【文章內容簡介】 ............................... 68 參考文獻 ...................................................................................................................... 69 附錄 1 畢業(yè)實習報告 ................................................................................................ 70 西南交通大學本科畢 業(yè)設計 (論文 ) 第 1 頁 第 1 章 緒論 水箱 溫度 液位 壓力流量控制系統(tǒng)綜述 水箱控制是工業(yè)控制中廣泛應用的控制方案，工業(yè)中很多控制問題都可以歸結于水箱控制問題，因此研究水箱控制系統(tǒng)具有很好的科研和實用價值。溫度 、液位 、 壓力 、 流量是水箱控制中最常用的控 制量，可以應用于很多控制方案中。比如：在水塔供水系統(tǒng) 、 高位水箱供水系統(tǒng) 、 汽車水箱供水系統(tǒng) 、 液壓泵供油系統(tǒng)等系統(tǒng)中都有廣泛的應用。 隨著控制技術的發(fā)展，越來越多的自動控制技術被應用到工業(yè)中。其中基于單片機的控制技術就是一種應用非常廣泛的自動控制技術。由于單片機技術已經發(fā)展的相當成熟，其價格及相應的配套硬件的價格都相當便宜。故可以用單片機搭建一個結構簡單，穩(wěn)定性好，價格便宜的智能控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)被廣泛的應用于 飛機上各種儀表的控制 , 計算機的網絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸 , 工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理 , 普遍使 用的各種智能卡 , 民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng) , 錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制 , 以及程控玩具、電子寵物機器人、智能儀表、醫(yī)療器械等等。各種傳統(tǒng)的產品一旦用上了單片機 , 就能起到使產品升級換代的功效。 基于單片機的 工業(yè) 水箱溫度 、 液位 、 壓力 、 流量控制系統(tǒng)在各種應用有 一定的實用價值，比如：在農村已有很多家庭都搭建了自來水供水系統(tǒng)，一般都是在自家樓頂安裝一個水箱或者水塔并在樓下用抽水機把水抽到水箱中然后使用。但是這樣做并不方便，一是抽水的時候人必須在旁邊守著，二是不知道水抽滿了沒有，還得擔心水溢出來，三是不知 道水何時會用完。因此，搭建一個小型的水位自動控制系統(tǒng)會省去很多麻煩，這個在工業(yè)應用中尤為重要。另外，在一些惡劣的情況并不適合人去作業(yè)，比如在煉鋼中鋼水的溫度控制。因此恒溫自動控制就很有必要。 而我本次所作的畢業(yè)設計就是以工業(yè)上通常使用的水箱供水系統(tǒng)為控制對象，來搭建水箱的溫度 、 液位 、 壓力 、 流量自動控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有通用性，可以很方便的轉移到其他的控制系統(tǒng)中。因此也具有一定的科研教學價值。 西南交通大學本科畢 業(yè)設計 (論文 ) 第 2 頁 單片機控制系統(tǒng)綜述 單片機也被稱為微控制器（ Microcontroller），最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。 它具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU、 內存 、內部和外部 總線 系統(tǒng)，目前 大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、 定時器 ，實時時鐘等外圍設備。 現(xiàn)在已被廣泛的應用于各個控制領域。 單片機的簡要發(fā)展歷史 同微處理器一樣，單片機自誕生以來發(fā)展一直很快。 1975 年美國德州儀器（ TI）公司推出 TMS1000， Intel 公司推出 4004 4 位單片機。 1976 Intel 推出的MCS488 位單片機的推出是單片機發(fā)展時代的真正到來。 將 8 位單片機的 推出作為起點，那么單片機的發(fā)展歷史大致可分為以下幾個階段 ： 第一階段（ 19761978）：單片機的 探 索階段。以 Intel 公司的 MCS48 為代表。MCS48 的推出是在工控領域的 探 索，參與這一 探 索的公司還有 Motorola 、 Zilog等，都取得了滿意的效果。這就是 SCM 的誕生年代， “單機片 ”一詞即由此而來。 第二階段（ 19781982）單片機的完善階段。 Intel 公司在 MCS48 基礎上推出了完善的、典型的單片機系列 MCS51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結構。 1） 完善的外部總 線。 MCS51 設置了經典的 8 位單片機的總線結構，包括8 位數(shù)據(jù)總線、 16 位地址總線、控制總線及具有多機通信功能的串行通信接口。 2） CPU 外圍功能單元的集中管理模式。 3） 體現(xiàn)工控特性的位地址空間及位操作方式。 4） 指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。 第三階段（ 19821990）： 8 位單片機的鞏固發(fā)展及 16 位單片機的推出階段，也是單片機向微控制器發(fā)展的階段。 Intel 公司推出的 MCS96 系列單片機，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉換器、程序運行監(jiān)視器、脈寬調制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機的微 控制器特征。隨著 MCS51 系列的廣應用，許多電氣廠商競相使用 80C51 為內核，將許多測控系統(tǒng)中使用的電路技術、接口技術、多通道 A/D轉換部件、可靠性技術等 應用到單片機中，增強了外圍電路功能，強化了智能控制的特征。 第四階段（ 1990）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機在各個領域全面深入地發(fā)展和應用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力的 8 位 /16 位 /32 位通用型單片機，以及小型廉價的專用型單片機。 西南交通大學本科畢 業(yè)設計 (論文 ) 第 3 頁 當前世界范圍內單片機的發(fā)展領域 目前世界范圍內單片機發(fā)展的主要領域有 4 個：一是歐美，最新 開發(fā)產品及主要廠商有： National semiconductor 的 cop8 系列單片機，美國的 Scenix 的八位單片機，荷蘭 PHILIPS 的 51 系列單片機，美國 AMD 公司 186 系列 16 位嵌入式微機控制器， MOTOROLA 的各個系列單片機；二是日本， TOSHIBA 公司開發(fā)了從 4 位到 64 位多系列單片機，日立公司也有從 4 位到 32 位多系列單片機，NEC 公司的 75X、 78X 系列微機；三是臺灣地區(qū)，主要有 WINBOND 的W741/W51 W78/W77 等系列產品微控制器；四是韓國，主要有 HYUNDAI microelectronics 的 GMS800、 GMS30 系列微控制器。另外還有 LG 公司也生產單片機，單片機發(fā)展到今天可以說種類繁多性能各異。 單片機的發(fā)展趨勢 目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展 的 趨勢將是進一步向著 CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。 CMOS 化 ： 近年，由于 CHMOS 技術的進小，大大地促進了單片機的 CMOS化。 CMOS 芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機可以工作在功耗精細管理狀態(tài)。 低功耗化 ： 單片 機的功耗已 到 mA 級，甚至 1μA 以下；使用電壓在 3～ 6V之間，完全適應電池工作。低功耗化的效應不僅是功耗低，而且?guī)砹水a品的高可靠性、高抗干擾能力以及產品的便攜化。 低電壓化 ： 幾乎所有的單片機都有 WAIT、 STOP 等省電運行方式。允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3～ 6V 范圍內工作。低電壓供電的單片機電源下限已可達 1～ 2V。目前 供電的單片機已經問世。 低噪聲與高可靠性 ： 為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機內部電路中都采用了新的技 術措施。 大容量化 ： 以往單片機內的 ROM 為 1KB～ 4KB， RAM 為 64～ 128B。但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。為了適應這種領域的要求，須運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前，單片機內 ROM最大可達 64KB， RAM 最大為 2KB。 高性能化 ： 主要是指進一步改進 CPU 的性能，加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（ RISC）結構和流水線技術，可以大幅度提高運行速度?，F(xiàn)指令速度最高者已達 100MIPS（ Million Instruction Per Seconds， 西南交通大學本科畢 業(yè)設計 (論文 ) 第 4 頁 即兆指令每秒），并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。 小容量、低價格化 ： 與上述相反，以 4 位、 8 位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產品。 外圍電路內裝化 ： 這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種 外 圍功能器件集成在片內。除了一般必須具有的 CPU、ROM、 RAM、 定時器 /計數(shù)器等以外，片內集成的部件還有模 /數(shù)轉換器、 DMA控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅動器 等等 。 串行 擴展技術 ： 在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位 OTP（ One Time Programmable）及各種類型片內程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進入片內，推動了單片機“單片 ”應用結構的發(fā)展。特別是 I C、 SPI 等串行總線的引入，可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統(tǒng)結構更加簡化及規(guī)范化。 單片機的應用 由于單片機具有顯著的優(yōu)點，它已成為科技領域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應用遍及各個領域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 單片機在智 能儀表中的應用 單片機廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測量的自動化程度和精度，簡化儀器儀表的硬件結構，提高其性能價格比。 2. 單片機在機電一體化中的應用 機電一體化產品是指集成機械技術、微電子技術、計算機技術于一體，具有智能化特征的機電產品，例如微機控制的車床、鉆床等。單片機作為產品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強等優(yōu)點，可大大提高機器的自動化、智能化程度。 3. 單片機在實時控制中的應用 單片機廣泛地用于各種實時控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測控、航空航天、尖端武器、機器人等各種 實時控制系統(tǒng)中，都可以用單片機作為控制器。單片機的實時數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產品質量。 4. 單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應用 在比較復雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機系統(tǒng)。多機系統(tǒng)一般由若干臺功能各異的單片機組成，各自完成特定的任務，它們通過串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調工作。單片機在這種系統(tǒng)中往往作為一個終端機，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點上，對現(xiàn) 西南交通大學本科畢 業(yè)設計 (論文 ) 第 5 頁 場信息進行實時的測量和控制。單片機的高可靠性和強抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。 5. 單片機在人類生活中的應用 自從單片機誕生 以后，它就步入了人類生活，如洗衣機、電冰箱、電子玩具、收錄機等家用電器配上單片機后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛。單片機將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。 西南交通大學本科畢 業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 第 2 章 系統(tǒng)總體設計 總體功能設計分析 本次畢業(yè)設計是以工業(yè)水箱作為模型 （其系統(tǒng)結構如圖 21） ，基于單片機系統(tǒng)對其溫度，液位，壓力，流量進行控制。本控制系統(tǒng)亦可以用于液壓供油系統(tǒng)等其他常用的需進行溫度，液位，壓力，流量等量進行控制的系統(tǒng)?？紤]到工業(yè)水箱的通用功能和實際設計需要，本系統(tǒng)應該具有如下功能： 1） 是一個獨立的控制模塊，應該 具有抗外界干擾能力，并且安裝方便。 2） 能夠進行恒溫控制，使溫度始終處于一定的范圍內。當溫度高了的時候控制繼電器停止加熱，當溫度低了的時候打開繼電器加熱。并進行聲音和 LED 燈報警。 3） 能夠進行恒壓控制，使水箱壓力輸出恒定。當壓力低于或者高于設定的范圍時，能夠自動啟動相應的控制設備，并進行聲音和 LED 燈報警。 4） 能夠進行流量恒定控制，使輸出流量恒定。當流量低于或高于設定的流量值時，啟動繼電器控制閥門開口大小，并進行聲音和 LED 燈報警。 5） 能夠進行液位的控制。使水箱水位不至于太高或者太低，當高出或者低于設定范圍時，開啟繼 電器控制閥門關閉或者開啟。 6） 本系統(tǒng)要求具有模擬量采集， A/D 轉換，參數(shù)輸入， LCD 顯示，時鐘日歷顯示，自動報警等功能。 齒輪泵 流量監(jiān)測