简单智能液体加注装置.docx
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简单智能液体加注装置
智能液体加注装置
班级：
11班电子信息2班4组
小组成员：
组长：
艾白
组员：
李明明、杨凯丽、路漫漫、贺莲花
指导教师：
高老师
摘要
本系统采用STC单片机89C52RC作为核心处理芯片，自动注水小车系统的软件设计采用高精度的控制算法实现。
平板电动小车采用单个步进电机独立驱动，控制精度高，稳定性好；注水探头也采用单个步进电机独立控制，准确度高;自动注水装置由流量计、高度传感器、滑轮、支架、平板电动小车等构成；另外,系统采用双机通信模块，将平板电动小车行使过程中的注水量、时间、路程、高度参数等分段实时传送，构成了简单的远程控制系统。
Abstract
ThesystemselectsSTCmicrocomputer89C52RCascoreprocessingchip,automaticfillingthecarsystemsoftwaredesignusinghighprecisioncontrolalgorithm.Electriccarusingasingleplatestepmotordrive,independenthighcontrolaccuracy,goodstability;Waterinjectionalsoselectsasingleprobesteppingmotorindependentcontrol,highaccuracy;Automaticfillingdevicebyflowmeters,highlysensors,pulley,bracket,flatelectriccarof;Inaddition,thesystemwithdoublemachinecommunicationmodule,electriccarwillbeflatintheprocessofexerciseandinjectedwater,time,distanee,highlyparameters,suchassectionreal-timetransmission,constituteasimpleremotecontrolsystem.
关键词：
STC单片机89C52RC步进电机，高度传感器，流量
方案设计与论证
根据题目给定条件，对该系统自动注水过程的特点及其控制特性进行了分析。
分析结果表明该系统为一个精确控制系统，且在不同的位置需要注入不同的水量。
由于该系统为一个精确控制系统，采用常规的控制算法精度达不到要求。
因此在软件设计是采用分段式变参数控制算法。
根据以上分析，实现系统要求的关键技术主要有平板电动小车，电机的选择及注水量高精度控制的实现两个方面，根据制作实验装置的实际情况，系统对平板电动小车的要求应定位精度高、速度不宜过快，对注水量有较高的准确度及灵敏度。
为此，分别做了几种不同的设计方案，并进行论证。
1.电机类型选择
方案一：
使用直流电机。
直流电机的特点是速度快，驱动电路简单。
但是直流电机的位置控制难度大，难以达到较高的控制精度。
方案二：
使用步进电机。
步进电机是一种将电脉冲信号转化成相应的角位移（或线位移）的机电组件，它的转角及转速分别取决于脉冲信号的数量和频率。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得它可以达到很高的控制精度，且控制难度要比直流电机小得多。
分析两个方案的优、缺点，本系统采用第二种方案。
2.电机驱动电路选择
方案一：
采用步进电机专用驱动模块。
此方案可以为步进电机提供稳定的工作电压和工作电流，而且外围电路简单、元件少、重量轻、控制简单。
方案二：
采用L298N电机驱动芯片，外围电路简单，电路稳定相对较差。
比较以上两种方案，本系统采用方案一。
3.注水量高精度控制。
方案一：
采用流量计流量计可以精确地控制水流量，操作简单，但是只能单方向测量。
方案二：
测量水位高度的放法。
此方法控制简单，灵敏度高，但精确度不够。
自制高度传感器如图一所示。
综合两个方案的优缺点及题目要求，故基本部分采用方案一，发挥部分采用
基于题目要求及以上分析，本系统主要由平板小车，控制小车设备，水管收放设备，流量计，高度传感器，水泵。
系统各部分功能如下。
1中央处理模块：
采用两片STC单片机89C52RC作为主从控制器，完成系统控制功能。
2电机驱动模块：
采用两片ULN2003A及单片机89C52RC作为步进电机驱动电路。
3水泵驱动模块：
采用一片L298N及单片机89C52RC作为水泵驱动电路
4高度检测模块：
采用自制高度传感器作为高度检测模块。
5电源模块：
采用7812,,7809,7805稳压块及周边器件作为电源。
6双机通信模块：
采用两片STC单片机89C52RC作为发送机与接收机。
7数码管显示模块：
采用开发板自带模块。
8声光报警模块：
采用开发板自带蜂鸣器及发光二极管作为报警模块。
二、理论分析与计算
1、理论计算
⑴水流量计算方法：
采用磁感应、非接触式的流量计量传感器，开关量信号输出，具有测量精度高、耐温、耐潮、耐压（＞1.75Mpa）等特点，精度为0.2564ml
（3900个脉冲/L），脉冲个数N，水量V，可推公式：
V=N*0.2564ml。
4096
下降
O
VCC
5V
R1.
——m1
100kQ
⑵控制水管高度：
采用精度高的步进电机，八拍编码可达到微细控制，个编码转一圈，电机轮周长10cm，可达到24.4^m的精确度，起始高度H，编码数N，水面高度公式：
h=H-NX（100/4096）伽
⑶高度传感器：
R2
-AW
680kQ
①根据实际测量水杯内水的电阻值R0为
50K~200K欧姆。
R3R4
AAAWV
200Q2470Q
2刚开始1端电压为4.36V
3当探针伸入水中时，R0与R2并联阻值为46.6K~154.5K欧，此时1端电压为1.6V~3V.
42端电压为3.5V
5通过比较器比较1端和2端的电压，当探针伸入水之前，比较器输出为高电平，当探针伸入水中，比较器电压为低电平。
图2高度传感器原理
三、电路与程序设计
1、硬件电路设计
⑴主控制电路设计
STC单片机89C52RC主要完成以下功能：
1根据设定的路线和高度控制步进电机运行
2根据设定控制水泵运行。
3计算所有测量数据并传输给显示系统。
4采集流量计数据。
5采集高度传感器数据。
6接收和发送主从机控制命令。
7控制声光报警提示
⑵步进电机驱动电路设计
图4步进电机驱动
采用步进电机专用驱动模块ULN2003A（如图4所示）28BYJ-48步进电机。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及
步进角）。
您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
⑶水泵驱动电路设计
OilTraTJ
ONB
CURREKTSElCiVtUS
LlflE
图5L298电路
采用L298作为驱动电路（如图5所示）
⑷高度传感器及水面报警电路设计
何1Pl*
RH
R15
R1£
R17
R]«
RW
R2C
R21
图6高度传感器
通过传感器采集到的信号传递给比较器，将信号变为TTL电平，通过单片
机控制水位高度及声光报警。
⑸显示模块设计
8位数码管显示
图7数码管
⑹按键模块设计
S4
图8按键
⑺电源模块设计
图9电源
⑻双机通信模块
操作机
控制机
TXD
■*■RXD
RXD
醫
待TXD
GND
■
*GND
图10双机通信
2、软件程序设计流程
软件设计流程图如图11所示。
基本部分工作过程如下：
首先将小车置于A杯出，接通电源，通过控制机发送运行参数及操作指令到操作机，使其开始工作，通过按键设定水量按注水键放下水管开始注水，注水停止后拉上水管。
一次向B、C、D、E、F号水杯中加注水，使水杯中的水达到指定量。
加注完成后小车回到A号杯位置，并给出声光报警。
发挥部分工作过程如下：
小车回到A杯后，继续从A杯开始通过高度传感器，实现加水抽水的过程。
当原杯中有水且水量少于设定的量时，则只加入所缺少的部分；当原杯中有水且水量大于设定的量时，则从杯中吧多余的水抽走；当水桶中的水量少于指定高度时报警。
开始
四、结果分析
本系统经过多次测量反复测试后，系统非常稳定，采用流量计测量的水量在误差范围内满足题目要求，能够精确测量。
但是，通过水位高度注水或抽水时，由于硬件问题，使其误差较大。
流量计测量数据:
组
数次
据、、、、
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
设定值/ml
1.5
2
2.5
3
3.5
4
实测值/ml
1.5
1.8
2.4
2.8
3.5
4
误差/ml
0
0.2
0.1
0.2
0
0
组
数据
第7组
第8组
第9组
第10组
第11组
第12组
设定值/ml
4.5
5
5.5
6
6.5
7
实测值/ml
4.4
5
5.5
6.2
6.6
7.2
误差/ml
0.1
0
0
0.2
01
0.2
组
数据
第13组
第14组
第15组
第16组
第17组
第18组
设定值/ml
7.5
8
8.5
9
9.5
10
实测值/ml
7.6
8.2
8.6
9.2
9.7
10.3
误差/ml
0.1
0.2
0.1
0.2
0.2
0.3
组
数次
据
第19组
第20组
第21组
第22组
第23组
第24组
设定值/ml
10.5
11
11.5
12
12.5
13
实测值/ml
10.6
11.2
11.5
12.1
12.6
13.2
误差/ml
0.1
0.2
0
0.1
0.1
0.2
组
数据、次、
第25组
第26组
第27组
第28组
第29组
第30组
设定值/ml
13.5
14
14.5
15
15.5
16
实测值/ml
13.7
14.2
14.6
15.3
15.6
16.3
误差/ml
0.2
0.2
0.1
0.3
0.1
0.3
组
数次据
第31组
第32组
第33组
第34组
第35组
第36组
设定值/ml
16.5
17
17.5
18
18.5
19
实测值/ml
16.7
17.1
17.7
18.1
18.8
19.2
误差/ml
0.2
0.1
0.2
0.1
0.3
0.2
组
数据、次，
第37组
第38组
平均误差
设定值/ml
19.5
20
0.145
实测值/ml
19.6
20.1
误差/ml
0.1
0.1
高度传感器测量数据:
组
数据、、
第1组
第2组
第3组
第4组
第5组
第6组
设定值/ml
4
6
8
10
12
14
实测值/ml
2.5
8
10.4
12
14.3
16.8
误差/ml
1.5
2
2.4
2
2.3
2.8
组
数据
第7组
第8组
第9组
平均误差
设定值/ml
16
18
20
2.73
实测值/ml
19.2
22
24.4
误差/ml
3.2
4
4.4
分析系统的测试结果，影响系统性能的因素除电路设计外，主要还有以下几点:
1传感器的安装和布局，对其检测效果的影响很大。
2由于水面高度不同，有时产生倒吸或滴漏现象。
3水杯的上下直径不同对测量精确度影响很大。
五、参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础第五版.北京：
高等教育出版社，2006.5
[2]童诗白.模拟电子技术基础第四版.北京：
高等教育出版社，2006.5
[3]孙肖子.实用电子电路手册（模拟分册）.北京：
高等教育出版社，1992
[4]谭浩强.C语言程序设计（第二版）.北京：
清华大学出版社，2000
[4]张毅刚.单片机原理及应用（第二版）.北京：
高等教育出版社，2004
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