基于超聲波傳感器的水箱水位控制

1、計算機控制技術(shù)課程設(shè)計報告計算機控制技術(shù)課程設(shè)計評語：考勤10分守紀(jì)10分過程30分設(shè)計報告30分答辯20分總成績(100分)自動化與電氣工程學(xué)院基于超聲波傳感器的水箱水位控制系統(tǒng)1課程設(shè)計目的超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。該技術(shù)在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。傳感器技術(shù)是現(xiàn)代測量和自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一,從宇宙開發(fā)到海底探秘,從生產(chǎn)的過程控制到現(xiàn)代文明生活,幾乎每一項技

2、術(shù)都離不開傳感器。液位控制在多個領(lǐng)域都有使用，所以實現(xiàn)其自動化檢測具有非常重要的意義。通過壓力傳感器實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)，具有體積小，實際應(yīng)用系統(tǒng)簡單實用，成本低，效益好；具有較高的性能價格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高等優(yōu)勢。該課程設(shè)計是通過相關(guān)超聲波硬件組合調(diào)試實現(xiàn)對液位高度的控制，通過一系列的放大比較將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信號，然后通過對數(shù)字信號的各種處理實現(xiàn)類比，將液位高度的變化通過數(shù)字信號的不同反映出來，顯示結(jié)果，實現(xiàn)對液位高度的實時監(jiān)控。圖1 設(shè)計原理圖2設(shè)計方案及原理超聲波測距的方法本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量水

3、箱水位后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測試傳輸時間可以得出距離。圖2 設(shè)計原理圖 傳感器的位置距離水箱頂部20cm，水箱高度為100cm。 假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為ts，超聲波傳播速度為vm·s1表示，則有關(guān)系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，溫度的變化會變成擾動，按式(2-2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=3314+0607T (2-2)式中，T為實際溫度單位為，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為ms。表2-7

4、聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米秒）313319325323338344349386在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速c是基本不變的，計算時取c為340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正，我做的PID控制中不斷修改算法，在擾動中的不斷控制，模擬了溫度對于超聲波傳感器的影響和對液位計算的影響，在實際測量時利用單片機的計時功能實現(xiàn)距離的測量。3 硬件設(shè)計3.1硬件結(jié)構(gòu)圖圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖3.2硬件選型(1) 控制器分為上位機和下位機。上位機為控制計算機，通

5、過反饋的高度與設(shè)定的高度進行對比，通過預(yù)先設(shè)定的算法計算出控制量u；下位機為AT89C51即單片機，接收由上位機所給出的控制量，對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。AT89C51具有如下特點：4kB Flash片內(nèi)內(nèi)存儲器，128 byte RAM，32個外部雙向輸入輸出口，5個中斷優(yōu)先級，2個16位可編程計數(shù)器，2個全雙工串行通信口。如圖所示為單片機部分的功能選擇圖4 單片機部分(2)D/A轉(zhuǎn)換器采用DAC0832，8為D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。主要參數(shù)：分辨率為8位；電流穩(wěn)定時間1微秒；可單緩沖、雙緩

6、沖或直接數(shù)字輸入；可單一電源供電（5V-15V）；低功耗，20mW。(3)驅(qū)動電路采用繼電器和三極管如圖3所示的連接方式。通過給I/O端口高低電平來控制繼電器的通斷，繼而控制水泵控制水量的占空比，以達到控制水位的目的，如圖所示。其中三極管為控制開關(guān)作用，當(dāng)輸入高電平，NPN飽和導(dǎo)通，繼電器線圈通電，觸電吸合，使220V電源接通。反之，輸入高電平，NPN截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。圖5繼電器、三極管驅(qū)動電路(4)執(zhí)行機構(gòu)采用水泵控制。根據(jù)相關(guān)資料對于水量液位的變化，水泵可以迅速反應(yīng)，對液位進行升高或者降低。(5)在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多;頻率取得太高，在傳播的過程

7、中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCM-T40KI和一支接收傳感器UCM-R4OKI組成，工作在標(biāo)準(zhǔn)電信號。5V供電電壓，其特性參數(shù)如表2-5所示。型號UCM-T40K1UCM-R40KQ結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接收中心頻率頻帶寬靈敏度聲壓表1傳感器特性參數(shù)表選擇公司是德國西克（SICK）智能傳感器公司。(6) 顯示部分采用數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路可以實現(xiàn)溫度的實時顯示以便觀察水溫變化。4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1被控對象模型的建立首先要建立被控最想模型，我選用的有水箱，電機和水泵，利用PID進行控制，由于超聲波測距控制系統(tǒng)

8、的控制對象具有液位的變化收到溫度影響，慣性也較大的特點，因而可以將被控對象歸于一階慣性環(huán)節(jié)，即可將被控對象的傳遞函數(shù)表示為，為了確定K,T的值可以繪出系統(tǒng)加上階躍信號，繼電器的占空比位100%的工作曲線，已知被控對象的傳遞函數(shù)的K為65，由自控原理一節(jié)慣性環(huán)節(jié)的特性可知，一階系統(tǒng)過渡過程重要特征點是系統(tǒng)輸出達到過渡過程總變化量的63.2%的點。通過計算水箱水位上升到的高度（相對于傳感器），所用的時間即為時間常數(shù)T，經(jīng)網(wǎng)上查閱水位上升到83.2的T取320。因此繼續(xù)通過控制PID來調(diào)節(jié)參數(shù)，被控對象模型的傳遞函數(shù)為。經(jīng)網(wǎng)上查閱資料可知，電機模型和水泵模型的被控對象函數(shù)分別為，由此可以知道被控對象

9、的開環(huán)傳遞函數(shù)。4.2 系統(tǒng)仿真及實際調(diào)試本設(shè)計是閉環(huán)控制系統(tǒng)，我選用的是基于4：1的衰減曲線法的PID參數(shù)整定，PID控制是按偏差的比例、積分和微分進行控制的一種控制規(guī)律。（1） 首先，將PID變成比例控制，只存在比例控制，將Ki和Kd都變?yōu)?，給定值為階躍函數(shù)，觀察曲線的衰減情況，直到衰減比為4:1，即可得到和Ts。由表可知，如下圖所示圖6 MATLAB仿真圖7 MATLAB仿真由下表可算得和Ts分別為0.8和0.0167。圖8 MATLAB仿真（2） 如上表所示，可以算得Ti和Td，即Ti=0.24，Td=0.08，又因為下列的Kp比例增益Ki=積分系數(shù)Kd=微分系數(shù)將積分微分系數(shù)加入到

10、仿真中，可以得到下面的仿真圖。圖9 MATLAB仿真圖10 MATLAB仿真（3）數(shù)字PID位置型控制算法：在此基礎(chǔ)PID整定辦法上不斷調(diào)節(jié)參數(shù)，在有擾動的情況下，直到曲線控制最優(yōu)?？梢缘玫終p=25，Ki=7，Kd=27，如下圖所示。圖11 MATLAB仿真如圖所示：(1) 比例調(diào)節(jié)器簡單快速但對于具有自平衡性的控制對象存在靜差。加大比例系數(shù)Kp可以減小靜差，但當(dāng)Kp過大會使動態(tài)質(zhì)量變壞，引起被控量震蕩甚至使閉環(huán)不穩(wěn)定。(2) 比例積分調(diào)節(jié)器中積分環(huán)節(jié)的加入有助于消除系統(tǒng)靜差但是會使調(diào)整時間變長。Ti時間積分大則積分作用弱，反之積分作用強。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調(diào)，提高穩(wěn)定

11、性。(3) 比例積分微分調(diào)節(jié)器中微分作用的加入對偏差的任何變化都產(chǎn)生一個控制作用，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出阻止偏差的變化，偏差變化越快，反饋矯正量越大。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動作速度減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)動態(tài)性能。5心得體會在本次的課程任務(wù)中，我學(xué)習(xí)了計算機控制技術(shù)中所學(xué)的有關(guān)于PID算法，輸入、輸出通道的組成，A/D轉(zhuǎn)換器分辨率以及計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成有了更加深刻的認(rèn)識。與此同時通過這次課程設(shè)計，我熟練掌握了MATLAB仿真過程。最重要的是我對于基于超聲波傳感器的控制系統(tǒng)的控制過程有了很大的進步。參考文獻1姜道連,寧延一,袁世良.用AT89C2051