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毕业设计论文数字伺服物位计设计论文
1前言
1.1设计的目的和意义
在一些生产过程中，常常需要知道容器（塔、罐、槽、料斗、储仓等）中储料的多少和储料的高度，而这个高度就是物位。
物位不仅是物料耗量或产量的计量参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数[1]。
目前来看，我国物位测量仪表市场发展空间还是很大,但市场分割的基本格局短期内不会有太大变化,一些高端技术产品主要还靠进口。
而国际上的一些大公司都已向中国进军,现在竞争十分激烈[2]。
随着国内科技的进步发展， 一些新建大型工程的自动化程度基本上与国际接轨,因此对产品的可靠性、稳定性、精确度等要求也更高。
因此，加快技术发展成为极为迫切的需要。
不断地创新产品，提高物位计的精度，自动化程度，以及实现远程调控等是我们目前要共同努力解决的问题。
现在市场上各种各样的物位计的种类十分繁多，被广泛应用的有十多种，其中包括雷达物位计、超声波物位计、电容物位计、射频导式物位计等等
而在此设计的数字伺服物位计有着更多的优点[3]，运动部件少，液位计的长期运行中不需要对其进行标定调整，可靠性生高；高精度，全量程无盲区，全量程液位精度可达5mm；长期稳定性好；安装方便，液位计与储罐间采用法兰连接方式；操作简单，不需打开任何盖，光敏键设定，具有自诊断及通信功能，不需要人工干预，液位仪表免维护等优点。
正满足现在市场的高精度的要求。
1.2国内外现状
八十年代中期以来,随着我国经济的发展和自动化程度的提高,对物位仪表的需要在品种上及数量上都急剧增加。
这时国外的物位仪表厂商看好中国市场,并开始进入。
为了提高自己的生产能力,我国开始引进技术。
这时期是我国石油以及石油化工工业得到较大发展的时期,对物位仪表产生较大需求,一些乡镇企业抓住了这个机遇,发展了起来。
国外物位仪表公司与国内有关厂合资,主要是想借中方帮助进入中国市场,中方则希望通过合作提高自己的制造能力及产品性能,以及有可能通过返销进入国际市场。
这几年的发展也证明了合资厂比国内企业更有生存能力。
合资厂目前已开始组装简单的电子产品,如电容物位开关、音叉物位开关。
较复杂的电子产品仍以代销为主,真正在国内生产的还是一些机械类产品,如磁重锤被位计及开关、阻旋开关等。
这类产品机加工量大,国内加工成本可降低很多,并有能力做好。
九十年代以后,国内新建大型工程的自动化程度基本上与国际接轨,因此对超声波雷达、电容式、磁致伸缩等先进的物位仪表需求量大增,而且对产品的可靠性、稳定性、精确度等要求也更高。
八十年代中的引进产品到九十年代末与国外同期产品相比已无先进性可吉,自行开发也难以在短期内见效。
故这段时间的市场情况是高端产品基本上是由国外公司占领,中端产品由合资厂或上海自仪五厂等用组装方式来供货。
低端产品大多是机加工量很大的产品,国外产晶戚本很高,故基本上是国内工厂供货。
在高端产品市场上,国内物位仪表行业并不是完全无所作为的。
有一部分技术人员领衔组成的民营企业,自己开发并生产较先进的物位仪表,有些已有较好效果。
如瑞普阿司克仪表公司生产的超声波物位计、航天智控工程公司生产的雷达物位计及磁致伸缩液位计、上海德中仪表公司生产的电容物位计、哈尔槟吴维科技公司生产的用于贮罐精密计量的磁致伸缩液位计等.这些产品目前在性能上还不能完全和国外产品抗衡,规模也较小,但在不断提高中,而且价格低廉,故在市场中已有一席之地[2]。
1.3设计内容
在食品、化工、石油等行业有大量的储料罐（固态或液态物料），需要实时监测储料罐的状态，如料位、温度、压力、容积等。
本课题设计一种基于数字伺服原理的高精度物位计。
实现对储料罐料位的测量、显示和远传变送。
1.3.1设计初始参数及要求
（1）物位计量程200～5000mm；
（2）物位计分辨率0.2mm；
（3）精度5mm；
（4）RS485或4-20mA；
（5）数字信号输出遵循MODBUS协议。
1.3.2毕业设计工作量要求
（1）设计计算说明书的字数不少于1.2万字，正文部分不少于12～20页（含插图折合成字数）
（2）物位计硬件原理图，硬件接线图；
（3）物位计软件流程图和程序源代码；
（4）外文文献翻译1份，译成中文字数不少于2000字。
2总体方案设计
2.1功能和性能要求分析
设计的数字伺服物位计实现对储料罐料位的测量、显示和远传变送。
物位计精度与测量范围如上面所示。
为了完成物位计的要求，物位计的设计分三个方向，分别是机械部分、硬件电路部分、软件程序部分。
机械部分：
机械部分完成的是与物料接触，产生浮力，由浮力使轮毂转矩改变。
整个部分是实现物位的变化转变成转矩的变化。
硬件部分：
由霍尔传感器检测到的转矩引起磁性联轴器之间磁感应强度的变化，由硬件电路中的一系列芯片，其核心是单片机，实现数据的采集、比较、计算、控制。
软件部分：
设计中离不开软件部分，硬件部分中的芯片要完成的过程需要软件的配合，光有硬件是不能完成物位的测量的。
软件的编程可以用C语言或汇编语言来编写。
2.2设计方案比较、分析、确定
2.2.1设计方案的比较分析
在设计数字伺服式物位计时，方案有很多种。
其中需要驱动轮毂带动重锤转动，为了实现可控制的伺服驱动，在这里可以使用步进电机驱动和伺服电机驱动；控制的实现可以用单片机，也可以采用PC机。
在检测物位时，传感器可以选择霍尔传感器或力传感器，只是不同的传感器需要不同的机械结构。
下面对这些不同的方案进行比较分析。
（1）步进电机和伺服电机的比较
在控制精度、低频特性、矩频特性、过载能力、运行性能、速度响应性能等方面比较，伺服电机更具优势。
但在本设计控制系统的设计过程中综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用步进电机更合适。
如果需要的扭矩比步进电机的堵转扭矩小很多，那么，步进电机一般不会出现丢步现象，方便控制。
（2）PC机和单片机的比较
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分
析仪）。
而PC机功能跟强大，但在智能仪表中，它的体积，面积太大，并不适用本设计中，反而单片机更合适。
（3）霍尔传感器和力传感器的比较
若用霍尔传感器检测的是磁感应强度B，力传感器直接检测的是力。
若用力传感器，机械部分的设计要求更高，否则影响整个物位计的测量精度。
所以在物位计的设计中选择的是霍尔传感器。
由此比较分析，数字伺服物位计的设计方案采用步进电机、单片机、霍尔传感器相结合。
实现了高精度、微控制、价格低等优点的物位计。
2.2.2设计方案的确定
由上面的方案的比较分析，以及阅读了大量的参考文献，结合设计的基本要求，最终确定了详细的方案如下：
重锤由高刚性低弹性的钢丝悬挂在轮毂上，轮毂与齿轮之间的运动传递，通过永磁型联轴器实现[4]。
步进电动机转动，经齿轮传递使外磁毂转动，从而带动内磁鼓转动，以此使重锤上下移动。
传感器采用霍尔感器，霍尔传感器可以检测磁性联轴器之间的磁感应强度B的大小。
若测量的是液体，重锤的密度必须大于被测液体的密度[5-6]，由此确定数字伺服物位计的机械结构示意图如图2.1
图2.1数字伺服液位计机械结构示意图
当重锤的一部分浸没于被测液体中或接触到固态物料上，浮力受到向上的拉力即钢丝上的张力，等于重锤的重量减去它所受向上的浮力，由于拉力的减小，磁性联轴器的转矩减小，霍尔传感器检测的磁感应强度减小，转换成电信号反馈到单片机上，当达到与单片机中预置的电压相同时，单片机控制步进电机，使步进电机停止运转；。
单片机记录此时步进电机从定位点到此处的步数,从而计算出罐空高h则液高L=H-h,其中H为罐高值。
若小于预置电压时，步进电机带动轮毂向上运动，反之，向下运动。
伺服液位计的原理框图如图2.2
图2.2数字伺服物位计原理框图
3机械部分设计
3.1机械部分的组成和作用
为了要实现物体位置的测量，如上所述，机械部分包括重锤、钢丝、轮毂、磁性联轴器、齿轮减速器、步进电机。
为了准确测量物料的位置，各机械部件的设计要精确、细致的设计，以实现设计的要求。
3.2数字伺服物位计机构的设计
3.2.1重锤的设计
重锤是本设计的关键，重锤浸入液体时，受向上的浮力，重锤的密度必须大于被测液体的密度。
根据测量范围，确定重锤的基本参数如下：
形状：
柱形其形状如图3.1：
图3.1重锤形状示意图
重量：
150g
材料：
361不锈钢
直径：
30mm
其中316不锈钢的参数如表3.1：
表3.1316不锈钢的参数
密度（g/cm3）
抗拉强度（Mpa）
屈服强度（Mpa）
伸长率（%）
面积缩减（%）
8.03MIN
620MIN
310MIN
30MIN
40MIN
3.2.2钢丝绳的设计计算
设计中钢丝绳的自重、拉伸变形对测量精度都有一定的影响。
而温度以及材料本身的性质是影响钢丝绳的关键因素。
在这里确定钢丝绳的基本参数和了解钢丝绳自重的影响。
（1）钢丝绳的参数选择
材料：
316不锈钢
直径：
0.15mm
根据物位计的量程是200~5000mm，设定钢丝绳的长度为6000mm
（2）钢丝绳的自重
由于随着轮毂的转动，重锤下降，钢丝绳的长度增加，钢丝绳的重量对钢丝绳的拉力的影响也越来越明显，图3.2是重锤接触被测物料受力示意图，
图3.2重锤接触被测物料受力示意图
每1mm长的钢丝绳重：
g
（3.1）
其中式中的：
为线上的拉力；
为重锤的重量；
重锤的直径；
为钢丝绳单位长度的重量；
浸入所测液体的深
钢丝的长度；
被测液体的密度；
由此的：
（3.2）
令
，则
（3.3）
假设被测液体的密度是1g/
，x每增加1m，平衡点的增加量为0.80255mm，即被测液体为常温水时，钢丝绳长度每增加1246mm,液面平衡点下移1mm。
3.2.3轮毂的设计
钢丝绳缠绕在轮毂上，重锤通过钢丝绳与轮毂的联接，重锤随轮毂的旋转上下移动。
并且轮毂的螺纹对钢丝有定位作用，为了提高物位计的精度，轮毂需要精密的加工。
由钢丝绳长6000mm，设轮毂的周长为50mm，（即：
50mm/r），宽为15mm。
3.2.4联轴器的选择
电动机的转动传递到轮毂，需要联轴器。
此设计采用永磁性联轴器。
轮毂所受的转矩等于联轴器的转矩，转矩公式为[7]：
（3.4）
其中式中的
T轮毂所受的转矩；
d轮毂的直径;
由于钢丝绳的重量对测量的影响，对轮毂的转矩也包括钢丝绳，
；由轮毂的周长可知轮毂的直径
。
若
，则
。
根据《联轴器、离合器设计与选用指南》[1]，选择的型号为CLN4.5，即公称转矩是4.5Nm,完全满足重锤与钢丝绳的最大转矩到的需求。
选择的联轴器其材料为钕铁硼永磁铁，类型属于径向型。
由于磁体之间的轴向磁力和切向磁力的作用，使被动轴也同步旋转，实现力矩的传递。
磁性联轴器是利用磁体之间的作用力传递力矩，实现无机械连接。
因此永磁型联轴器有以下特点：
（1）实现绝对密封。
因此，可防止易燃，有腐蚀性的气体浸入量鼓所在的封闭仓中，可以实现高等级的防爆。
（2）具有良好的缓冲吸振能力。
（3）在公称转矩范围内同步旋转，无摩擦部件，无需修理，工作寿命长。
（4）过载保护[8]。
3.2.5步进电机的选择
步进电动机发出脉冲，每发一个脉冲，电机转动一个角度，通过齿轮减速结构，磁性联轴器,传到轮毂，使轮毂旋转，以控制重锤上下移动或停止。
由于物位计分辨率为2mm，重锤和钢丝绳产生的最大转矩是0.02367Nm，所以初步选择两相混合式步进电机86系列[9]，其型号为J86HB80-04。
步进电机的具体参数如表3.2
表3.2步进电机J86HB80-04的基本参数
相数
步距角（°）
保持转矩（N.m）
额定电流（A）
转子惯量（g.cm2）
转子重量（Kg）
2
1.8
4.5
4.2
1400
2.3
3.2.6齿轮传动的设计
按设计的要求，物位计的分辨率为0.2mm，由上可知步距角的大小为1.8°，物位计的分辨率即为步进电动机发一个脉冲，浮子移动的距离。
轮毂的周长为50mm，所可计算齿轮的传动比
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，模数取1.5，确定齿轮齿数为：
由此确定两齿轮的具体尺寸[10-11]如表3.3
表3.3齿轮具体尺寸
齿数
8
10
分度圆
12
15
齿顶圆
15
18
齿根圆
11.25
14.25
齿宽
12
12
中心距
13.5
4硬件电路的设计
4.1控制系统的功能和要求分析
物位计控制系由一系列的硬件电路组成。
机械部分的结构能将物位的变化转化成磁性联轴器的转矩变化，而控制系统测试将转矩的变化由霍尔传感器测得，经模数转换，输入给单片机，单片机经比较、运算，控制电动机的正反转或停止。
整个系统的
参数转换如图4.1：
图4.1参数变换转换框图
4.2控制系统的组成及其设计
硬件电路的组成可以分成几个部分，每一个部分实现一个功能，为了实现数据的采集、控制，电路包括电源电路、复位电路、按键电路、A/D转换电路、RS485输出电路、LCD显示电路等
4.2.1霍尔传感器的选择
如上面所示，霍尔传感器的作用是将检测联轴器之间磁场磁感应强度，以电压信号输出。
在使用霍尔元件时，温度的影响十分的大，温度漂移对测量得精确程度的影响程度是不可忽视的，一般使用时，要加温度补偿电路，所以这里选择的霍尔传感器本身带温度补偿，其型号为TLE4997。
霍尔传感器TLE4997具有以下优秀的性能：
高线性比率推挽式轨对轨输出信号；20位数字信号处理；数字温度补偿；12位的分
辨率；工作于-40℃至150℃的；低漂移输出信号在温度和寿命；可编程的EEPROM中存储的参数（磁范围和磁场灵敏度（增益）；零场电压（偏置）；带宽；极性的输出斜率等）。
线性霍尔TLE4997特殊设计以满足高精度的旋转和位置检测的需求。
该传感器提供了一个比例模拟输出电压，非常适用于模数（A/D）与作为参考电压的转换。
该集成电路生产高电压能力的BiCMOS技术，并提供反极性保护。
数字信号处理使用的是16位DSP架构和数字温度补偿保证在相当长的时间内出色的稳定性。
最低的总体分辨率为12位。
而且，一些内部阶段的工作分辨率高达20位[12]。
4.2.2步进电机驱动器的选择
由步进电机的型号选择驱动器，步进电动机采用的是两相混合式步进电动机的86系列，驱动器选择的型号是：
YKA2404MB。
这个驱动器性能高、平稳性好、价格也低，十分合用。
4.2.3单片机的选择
随着科学技术的发展，单片机的应用也越来越广泛，单片机在测量仪表中使用，为测量技术的发展提高到了一个更高的程度。
单片机从低八位到高八位，以及现在的32位、64位。
在本设计中选择的单片机的型号是80C52。
80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。
80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出（I/O）口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路[13]。
此单片机足够满足设计的需求。
4.2.4电源电路的设计
单片机的电源设计是单片机应用系统设计中的一项重要工作，电源的精度和可靠性等各项指标，直接影响系统的性能。
在整个硬件系统中，单片机和各个芯片都需要+5v的电源，三态稳压集成电路7805[14]，所以电源的电路的设计图4.2：
图4.2电源电路
4.2.5复位电路的设计
复位电路的基本功能是，系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
80C52的基本复位电路设计如图4.3：
图4.3复位电路
4.2.6晶振电路的设计
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率，晶振电路如图4.4
图4.4晶振电路
4.2.7A/D转换电路的设计
霍尔传感器采集的信号输出是电压，模拟量信号，单片机不能识别，因此需要A/D转换器，将电压信号转换成数字信号，传递给单片机。
这里选用的是ADC0809。
ADC0809的分辨率为8位的二进制数；每路A/D转换完成时间为100μs;工作频率为500Hz，输出与TTL电平兼容[15]，基本满足设计的要求。
图4.5是ADC0809与单片机的接口电路
图4.5ADC0809与单片机的接口电路
4.2.8按键电路的设计
任何仪表中都有功能选择的按键，在数字伺服物位计中也同样需要按键，在这里只设计了三个按键，一个的功能是功能键，一个是“+”，最后一个是“-”。
其电路图如图4.6
图4.6按键电路
4.2.9RS485电路设计
要进行远传变送，数据的输出可采用4～20mA或RS485两种方式，在这里采用的是RS485输出，MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS－485芯片MAX485是市面上最为常见的RS422芯片，亦是用量最大的RS422芯片，性价比高，优质[16]，所以这里选择MAX485。
MAX485的接线如图4.7.
图4.7MAX485的接线图
4.2.10LCD电路设计
LCD物位计的测量的结果需要显示出来，现在常用的显示器是LCD和LED显示器。
晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
在本设计中物位计的量程是200～5000mm，所以要显示的物料位置要占8个字符，“H:
5000mm”，下一行则显示功能键所处的功能。
所以根据需求选择LCD0802。
LCD0802的接线图如图4.8
图4.8LCD0802的接线图
4.2.11E2PROM电路的设计
为了防止断电时，数据的丢失，采集的数据以及计算后的数据要存放在EEPROM中。
E2PROM是电可擦可编程只读存储器。
其型号有很多，在这里选择的的是AT24C02，它一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位的字节，CMOS减少了器件的功耗。
E2PROM的接线图如图4.9。
图4.9E2PROM的接线图
5软件部分的设计
5.1软件实现的功能
有了硬件电路则需要软件的配合，系统软件设计是实现整个测控系统正常运行的主要部分。
软件在设计中要实现数据的采集、计算，单片机对电动机的控制等。
数据通过A/D转换器采集传感器的数据，并转化传给单片机；转化后的电压值与系统预置的电压值进行比较，若小于，单片机正转；等于，停止；大于，则反转。
同时单片机记录步进电动机的步数，停止时，将记录的步数计算成液压值，在液晶显示器上显示。
5.2主要功能模块设计流程图
5.2.1数据的采集
ADC0809数据的采集有查询方式和中断方式，查询方式浪费CPU的时间，而中断方式可提高CPU的利用效率。
在主程序对INT0进行初始化，并启动A/D转换，当A/D转换结束时，向CPU发出中断申请，CPU在中断程序中读A/D转换值，之后结束A/D转换。
ADC0809采集数据的流程图如图5.1
图5.1数据采集的流程图
5.2.2单片机的主程序
单片机的主程序实现液位的读取、显示和步进电机的的转动。
初始化后，读取的A/D值与单片机预置的值相比较，判断重锤在料位的什么位置，从而控制电动机的的正反转或停止，若停止，则读取液位值。
其主程序流程图如图5.2
图5.2单片机主程序流程图
6结论
本设计主要是为了满足目前在食品、化工等行业中对物料的测量在精度、自动化程度等方面越来越高的要求，而设计的该精度数字伺服物位计。
在文从机械结构设计、硬件的设计以及软件的设计三个方面全面的阐述了设计的整个过程。
实现了如下的功能：
（1）采用磁性联轴器，以实现防爆功能；
（2）RS485输出，可进行远距离的传送；
（3）数字信号输出遵循MODBUS协议；
（4）达到了高精度的技术要求，精度可达5mm；
（5）LCD液晶显示，分辨率可精确到2mm
由于时间和条件的有限，设计中还有许多需要完善的地方。
有待进一步研究的问题和以后的工作方向：
（1）精度的要求和量程的范围还可以进一步提高；
（2）在硬件的设计和软件的算法经适当的改进，可实现进一步扩充系统，达到系统的网络化、智能化
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