【基于AT89C51單片機的液體流量控制系統(tǒng)設計與仿真分析11000字】

第1章緒論1.1選題的背景意義單位時間內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，稱為瞬時體積流量，簡稱體積流量。在流量質量上稱為瞬間質量流量，簡稱質量記錄，該期間的流體體積流量或質量流量的累計值稱為累計流量。測量在一定通道內流動的流體的流量，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。在各領域中流量的測量具有非常廣泛的應用。隨著微電子技術、傳感器技術、單片機技術的發(fā)展，液體流量的精確測量有了新的手段。單片機豐富的硬件資源被充分利用，同時配上適當的檢測接口電路，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。由所用軟件來計算出流量，再用簡單的硬件結構實現(xiàn)了一個多功能、高精度、高可靠性的液體流量檢測系統(tǒng)。對流體流量進行正確測量和調節(jié)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(xiàn)科學管理的基礎。通過本課題的研究，綜合運用所學課程的基本知識，單獨進行單片機的應用技術和開發(fā)工作，掌握單片機的程序設計、調試和應用電路的設計、分析和調試檢查。正確測量和調整流體流量是保證生產、閱讀和安全經濟運行，提高產品質量，降低物質消費，提高經濟效益，實現(xiàn)科學管理的基礎。液體流量的檢查和控制廣泛應用于化工、能源電力、準金、石油等領域。隨著科技的發(fā)展，企業(yè)為了提高產品的市場競爭力，對產品有了更加嚴格的要求，使用水配料方面精度要求更高。1.2國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢17世紀，由托里拆利規(guī)定了差壓式流量計的理論基礎。這是流量測量的里程碑。此后，18、19世紀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、潤輪及靶式流量計等。20世紀制造業(yè)、能源測量、城市公共事業(yè)對流量測量的需求急劇增加，促進了儀表的快速發(fā)展，微電子技術和計算機技術的飛躍性發(fā)展極大地推動了儀表的更新，新型流量計如雨后春筍般出現(xiàn)。據說至今為止已經有100種以上的流景計投入市場。我國現(xiàn)代流量測量技術的發(fā)展比較慢，初期所需的流量計均從國外進口。中國的流量計制造業(yè)從上世紀30年代中期開始進行儀表修理開始，到解放前后在上海、天津等沿海地區(qū)形成現(xiàn)代流量計的民族工業(yè)，在改革開放前，經過模擬、統(tǒng)一設計、自主研發(fā)過程，已經整頓了規(guī)模，幾乎滿足了中度流量計的需求。改革開放以來，經過技術引進，與國際先進技術企業(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)紛紛在中國建設生產基地，研發(fā)能力和競爭因素也在增加。目前，中國流量計產品全面覆蓋所有行業(yè)，滿足各行業(yè)需求，技術創(chuàng)新較快，但產品生產過程仍有較大提高空間。1.3研究內容及需要解決的問題本液體流量控制系統(tǒng)設計利用傳感器和信號處理的基礎上，以單片機為核心控制液體流量，以達到液體流量的流速實時檢測和控制目的，液體流量控制系統(tǒng)優(yōu)點是智能化、安全穩(wěn)定、低功耗，系統(tǒng)各個部分協(xié)同工作，滿足控制系統(tǒng)的設計要求。系統(tǒng)包括渦輪流量計、電動調節(jié)閥、按鍵部分、LCD顯示電路，當流速高于或低于設定值時，發(fā)出信號并啟動液體流量控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)液體流量的穩(wěn)定控制。本文為實現(xiàn)在液體流量控制過程中，設計的液體流量控制系統(tǒng)，進行液體流量流速的控制，來滿足現(xiàn)在工業(yè)生產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，使流速保持一個需要應用到的值，從而達到節(jié)約或精準控制目的，化學反應過程中，需控制物料投放速度（投料過快，放熱過大或副反應增多；投料過慢，其中物料會相互反應，影響產品質量）；可知流量的最大值、最小值，便于工藝設計和工藝控制。2.2總體方案描述根據方案分析及電路的性質、控制目的，確定下面的方案：1）檢測并顯示當前液體的流速，并可以設置標準流速值。2）當液體流速低于標準值，系統(tǒng)用蜂鳴器鳴響報警，警示燈亮，電動調節(jié)閥的閥門開合增大，高于設定標準值報警，系統(tǒng)用蜂鳴器鳴響報警，警示燈亮，電動調節(jié)閥的閥門開合變小。3）液體流速達到設定值，蜂鳴器停止報警，警示燈熄滅，控制電動調節(jié)閥以額定功率運行，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，電動調節(jié)閥，渦輪流量計，管道組成的。水泵工作將水傳入管道中，再由渦輪流量計測量計算出瞬時流量，通過電動調節(jié)閥調節(jié)。該系統(tǒng)中，通過流量控制裝置設定流速預設值、讀取由渦輪流量計測量的流量信號、控制電動調節(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分辨率的點陣。它的優(yōu)點：功耗低、體積嬌小不占面積、重量輕，超薄等。它的缺點：LCD12864液晶信息顯示較大，相對來說電路與程序都比較復雜、成本相對高。方案二：選用LCD1602液晶顯示屏，它的優(yōu)點：字符型液晶，所展示的字母和數字比較方便、控制簡單、成本較低。缺點：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，因為顯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價格親民，控制簡單，所以選擇方案二。2.4流量計選型在現(xiàn)代自動化生產過程中，流量計是常見儀表，被廣泛使用于醫(yī)藥、化工、食品等領域。流量計的測量精度，直接影響產品生產產品的品質和產品生產的所需要消耗的能源，因此，流量計是可以提高企業(yè)經濟效益和其操作水平的重要手段?，F(xiàn)在一般的流量計根據測定結果分為體積流量計和質量流量計兩類。由于質量流量計的價格高、體積大、安裝環(huán)境嚴格等特點，因此本文主要選擇體積流量計。不同流量計具有不同的設置條件、測量精度和適用環(huán)境，在工業(yè)自動化系統(tǒng)的建設中尤其重要的是正確選擇合理的經濟流量計。在一般的工業(yè)現(xiàn)場，除了選擇流量計，根據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的流量計。還要特別注意流量計的安全性和可靠性即使流量計發(fā)生故障，也要確保不會影響系統(tǒng)內其他設備，影響生產安全。另外，在選定流量計時，需要特別注意對精度等級的要求。流量計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越適用。實現(xiàn)流量計檢測高精度的同時，流量計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。并且高精度流量計的選用，也意味著設備建設成本的提高。因此，在實際選用中，一定要綜合考慮，而不可盲目地追求流量計的高性能。2.5閥門選型閥門作為工業(yè)生產中流體管路的控制裝置在系統(tǒng)中起著不可缺少的作用。其主要功能是調節(jié)軟管中的液體狀態(tài)。例如，流動、截斷、流速、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)生產的重要地位。特別是在化工、石油等行業(yè)，其介質具有可燃性、爆炸性、強腐蝕性、有毒性等特點。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，選擇科學合理的閥門是非常重要的過程，不僅能安全生產，還能降低生產成本。在很多閥門的種類和型號中，正確選擇生產管道所需的閥門，首先請理解閥門的特性。閥門技術的先進度，質量的可靠性，密封性，動作的靈敏度等。然后理解測定出的液體的物性，選擇適當的閥體材質。最后也要考慮經濟性。包括價格、售后服務等。2.6泵選型泵的種類很多，應用范圍很廣。在日常生活中，水泵經常被用于生活用水、排污等工作。在農業(yè)生產領域，水泵經常用于灌溉、蓄水、排水等工作。在工業(yè)生產領域，用于管道的液體輸送式加壓、填充等。但是，無論在哪個領域，為了長期且穩(wěn)定地確保必要的功能，需要對泵進行可靠性、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，所以選擇泵時請一定選擇適合自己的泵類型和泵材質。重的話會引起人身安全事故?，F(xiàn)在產品的技術要求越來越復雜了。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，基于離心力原理設計的泵。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生的差壓作用可以進入離心泵內。這樣循環(huán)，液體也被連續(xù)吸入擠壓，實現(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，根據產品生產過程的要求、生產環(huán)境的限制等條件，主要可以根據以下四個原則選擇類型。（1）泵的額定參數必須符合產品生產流程的要求。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）泵工作的重點要求，一般來說，選擇的泵在工作中長期在有效區(qū)域運轉，以獲得最佳的經濟和功能效果。第3章硬件設計3.1液體流量控制系統(tǒng)的設計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據，向外部輸出控制信號，實現(xiàn)LED顯示。在LED數字管上顯示動態(tài)流量的同時，在流量超過設定的上下限范圍的情況下，在警報電路中產生聲光警報信號，流量不在正常范圍內，進行相應的控制。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。主程序實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，子例程實現(xiàn)對應的具體功能。3.2主控制電路系統(tǒng)結構圖如圖所示：按鍵電源單片機LCD顯示、蜂鳴按鍵電源單片機LCD顯示、蜂鳴復位電路時鐘電路流量傳感器報警電路電動調節(jié)閥3.2.1AT89C51單片機在本設計中，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算能力、控制能力、數據收集能力、高速緩存能力、消耗功率等。經過篩選，ATMEL的AT89C51單片機從多個候選類型中挑選出，并被確定為液體流量控制系統(tǒng)的中央處理器。AT89C51單片機價格相對較高，在電子行業(yè)中，該單片機具有很廣泛的應用。在本設計中，完全滿足液體流量控制器的數據收集和控制的需要，AT89C51具有足夠的內外部中斷和高精度的可編程定時/計數器，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/計數器0的外部輸入口）P3.5T1（定時/計數器1的外部輸入口）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（外部數據存儲器讀選通）XTAL1內部時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結構框圖如圖3.6所示：圖3.2.2AT89C51結構框圖3.2.2流量測量模塊根據本文提出的流量計選擇原則，結合工業(yè)現(xiàn)場液體流量檢測常用流量計的選擇情況進行了調查。本設計使用最具代表性的渦輪流量計作為液體體積流量測量的直接儀器。渦輪流量計是工業(yè)現(xiàn)場常用的速度流量計。從機械構造來說，渦輪流量計的構造比較簡單，體積小，便于安裝和維護。從使用性能來說，渦輪流量計的測量范圍很大，一般范圍比達到1:10?？梢酝瑫r擁有高精度等級和高重復性等級。一般來說，渦輪流量計在對低粘度純凈液體流量測量時可得到最佳性能。為了更加深入地理解渦輪流量計的工作原理和不確定度影響因素，以實現(xiàn)渦輪流量計合理準確地使用，首先從機械結構去了解渦輪流量計。渦輪流量計機械結構圖如下所示：圖3.2.3渦輪流量計機械結構圖根據這個，在設置渦輪流量計的時候，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置渦輪流量計，渦輪流量計的螺旋槳才能在流體進入時正確地旋轉。安裝在渦輪流量計殼體上的傳感器產生電磁場。由導磁性材料制成的葉輪在旋轉期間切斷電磁磁力線，改變傳感器線圈的磁通量，經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速和葉輪數有關，所以葉輪轉速與液體流量有關。以此方式，將連續(xù)脈沖信號與單片機相關聯(lián)。工作時，單片機接收基于從渦輪流量計傳送的TTL電平的連續(xù)脈沖信號，以實現(xiàn)準確的脈沖計數。在外部時鐘的正確定時可以得到脈沖頻率值。渦輪流量計在出廠前在常溫下測量水介質的儀表系數。計量器系數是通過渦輪流量計單位的體積液體產生的脈沖個數。脈沖頻率和渦輪流量計的儀表系數可以通過渦輪流量計計算液體的瞬時體積流量。如果要完成整個生產所記錄的脈沖總數計算，則可獲得液體的累計流量。渦輪流量計液體的瞬時體積流量具體可按公式計算：Qv=f/K其中：Qv——渦輪流量計測得的液體瞬時體積流量，m3/h；f——渦輪流量計測得的脈沖頻率；K——渦輪流量計儀表系數，（m3）-1或L-1。在生產生活中，一般以質量流量為基準。因此，取得體積流量后，需要進一步計算。通過公式可以得到液體的質量流量：Qm=pQv其中：Qm——渦輪流量計測得的液體瞬時質量流量，t/h；p——工況條件下液體的密度，kg/m3。一般來說，基于渦輪流量計輸出的TTL電平的連續(xù)脈沖信號已經處理完畢，考慮到工業(yè)現(xiàn)場的復雜情況，液體流量控制可能無法安裝在渦輪流量計的相對接近位置。為了消除長距離信號傳輸時的攝動，如圖所示，示出了帶有光電分離的渦輪流量計流量測量電路的原理圖。圖3.2.2渦輪流量計測量電路原理圖使用渦輪流量計時，必須在范圍內使用。否則儀表的系數會有很大的變化。如圖所示，顯示了渦輪流量計的儀表系數和流量的關系曲線。渦輪流量計K-qv特性曲線可以看出，發(fā)現(xiàn)液體在管中流動，根據流動狀態(tài)分為兩個區(qū)域：層流區(qū)域和湍流區(qū)域。在層流區(qū)域，流量越大，渦輪流量計的儀表系數越大。在湍流區(qū)域，渦輪流量計的儀表系數基本保持穩(wěn)定值。在層流區(qū)域和湍流區(qū)域的邊界點，渦輪流量計的儀表系數在此顯示峰值。3.2.3流量控制模塊根據本文所給出的流量計選型原則，結合工業(yè)現(xiàn)場液體流量檢測常用流量計的選擇情況。在液體流量控制系統(tǒng)中，執(zhí)行機構選用能夠根據控制信號自動調節(jié)的電動調節(jié)閥門。（1）電動調節(jié)閥選型選擇電動調節(jié)閥時要依靠一系列的技術參數，最基本的技術參數包括：型號、口徑、壓力和連接方式等。主要的技術參數有：工作電壓、控制信號型式和介質類型與溫度等。在本文設計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的QSTP型號的電動調節(jié)閥，口徑為20mm，螺紋連接型式。能對蒸汽或冷熱水的流量進行調節(jié)，廣泛應用于水處理、采暖、中央空調、工業(yè)加工業(yè)等系統(tǒng)的流體控制。其特點包括：①執(zhí)行機構外殼用塑料材質，內部支架用鑄鋁材質，總重量輕，體積小巧；②驅動裝置帶有永磁同步電機，并伴隨磁滯離合機構，能夠自我保護；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，電動調節(jié)閥的使用壽命較長；⑥運行時消耗的功率較低、產生的噪音較小、驅動裝置輸出的力矩較大；⑦閥體有鑄銅和鑄鐵等材質，適合工作于不同場合。由于QSTP型電動調節(jié)閥具有以上的特點，這里選擇4~20m電流控制信號，單片機輸出電壓到GP8102，由GP8102將電壓信號轉換為電流信號，這樣可以更加方便的調整電動調節(jié)閥門的開度。（2）電動調節(jié)閥的工作原理電動調整閥的動作原理是，致動器接收來自控制器的電流控制信號，通過內部比例積分程序輸出對應大小的推力調整閥桿，一邊打開閥門使其對應的開度，一邊將閥門的實際開度信號返回控制器判定是否達到目標開度。圖中示出了操作原理的框圖。電動調整閥是液體流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，接收到的信號是4～20mA的電流信號，在模擬中無法模擬實際的電動調整閥，因此需要用其他元件代替。由于電動調節(jié)閥的驅動裝置是直流馬達，所以用微機控制電氣調節(jié)閥的開度，實際上控制直流馬達的旋轉。動作原理：當單片機將從流量傳感器測得的信號Ii發(fā)送到控制器時，位置傳感器所代表的電流If傳入，與進入控制器的目標位置信號Ii進行比較而得到的差ΔI（ΔI＝ΣI-If）中，差值信號“ΔI>0”使伺服電機正轉，通過機械減速器減速后，增加輸出軸的旋轉角度。輸出軸的旋轉角度位置通過位置發(fā)送機轉換成對應的反饋電流，經由位置傳感器反饋給控制器，馬達停止旋轉直至△I＝0，輸出軸穩(wěn)定在與輸入信號對應的位置。相反，在△I<0的情況下，當伺服電動機反轉時，輸出軸的旋轉角度減小，If也相應減少，在△I＝0的情況下，馬達停止旋轉，輸出軸穩(wěn)定在其他新位置。如圖3.2.3所示，輸出軸的旋轉角θ輸入信號Ii之間具有一個對應的線性關系，其靜態(tài)傳遞系數K為5.625℃/mA。這正是電氣執(zhí)行機關檢查時的重要性能指標。圖3.2.3電動機執(zhí)行機構靜態(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以及其擴展驅動電路HD44100，以及少量的電阻、電容元件、結構部件等。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整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，過高時會產生鬼影現(xiàn)象，可以通過一個10kQ的電位器調整其對比度。引腳4RS為寄存器選擇腳，高電平時用數據寄存器、低電平時用指令寄存器。引腳5R/W為讀/寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或顯示地址；當RS為低電平，R/W為高電平時，可以讀忙信號；當RS為高電平，R/W為低電平時，可以寫入數據。引腳6E端為使能端，當E端由高電平跳變低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。引腳7~14D0~D7為8位雙向數據線。引腳15背光源正極引腳16背光源負極3.4蜂鳴器電路蜂鳴器能將HYPERLINK"/app/790"\t"/dianzichangshi/_blank"音頻信號轉化為聲音信號的一種元件，蜂鳴器主要用于提示或報警，根據設計和用途的不同，能發(fā)出音樂聲、汽笛聲、蜂鳴聲、警報聲、電鈴聲等各種不同的聲音。在這里，當液體的流速到達所設定的上下限值時，蜂鳴器響起，發(fā)出報警的作用。3.5按鍵電路本系統(tǒng)通過調節(jié)本系統(tǒng)通過四個按鍵，來實現(xiàn)系統(tǒng)的復位、標準流量的設定與調整，分別是S1鍵復位，S2鍵用來將要設定的流量提高0.1m3/h，S3鍵用來將要設定的流量降低0.1m3/h，S4選擇確認鍵用來切換上下限流量限度并確認設置，如圖所示。3.6測量電路本系統(tǒng)設計的主要目的是液體流量系統(tǒng)的實時監(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，其電路在本文中采用模擬流速，驗證系統(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的水流速。3.7復位電路復位是為了初始化單片機的操作。單片機準備啟動時進行復位操作，目的是清除單片機之前的工作記憶，使單片機能夠從初始狀態(tài)進入工作。因此，在所有操作程序中復位操作是最基本的操作。但是單片機本身不能完成復位操作，它需要與外部電路來共同完成復位操作。根據具體要求，上電復位和手動復位是常用的兩種復位操作方式，而且當實際復位電路中共同存在這兩種復位方式時，對單片機可以起到雙重的保護作用，對控制系統(tǒng)而言，可以做到更加可靠的控制。因此，在本文設計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進行復位操作，如圖3.7所示。圖3.7復位電路上電復位：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行充電。此時，可以將電容視為導線。將電阻和開關短路，將復位直接連接到高電平，實現(xiàn)自動復位。當電容電壓上升到等于電源供給電壓時，電容的電線相當于開路狀態(tài)，此時復位引腳電平變低，程序恢復正常運行。手動復位：實際按下復位按鈕可完成復位操作。程序運行時，按重置鍵，RST與高電平導通，進行復位操作。同時電解電容器C4被短路，放電到外面。松開復位按鈕后，電源開始充電電容，充電時的RST將保持在高電平，復位操作一直在進行。復位操作將停止，直至電容充電，程序將正常運行。3.8時鐘電路來自時鐘電路的脈沖信號控制AT89C51的操作節(jié)奏，并且AT89C51可以以內部和外部兩種方式產生時鐘脈沖信號。如圖3.8所示，本文設計的液體流量系統(tǒng)控制器使用內部時鐘。XTAL1和XTAL2與外部的結晶振蕩器（以下稱為晶片）連接，在單片機內設置有高增益的反轉放大器，構成自激式振蕩器通過生成振蕩的時鐘脈沖信號并發(fā)送到芯片的內部時鐘電路，構成內部振蕩方式。圖3.8時鐘電路圖3.8的X1為晶片，實現(xiàn)了機械能和電能的相互變換，在系統(tǒng)諧振時正常工作。電路設計時可以選擇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，時鐘電路的操作頻率越高，AT89C51的實際操作速度越快，所以本文設計的液體流量控制系統(tǒng)的控制器時鐘電路選擇12MHz的振蕩頻率的晶片。圖3.8中的C2和C3是諧振容量，并且使用這兩個電容值來稍微調整頻率以滿足系統(tǒng)要求。當選擇12MHz的振蕩頻率的晶片時，電容器C2和C3的值可以在5~30pF之間選擇，這里設計的液體流量控制系統(tǒng)的時鐘電路選擇30pF容量。第4章系統(tǒng)軟件設計完美的液體流量控制系統(tǒng)不僅需要合理的硬件基礎，還需要科學的軟件支持，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果。在液體流量控制器的軟件設計中，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，嚴格程序結構，便于閱讀，是一種應用比較廣泛的高級程序語言。C語言不是某領域的專用程序語言，具有較強的通用性，能夠針對各種軟件任務編寫相應的軟件代碼，實現(xiàn)用戶所需的功能要求。從維護上來說，由于C語言是一種較為基礎的程序語言，一般程序員都會在入門時接觸該語言，能夠輕易讀懂C語言程序代碼，并能根據需要進行相應的軟件升級功能，減少新程序語言學習周期，加快程序更新速度。液體流量控制儀的軟件采用模塊化、結構化設計方法。4.1程序設計程序部分主要包括：主程序、渦輪流量計初始化、LCD1602液晶初始化、流量的讀取與顯示、報警部分、定時器初始化等幾個部分，程序的邏輯框圖如下：4.2按鍵模塊程序會根據所設定的上下限值范圍，來對所需要的流速進行調節(jié)控制，并與流量的實際值進行比較。4.3控制模塊程序會將設定的預期流量與傳感器檢測的流量進行對比，然后進行PID運算調節(jié)，輸出電流信號，控制電動調節(jié)閥閥門開合度，進行液體的流速的控制，之后對運行周期進行比較，若運行周期大于調節(jié)時間，反復進行以上操作，若周期小于調節(jié)時間，則對周期進行延時。4.4PID運算設計在工程實際中，應用最廣泛的調節(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調節(jié)。PID控制器登場已有近70年的歷史。其結構簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠，協(xié)調方便，是工業(yè)控制的主要技術之一。應用PID控制技術是最方便的。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，則最適合使用PID控制技術。（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)，當進入穩(wěn)定狀態(tài)時存在穩(wěn)定狀態(tài)誤差時，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”。積分項的誤差取決于時間的積分，積分項隨著時間的增加而增加。即使誤差如此小，積分項也隨著時間的增加而增大，以促進控制器的輸出增加，并且進一步減小，直到穩(wěn)定誤差等于零。因此，當進入穩(wěn)定狀態(tài)時，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”，即當誤差接近零時，抑制誤差的作用應該為零。也就是說，只是在控制器中導入“比例”項目的話很多情況下是不夠的，比例項的作用只是放大誤差的幅度，現(xiàn)在需要增加的是“微分項”，可以預測誤差變化的傾向。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，比例導數（PD）控制器可以改進正在調節(jié)的系統(tǒng)的動態(tài)特性。被測參數采樣周期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)先選用純滯后時間成分15~20s優(yōu)先選用18s位置10~50ms優(yōu)先選用30ms根據查表得，采樣周期為2s。采用MATLAB中的SIMLINK對本系統(tǒng)進行仿真。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)模型圖經過調試，確定PID參數，定PID參數為：Kp=40，Ki=0.5，Kd=125。第5章軟件仿真5.1仿真系統(tǒng)結構圖5.2仿真結果當仿真開始的時候，通過開關設置需要控制流速的上下限報警值，上限為6.5m3/h，下限為5.5m3/h，仿真結果如圖所示：可以