毕业设计(论文)-闸门流量智能控制系统.doc
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1、目目 录录 1 概述1 1.1 研究目的与意义 1 1.2 相关技术的国内外研究现状 1 1.3 本文设计的主要任务 2 2 闸门智能控制系统方案设计2 2.1 闸门控制系统的功能 2 2.2 闸门控制系统设计 3 2.3 闸门控制系统方案选择 3 2.4 传感器的选取 6 3 闸门智能控制系统硬件设计8 3.1 系统硬件设计原则 8 3.2 系统硬件总体结构设计 9 3.3 单片机最小系统设计 9 3.4 数据采集处理电路设计 13 3.5 显示系统电路设计 14 3.6 输出控制电路设计 16 3.7 通讯接口电路设计 17 4 闸门智能控制系统软件设计18 4.1 系统软件设计方法 18
2、 4.2 软件系统结构设计 19 4.3 系统主程序设计 20 4.4 数据采集与处理程序设计 22 4.5 定时器 0 中断处理设计 24 4.6 外部中断 1 处理设计 24 4.7 输出控制模块设计25 4.8 串行通信程序设计 26 5 结束语27 参考文献28 致 谢29 附 录30 附 录 1 程序清单30 附 录 2 设计原理图38 盐城工学院本科毕业设计说明书(2010) 1 1 1 概述概述 1.11.1 研究目的与意义研究目的与意义 水是人类的一种十分宝贵的资源,如果没有水,整个世界都将走向灭亡,随着 我们国家经济的迅速发展,对水的需求量也大幅度增长,现在中国的北方很多省份
3、 已经出现了缺水的现象,那么到 2010 年,中国将成为一个严重缺水的国家,水短 缺将会严重制约着我国国民经济的进一步发展,严重影响着我国民众的日常生活。 要合理的利用水资源,离不开对水资源的有效调度,闸门控制自动化项目的主要目 的是将现代测控技术,计算机网络技术和先进的控制技术等先进技术运用于闸门及 水位等参量的自动测量、计算、控制和调节,来实现水资源的合理输送、节制和分 配。 1.21.2 相关技术的国内外研究现状相关技术的国内外研究现状 计算机技术在闸门自动化中的运用是从上世纪才开始发展起来的。20 世纪 40 年代是几乎主机与控制一体的直接控制。 90 年代,计算机技术进一步发展,著名
4、的摩尔定律可以作为硬件制造技术迅猛 发展势头的一个标志,芯片上的晶体管数目每两年会增加一倍。与此同时,软件产 业也蒸蒸日止,各种应用软件应运而生,充斥于生产生活的各个角落。计算机大量 应用于闸门自动控制系统,在价格和技术上己不存在任何问题。 PID 控制是最早发展起来的控制策略,由于其算法简单、可靠性高而被广泛运 用于各种过程控制。但在 PH)控制中,一个关键的问题就是控制参数的整定,传统 的方法是在获取控制对象数学模型的基础上,根据某一整定原则来确定 PID 参数。 然而实际的水利工程系统具有非线性、时变不确定性,难以建立精确的数学模型, 而且常规 PID 控制器对现场工况的适应性很差,其参
5、数往往整定不良、性能欠佳。 随着科学技术,尤其是智能科学和计算机技术的高度发展,水利工程系统控制 算法的研究工作得到了不断的发展。将模糊控制引入传统水利 PID 控制是又一尝试。 模糊控制是智能控制的一个分支,它的基本思想就是利用计算机实现人的控制经验, 它可以避开复杂的数学建模过程,对于非线性、时变的大滞后且带有随机干扰的系 统,模糊控制具有易于设计、鲁棒性好及对参数变化不敏感等特点。 今后人们将不断深入研究将智能控制理论运用于水利工程控制系统,从而使之 有更好的运行品质和动态特性。可以预见,人工智能与传统控制的结合,以传统控 制方法为主、人工智能为辅将是水利工程控制系统发展的必然趋势. 国
6、外发达国家 (如美国、日本)的水利自动化建设起步早,完善程度高。在这 些国家,现代科技能及时用于水利事业,发挥效益。西方发达国家十分注意基础数 据的收集和整理.管理部门对基础数据比较重视,数据一般由计算机管理,存储在 文件或数据库中。以下是世界部分发达国家水利工程计算机控制系统与我国现状的 闸门流量智能控制系统 2 比较。 美国调水工程由水资源部统一管理运行,控制系统包括计算机、通信和电子设 备。该系统可对泵站和电厂,节制闸的闸门和其他各种设备、设施实行计算机通信、 监控、监测和调度。为方便工程的控制和运用,除设置中央控制室外,还在个别区 域设置分控制中心。中央控制室负责所有工程的管理和协调,
7、同时也兼作各分控制 中心的备用。 我国当前水利计算机控制系统采用分层分布式的功能结构,分为主控级(上位 计算机)、控制级 (现地控制单元、现地采集单元),主控级采用双机互为热备用的 方式。监控系统由主控计算机和现地单元级组成,其主干网络选择交换型以太网。 工业控制计算机是集中监视和控制功能的人机接口,现场控制、采集单元根据地理 条件采用现场总线、无线传输等通讯方式。 从以上分析中可以看出,我国当前的水利工程计算机控制系统体系结构与国外 没有差别,但在管理与控制网络上还不够统一和规范,还有一些细节问题上还需要 在具体使用环境下,做详细的研究、设计和规划,力求达到设计最优、成本最低、 运行可靠、操
8、作简单、维护方便等特点。 1.31.3 本本文设计的主要任务文设计的主要任务 A闸门流量智能控制系统方案的整体设计; B闸门流量智能控制的硬件电路设计; C根据闸门流量智能控制的工作要求和具体硬件电路编写相关软件。 2 2 闸门智能控制系统方案设计闸门智能控制系统方案设计 本章主要根据闸门智能控制系统完成功能,制定系统控制方案。随着计算机技 术、自动控制技术和通讯技术的发展,运用在闸门自动化监控系统中的技术主要有 分布式计算机控制、PLC 技术、单片机技术等。 2.12.1 闸门控制系统的功能闸门控制系统的功能 为了可靠完成闸门的启闭,其控制系统应具备五个基本功能:闸门的控制功能、 闸门运行参
9、数及状态信号的采集和处理、闸门控制系统的计算机判断功能、闸门控 制系统的保护功能。 闸门控制功能主要完成闸门的正常启门与关闭闸门。 闸门运行参数及状态信号的采集和处理主要完成水位数据的采集与处理、闸门 位移数据的采集与处理。水位数据的采集与处理主要包括闸门闸前、闸后水位数据 的采集与处理;闸门位移数据的采集与处理则包括闸门位移量、闸门运行状态、是 否越限等数据的采集与处理。 盐城工学院本科毕业设计说明书(2010) 3 闸门控制系统的计算判断功能应对采集来的数据进行计算,并将结果与设定值 进行比较,从而判断出是否出现故障或事故情况,作出相应处理,并上报中控室, 向工作人员报警,同时作历史记录。
10、 由于现场控制单元需要向上位机发送信号并且接受其发出的指令,因此采用串 行通讯实现两者之间的联系。现地控制单元之间采用 RS-232 现场总线网,网络的 坚固性能够保证闸门集控系统长期稳定的运行。 2.22.2 闸门控制系统设计闸门控制系统设计 闸门控制系统结构图如下图 2-2 所示。 中央控制 现场自动控制 传感器(水 位,闸位传 感器) 现场手动控制 闸门驱动 闸门 图 2-2 闸门控制系统结构框图 本控制系统采用分层分布式的功能结构,分为上位计算机 (主控级)和现场控 制单元 (控制级).主控计算机完成对被控对象的监控、管理与通信,是整个监控系 统的控制核心。现场控制单元主根据上位机的指
11、令控制闸门运行,并将采集到的数 据传送给上位计算机。 2.32.3 闸门控制系统方案选择闸门控制系统方案选择 随着计算机技术、自动控制技术和通讯技术的发展,一些先进的新技术在闸门 自动化监控系统中也得到不同程度的应用,其中有 PLC 技术、单片机技术等。 2.3.12.3.1 可编程控制器方案可编程控制器方案 可编程序控制器(Programmable Controller,简称 PLC), 1968 年美国通用汽 车(GM)公司提出取代继电器控制装置的要求,第二年美国数字公司研制出了第一代 可编程序控制器,满足了 GM 公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术 的发展,现在己有第五代 P
12、LC 产品了。 闸门流量智能控制系统 4 可编程序控制器的组成 a)CPU 的构成 CPU 是 PLC 的核心,起神经中枢的作用,每套 PLC 至少有一个 CPU,它按 PLC 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入 装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和 PLC 内部电路 的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读 取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电 路。 CPU 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态 总线构成,CPU 单元还包括外围芯片、总
13、线接口及有关电路。内存主要用于存储程 序及数据,是 PLC 不可缺少的组成单元。 b)I/O 模块 PLC 与电气回路的接口,是通过输入输出部分 I/O)完成的。I/O 模块集成了 PLC 的 I/O 电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态.输 入模块将电信号变换成数字信号进入 PLC 系统,输出模块相反。I/O 分为开关量输 入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。 除了上述通用 I/O 外,还有特殊 I/O 模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按 I/O 点数确定模块规格及数量,I/O 模块可多可少,但其最大数受 CPU 所能管
14、理 的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。 c)电源模块 PLC 电源用于为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电 路提供 24V 的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC 或 110VAC),直流电 源(常用的为 24VDC) 。 d)PLC 系统的其它设备 编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对 系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场 控制运行。小编程器 PLC 一般有手持型编程器,目前一般由计算机(运行编程软件) 充当编程器。 为了完成控制策略,替代继电器,使用户等
15、完成类似继电器线路的控制系统梯 形图,而编制了一套控制算法功能块(或子程序),称为指令系统,固化在存贮器 ROM 中,用户在编制应用程序时可以调用.指令系统大致可以分为两类,即基本指令 和扩展指令。PLC 提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等 内部资源,为编程带来极大方便。 PLC 及其在网络中,存在两类通信方法:串行通信和并行通信。并行通信一般 是 PLC 内部的通信,指多台处理器之间的通信,以及 PLC 中 CPU 单元与智能模块的 CPU 之间的通信。PLC 网络中常使用 RS-232 或 RS-485 串行通信。 2.3.22.3.2 单片机方案单片机方案 盐城工学
16、院本科毕业设计说明书(2010) 5 单片机全称为单片微型计算机(Single-Chip-Micro Computer)。它在一个芯片 上集成了 CPU, ROM, RAM、计数器/定时器、多个 I/O 接口,从而在一个芯片上构成 了一台计算机。随着计算机制造技术的发展,芯片的集成度越来越高,有的单片机 还集成有 A/D 转换器、D/A 转换器、模拟多路开关、PWM 电路以及时钟电路.单片机 若再配上外围部件以及相应的软件就构成单片机应用系统。单片机有如下特点。 a.集成度高,体积小,重量轻。 b.可靠性高。单片机是按工业测控环境要求设计的,其抗噪声千扰的能力优于 一般的计算机,程序指令、常数
17、固化 ROM 中,不易受到破坏。 c.控制功能强。单片机指令系统中有丰富的条件分支转移指令,I/O 口的逻辑 操作以及位处理功能,能够满足工业控制的要求。 d.实时性强。单片机的硬件和软件联系紧密,应用软件采用汇编语言编制,程 序执行所需的时间短,因而能够满足工业控制的实时性要求。 e. 应用灵活方便。单片机具有计算机的基本功能部件,又提供了许多供扩展 的总线,很容易构成满足各种需要的应用系统。因此,单片机应用到很多领域,包 括智能仪表、工业测控系统、智能家用电器、网络通讯等等。 f. 性价比高。一方面,单片机本身价格比较低;另一方面,由于单片机应用灵 活,可以有针对性地设计系统,满足控制需求
18、,因而提高了单片机应用的经济性。 基于以上优点单片机广泛应用于诸多领域,如工业控制系统、智能化仪表、数 据采集系统等,单片机技术的发展和应用水平逐渐成为一个国家工业发展水平的标 志之一。 自1997年以来,单片机应用技术进入了一个新的层次一一片上系统SOC(System On a Chip)技术层次。 所谓SOC技术,是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计 系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC 技术设计应用系统,除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外,其他所有的系 统电路全部集成在一起。 用SOC技术设计单片机嵌入式系统,为设计者提供
19、了现有技术所无法比拟的优 越条件。设计者不必在选择单片机的型号上下功夫,只需要根据所设计系统的固件 特性和功能要求,选择相应的单片机CPU内核,再根据需要选择其他的IP模块,因 而就可以把现有技术需要精密调整的前置电路(模拟信号处理部分)也全部安放在同 一块芯片中,实现完整的系统。这样一来,小仅减少了许多PCB板调试工作,而目 使系统结构更简单,体积更小,实现了真正的“系统单片机”。 从某种意义上看,SOC为单片机应用提供了更广阔的应用技术,并赋予了单片 机更强大的生命力。传统的单片机应用系统需要形成单片机的外部系统总线,而外 部总线的存在是单片机应用系统抗干扰能力削弱,可靠性降低的主要原因。
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