计要求。(2天)2、确定系统的设计方案,选择控制核心和外围器件。(1天)3、确定硬件电路。(1天)4、按系统的要求,设计系统软件流程,并编写
3、程序。(3天)5、上机调试、修改程序、答辩。(2天)6、撰写、打印设计说明书(1天)指导教师评语及成绩平时: 论文质量: 答辩: 指导教师签字: 总成绩: 年 月 日注:成绩:平时20%、论文质量60%、答辩20%,以百分制计算 摘要恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时,出口压力保持不变的供水方式,供水压力值是根据用户需求确定的。 针对本系统水泵多、水泵工作方式多, 要求供水压力稳定等特点,本文利用单片机、压力传感、A/D转换器、D/A转换器、变频器等器件的有机组合,设计了一种新型恒压变频供水自动控制系统。该系统是以AT89C51单片机为核心,通过单片机在LCD1602上显示当前时间、管道
4、当前压力值、压力设定值,同时也通过单片机控制电机转速和水泵的启动个数来改变管道压力,使供水系统自动稳于设定的压力值。关键字:恒压供水、压力设定值、单片机、LCD1602 目录第1章 绪论1第2章 方案论证22.1 方案比较与论证22.2 系统整体方案的确立4第3章 硬件设计53.1 单片机AT89C51模块53.2 水管压力测量模块63.3 按键接口模块63.4 A/D转换模块73.5 D/A转换模块83.6 显示模块93.7 稳压电源模块9第4章 软件设计10第5章 误差分析11第6章 课程设计总结12附录14附录15附录23 第1章 绪论水已经成为中国21世纪的热点问题,水有其自然属性,它
5、既是一种特殊的、不可替换的资源,又是一种可重复使用、可再生的资源;水又有其经济和社会属性,不仅工业、农业的发展要靠水,水更是城市发展、人民生活的生命线。近年来,随着居民区的不断扩建与改造,楼房层数的不断加高,我国居民用水难问题越来越突出,特别是高层建筑居民,原有的自来水管网的压力出现不足,大部分地区普遍存在着用水高峰期高层供不上水,高层居民经常出现用水难问题,给生活带来极大不便。这种用水难问题在大城市表现尤为突出。随着高层建筑层数的不断加高,高层居民经常出现用水难问题。针对上述问题,本文研制了变频调速恒压供水系统,该系统是以管网水压为设定参数,通过控制变频器的输出频率从而自动调节水泵电机的转速
6、,实现管网水压的闭环调节(PID),使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时,频率升高,水泵转速加快,供水量相应增大,当用水量超过一台泵的供水量时,通过控制器加泵;用水量减少时,频率降低,水泵转速减慢,供水量相应减小。也就是根据用水量的大小,由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速,来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水,供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱,水塔,水质无二次污染,是一种理想的现代化建筑供水方案。此外,恒压供水系统对于某些上业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响产品质量,严重时使产品报废和设备损
7、坏。又如发生火灾时,若供水压力不足或无水供应,不能迅速灭火,可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以,某些用水区采用恒压供水系统,具有较大的经济和社会意义。 第2章 方案论证2.1 方案比较与论证方案一整个系统是以80C196为核心构成控制器,将设定值与压力反馈值进行PID运算。系统通过压力传感器将电器部分与泵组联系起来,构成闭环系统。运算结果以0-10v的电压信号输给变频器,实现恒压供水,其原理框图如图2.1所示。 图2.1 方案一原理框图 方案二整个系统的具体工作流程为:系统通过安装在出水总管上的压力传感器,将供水管网的非电量信号(动态压力)转变成电信号,输入至供水控制器的输入模块,信号经单片
8、机运算处理后与设定的信号进行比较运算,得出偏差值,再经过PID处理得出最佳的运行工况参数,并将其转换成模拟信号,由系统的输出部分输出变频器的频率设定值至变频调速器,变频调速器控制水泵的转数来调节管网内的实际压力值趋向于设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式,控制器控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况,并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否己达到设定压力,决定是否增加或减少水泵。即:当一台水泵工作频率达到最高频率时,若管网水压仍达不到预设水压,则将启动下一台水泵,直至满足设定压力要求为止。反之,若管网水压大于预设水压,控制器
9、控制变频器频率降低,使变频泵转速降低,当频率低于下限时自动切掉一台水泵,始终使管网水压保待恒定。总之,系统可根据用户用水量的变化,自动确定泵组的水泵的循坏运行,以提高系统的稳定性及供水的质量。系统系统由变频器、控制器、传感器、四个水泵电机及相关电气控制设备集成而成。 泵 变频器 显示器D/A转换压力传感器A/D转换 AT89C51 按键 图2.2 系统原理框图 方案三由专用变频器与PLC组成的恒压供水系统,其原理框图如2.3所示,这类变频器的功能虽然强一些,但是价格比通用变频器却要高很多。此种类型供水设备的花费不光体现在变频器上,还体现在PLC上,市场上PLC的价格也要高于单片机的价格。使其工
10、作时需要专业人员通过变频器的控制面板,在变频器的PID选项中选择合适的PID参数,再经过现场调试校正,设备才可以正常运行。整个操作过程都必须有专业人员的界入。因此,通用性不好,这是这种变频恒压供水方案的另外一个缺点。综上所述,其有下面两个缺点。1价格比较昂贵,不适合小型用户的使用。2调试不方便,需要专业人事到现场进行调试,这也增加了人力的投入资本。 图2.3 方案三原理框图2.2 系统整体方案的确立 根据以上三个方案的比较论证,本文将采用方案二,其原理框图如图2.2所示。方案二采用压力传感器反馈电压信号(0-5V)至变频器中央处理器(MCU),经PID控制组成闭环控制系统。其输出频率的大小由作
11、用MCU处理器控制,使电机的转速自动增加或降低;当变频主电机由变频器拖动运行至最大频率,压力如还不能达到设定的压力值,则MCU自动启动定频副电机,以期保持供水压力恒定。这样不但减小了电动机的无功功率,而且提高了水泵的工作效率,节约了能源。采用变频控制方式;其操作方便,无须手动调节进水阀门;启动噪音低,由于启动电流很小,减小了对电网的冲击,保护了用电设备。而且其系统实现起来比较简单,并且系统价格相对来说也比较便宜,所以本次设计将采用方案二。 针对该系统要求测量管道压力,所以需要压力传感器,压力传感器作为检测压力元件,安装在管网中,用来检测管网压力的高低。由于本文要求压力检测范围为0.1MPa0.
12、5MPa,检测精度0.01MPa,所以本系统选用量程为00.8MPa,输出420mA标准电流信号的如图2.4所示的CYYB-120系列压力变送器。 图2.4 CYYB-120压力传感器 第3章 硬件设计本系统主要分为7个单元模块,它们分别是:单片机AT89C51、水管压力测量模块、按键接口模块、A/D转换模块、D/A转换模块、显示模块、稳压电源模块。3.1 单片机AT89C51模块AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含4Kbytes的可反复察写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储
13、器技术生产,兼容MCS-51的指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大。AT89C51引脚图如图3.1所示: 图3.1 AT89C51引脚图单片机中的时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号,单片机本身就是一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2,在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容,形成反馈电路,构成一个稳定的自激振荡
14、器。单片机工作的速度是由时钟电路提供的。在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间,接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中的器件选择可以通过计算和实验确定,也可以参考一些典型电路的参数。电路中电容C1和C2对振荡频率有微调作用,通常的取值范围3010pF;石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。其结果只是机器周期时间不同,影响记数器的记数初值和运算速度。3.2 水管压力测量模块 图3.2 水管压力测量电路要测量出水管的电压就需要压力传感器。本次设计采用压电传感器来测量水管压力。压阻式传感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器。当它受到压力作用时,应变元件的电阻发生变化,从而使输出电压
15、发生变化。一般压阻式传感器是在硅膜片上做成四个等值的电阻的应变元件,构成惠斯特电桥。当受到压力作用时,一对桥臂的电阻变大,而另一对桥臂电阻变小,电桥失去平衡,输出一个与压力成正比的电压。由于硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏系数大50-100倍,故硅压阻式压力传感器的满量程输出可达几十毫伏至二百多毫伏,有时不需要放大就可直接测量。另外压阻式传感器还有易于微型化,测量范围宽,频率响应好(可测几千赫兹的脉动压力)和精度高等特点。但在使用过程中,要注意硅压阻式压力传感器对温度很敏感,在具体的应用电路中要采用温度补偿。目前大多数硅压阻式传感器已将温度补充电路做在传感器中,从而使得这类传感器的
16、温度系数小于0.3%的量程。如图3.2所示。3.3 按键接口模块 本系统采用独立式按键,独立式按键的各按键相互独立,每个按键都有一个输入线,各按键的状态互不影响,CPU需对按键状态分别检测,只适用于按键数量较少的场合。在此电路中,按键输入部分采用低电平有效,上拉电阻保证了按键断开时,I/0口线有确定的电平。如图3.3所示,电路由4个按键和4个电阻组成,按键分别命名为【启停键】、【设置键】、【增一键】和【减一键】,共四个键,电阻可以采用9脚排阻(810K)。【启停键】功能:启动/停止,执行开始自动运行和停止功能;【设置键】功能:设置,与【加一键】和【减一键】键配合对压力进行调整,开始设置。【增一
17、键】键功能:+1,与【设置键】键配合对压力进行调整,【加一键】键每按下一次则进行数据进行+1操作。【减一键】键功能:-1,与【设置键】键配合对压力进行调整,【减一键】键每按下一次则进行数据进行-1操作。 图3.3 按键接口电路3.4 A/D转换模块计算机、数字通讯等数字系统是处理数字信号的电路系统。然而,在实际应用中,遇到的大都是连续变化的模拟量,因此,需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号接入单片机,以便单片机进行PID处理。A/D转换器正是基于这种要求应运而生的。由于压力传感器传过来的信号为模拟信号,在接入前要加A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号,本次设计采用常用的A/D转换芯片AD
18、C0809. 如图3.4所示。 图3.4 A/D转换电路3.5 D/A转换模块 D/A转换电路用我们比较熟悉的DAC0832来作,DAC0832采用了二次缓冲输入数据方(输入寄存器及DAC寄存器)。它和单片机的输出端口连接,将单片机输出的数字信号转换成模拟信号,只有模拟信号才能进去变频器改变电动机的转速,其原理图如图3.5所示。 图3.5 D/A转换电路3.6 显示模块 1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。通过单片机显示压力当前值,压力设定值,当前时间。引脚1VSS接电源地,引脚2VDD接电源(+5V),引脚3VEE为对比调整电压,
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