基于单片机及labview的制浆机水量调节系统的研究与设计大学论文.doc
基于单片机及LabVIEW的制浆机水量调节系统的研究与设计 基于单片机及LabVIEW的制浆机水量调节系统的研究与设计 Research and Design for the adjustment of water supply based on MCU and labview 摘 要 本次设计为一种制浆机及其控制方法，对此方面文献资料较少，因此论文难度偏难，需要参考资料非常之多。本设计制浆机，包括有水量检测传感器、装在水量阀上的电机及控制装置、置于机头下端的盛浆容器。其特征在于所述盛浆容器内或机头上装设有用于检测浆量（将浓度的测量转化成对浆水的重量测量可以避免浓度探头的损伤带来的经济利益的损失，而且方法更为简便）并将检测结果反馈给控制装置以供控制装置选择不同制浆程序的水位检测装置，水位检测装置的信号输出端与控制装置的信号输入端电连接。本发明制浆机的控制方法：质量检测模块将检测到的固定体积水量质量数据传输到上位控制界面，控制界面将接收到的水量质量数据与之前设定的数据进行比较分析，并得出加入容器内的实际水量；从而控制水量阀的开关大小。底层硬件部分为单片机控制的质量测量模块，经串口与LabVIEW相连接，上位机用LabVIEW编写控制界面。 该论文有图64幅，表0个，参考文献 84 篇。 关键词：制浆机，MCU，LabVIEW，水量控制。 Abstract the design is a system that focus on the control tecnology of water supply for paper/juice pulp making machine.there is a lack of literature major in this field,so this is kind of different,and I have to consult so many teachers and friends.the machine is include sensors for measuring the water supply,the control facilities of water swithse and the container for water.Its characteristics is the pulp container or arranged on the hand piece has used for detection of plasma volume (concentration measurement transformation gravim etric measurements with pairwise serofluid can avoid loss of concentration probe caused by the damage of the economic benefits, and the method is simple and convenient) and the detection results feedback to the control device for controlling device to choose different pulping process of the water level detection device and water level detecting device of the signal output terminal and the control device of the signal input end of the electric connection. The control method of the pulping machine of the invention: water level detecting device to detect the water level data transmission to the control device, control device to receive the data of water level and pre stored data for comparative analysis, and draw to join Sheng slurry vessel within the actual content; control device with the recall of the actual amount of water corresponding to the pulping process, then adjust the size of the water, pulping machine began pulping. The pulping machine of the invention can avoid the defects of the pulping halfway overflow caused by the addition of water quantity or the small amount of pulping material and the difference of the texture of the pulp. The underlying hardware part is the quality measurement module controlled by single chip microcomputer, which is connected with LabVIEW through serial port, and the host computer is programmed by LabVIEW to control the interface. Keywords: vehicle inverters, SPWM, push-pull converter, power switches 目录 1 绪论 1.1 课题研究的背景 1.2制浆机水量控制技术研究现状 1.3 对我国制浆机水量控制技术的分析和课题提出的意义 1.4 本课题设计要求与主要研究内容 1.4.1 本课题设计要求 1.4.2 本课题主要研究内容 2 硬件设计 2.1 底层测量模块硬件选型 2.1.1单片机选型 2.1.2 测重传感器选型 2.1.3 AD芯片选型 2.2 硬件电路设计 2.3硬件数据采集控制 3 系统软件设计 3.1单片机测质量部分程序设计 3.2串口通信部分程序设计 3.3 labview控制界面编程及设计 3.3.1 labview简介 3.3.2 数字PID控制算法 3.3.3 LabVIEW界面PID控制设计 4 软件程序 4.1 ADS110模数转换程序 4.2单片机串口收发程序 4.3 LabVIEW界面串口收发图形化编程 4.4 LabVIEW控制界面图形化编程 5 实验仿真分析 6 总结与展望 参考文献 1 绪论 1.1 课题研究的背景 伴随着时代的发展，人们对制浆的需求越来越多。制浆机是造纸行业使用多种含纤维原料进行制浆生产专用设施，它是纤维再使用造纸过程中广泛采用的机械设施之一。制浆机中,可一次性制成白度70以上的白浆或根据用户需要制成本色浆,满足生产多种纸品的需要。它完全可替代蒸球制浆,整个制浆过程,快速，无污染、高效、无需高温、高压,是最佳的制浆机械。今年一季度，全国共生产机制纸及纸板2832万吨，同比增长3.8%，相比于去年同期的0.8%涨幅明显恢复。机制纸及纸板产量的增长，使得国内造纸及纸制品业主营收入同比增长6.7%，但增幅则下降3.5个百分点，表明市场需求减弱，产能过剩的加剧。造纸行业发展缓慢的原因主要有三个：一是造纸业属于传统行业，前十年是造纸业的黄金发展期，而现在纸品市场已基本饱和，目前处于一个瓶颈期；二是受宏观消费的影响，轻工行业的增速与 GDP 高度相关，近年来我国经济由高速增长进入了新常态，GDP增速不断放缓，快速消费品以及高端消费品的增速也随之回落，行业下游需求不振导致增速下降；三是受外部环境的影响，造纸行业的出口量增速近年来也在逐渐放缓，行业生存压力相对较大。 1.2制浆机水量控制技术研究现状 据中国造纸协会调查资料显示 2008 年全国纸及纸板生产企业约 3500 家；全国纸及纸板生产量 7980 万吨较上年增长 8.57%，消费量 7935 万吨；2007 年瓦楞原纸产量约 1350 万吨，进口量约 60 万吨。我国的纸及纸板产量在 20002008 年间实现了每年 12.78%的高速增长。在纸和纸板产量高速增长的背后却暴露了我国制浆造纸工业的困境：纤维资源短缺，用水量大，环境污染严重。目前，我国造纸的原料结构中，木浆所占比例较少，国产木浆就更少，2008 年我国木浆消耗 672 万吨，废纸浆消耗 4439 万吨，非木浆消耗 1297 万吨。木浆进口量有持续增加的趋势，废纸浆占纸浆消耗的绝大部分，非木浆用量比例有所减少。我国现有林业用地面积 2.63 亿公顷，活立木蓄积量 124.9 亿立方米。对生态环境造成了严重的危害。随着国家对企业排污标准的提高，草浆生产在越来越多的省份受到限制，一大批生产污水不能达标排放的企业面临被强制关停的境况。据统计仅 2008 年全国就有 3000多家小型纸厂被关，其中草类制浆造纸厂据多数。由于废纸制浆相对污染较少，水处理较为简单，因此以废纸为原料制浆造纸的企业迅速增加。在此情况下水量控制显得尤为重要，可以使制浆流程大幅简化，而且可以使制浆效率得到提高。 1.3 对我国制浆机水量控制技术的分析和课题提出的意义 现代制浆造纸装备具有大型、高速、连续、复杂、自动化程度高、成套化和控制精度要求高等特点,装备要具备高速生产过程浆料纤维悬浮液等多相流、多介质、宏观微观均衡分布和质量能量动力传递等功能,同时与机、电、仪和计算机等高新技术相结合配套,而且是当今新材料和先进制造科技水平的综合1。制浆造纸装备从其科技含量角度上看当属高科技类成套装备,可以说现代制浆造纸装备是在当今工业品制造业中所用的科技含量与水平较高的装备中少有的,因而具有先进水平的大型制浆造纸成套装备价格昂贵,只能被国外少数公司垄断。近年来,通过成套引进或引进关键部件的方法,我国制浆造纸装备的制造能力和科技水平有了一定提高1。世界先进装备厂商在我国的落户和国产化设备制造水平的提高,不仅缩小了我国与国际先进水平的差距,同时也引入了先进的管理方法和技术人才,提高了产品研发能力和自主创新能力。我国制浆造纸工业已拥有世界上领先的制浆造纸技术和装备,如连续蒸煮、氧脱木素、二氧化氯制备及漂白、各种化学机械制浆、涂布加工、废纸脱墨,带有夹网成形器、靴式压榨、单排烘缸、机内超压、软压光等高速纸机,废水处理系统, QCS、DCS、MCC、PLC等自动控制系统目前,我国制浆造纸装备已呈现了大型化、高速化、自动化、国产化、成套化的特征和趋势,在此情况下水量控制显得尤为重要，可以使制浆流程大幅简化，而且可以使制浆效率得到提高1。 1.4 本课题设计要求与主要研究内容 1.4.1 本课题设计要求 如图1所示，固体原料和水进入磨料机中，经过磨料机的研磨和水的混合作用生成含有细颗粒的固液混合物，混合物进入混合装置与另一路给水充分混合形成固液混合物的终产品，浓度计1和浓度计2检测固体颗粒在混合物中的浓度，流量计1、2分别计量中间混合物和终产品的流量，流量阀控制混合水的添加量。【】 一、 算法公式 Q2=Q1+Q3 (1) 式中： Q1流量计1计量的流量 l/min Q2流量计2计量的流量 l/min Q3需要水的流量 l/min 1*Q1=2*Q2 Q3*1 (2) 式中： Q1流量计1计量的流量 l/min Q2流量计2计量的流量 l/min 1浓度计1计量的浓度 g/l 2浓度计2计量的浓度 g/l T=Q计*计*10 (3) 式中： Q计流量计2在10分钟计量的平均值 l/min 计浓度计2在10分钟计量的平均值 l/min T产量 g 二、 缺省参数值 Q1：100200 l/min 1：8001000g/l 2：500700g/l 三、 控制要求 根据流量计1、流量计2和浓度计1、浓度计2的检测数值决定水流量阀的流量值大小，浓度计2的计量值上限和下限可以任意调整。 自由选择控制方法（单片机、PC）和通讯方式，出具控制原理图，一次、二次仪表和硬件自主选择，编写相关程序。 要求良好的人机界面，面板或显示器可以显示Q1、Q2、Q3、1、2的值，可以设定Q1、1、2默认值范围。 取2中间值通过算法公式和程序控制混合水的流量。当2值低于中间值20个单位或高于中间值100个单位时黄灯报警，低于下限值或高于上限值时红灯和声音报警。流量计2计量值为0时阀门1关闭。 T值可以清零。显示T值清零以来或开机以后运行时间。 系统可以即时储存相关数据也可打印输出。 本设计主要目的是通过单片机控制系统对本工艺过程实现优化控制从而提高制浆工艺质量。 1.4.2 本课题主要研究内容 第一章，介绍了制浆机水量控制技术的发展和现状，阐述了制浆机水量控制的研究价值和意义。 第二章，介绍了底层质量测量模块的单片机的硬件架构，包括了单片机的选型，AD选型，信号放大电路的选取，质量测量传感器的选择。 第三章 介绍了系统总体的软件设计思路如串口通信部分程序设计，labview控制界面编程及设计等。 ，介绍了各部分的程序编写，如LabVIEW控制界面的后面板的设计，AD 转换编程，串口通信编程等。 ， 实验仿真分析 ，总结与展望 2硬件设计 2.1 底层测量模块硬件选型 2.1.1单片机选型 51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展。成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是 HYPERLINK " t " ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。 其实现在的51内核的单片机功能已经扩展到非常强大了，初学者通常不太了解这方面的知识，只知道AT89S51就是51单片机，它只有 40个脚.遇到一个20、48脚的51单片机他就不认识了，像现在的STC12C5A60S2单片机，也是51内核，但其外围功能和内部资源已经相当丰 富，强抗干扰能力、低功耗、1T单周期指令、高速度、带有SPI接口、PWM输出、PCA、双串口、甚至三串口、自带看门狗、自带EEPROM、扩展 RAM1280字节等，60K大程序存储空间等。所有的单片机中51单片机的结构是最简单的，内部寄存器也是最少的，因此也是最容易入门的。AVR单片机和PIC单片机在51的基础上又增加了 一些其它的外围功能，AVR和PIC系列单片机中，不同型号的单片机还有不同特别功能，比如有带USB接口的、的带CAN总线接口的、有IIC接口、有 SPI接口、有双串口功能等。 因此从本测重系统所需功能来看，51单片机完全能够支持。 2.1.2 测重传感器选型 本测重传感器选型为LC8020完全符合测重要求。其产品特点有： 1.量程范围（kg）:4kg20kg 2.综合精度高，长期稳定性好 3.结构简单，易于安装 4.低截面小尺寸 5.材质铝合金，表面阳极化处理 6.四角偏差已调整 7.推荐台面尺寸：200mm200mm 产品参数见图5，外形尺寸见图6，接线方式见图7，实物图见图8. 2.1.3 AD芯片选型 ADS1110是有差分输入精确的连续自校准模/数A/D转换器，分辨率为16位，封装为小型SOT23-6。片内的基准电压2.048V，提供范围为2.048V的输入差分电压。ADS1110使用I2C串行接口在2.7V至5.5V的电源下工作。ADS1110可每秒采样153060或240次以进行转换片内可编程的增益放大器PGA提供高达8倍的增益并且允许以高分辨率对较小的信号进行测量在单周期转换方式中ADS1110在一次转换之后自动掉电在空闲期间极大地减少了电流消耗。ADS1110为需要高分辨率测量的应用而设计在这种应用中空间和电源消耗是首要考虑的问题典型应用包括便携式仪器工业过程控制和小型发送器 图1 ADS1110引脚图 AT89C51MCU一直常使用ADC。虽然并行ADC转换器速率高、通道多，但其价钱高，并行占用接口比串行AD转换器多。工业控制及智能机械中经常采用串行AD转换器。ADS1110是一种精密、可连续自校准的串行AD转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，其串行接口为I2C总线。AT89C51单片机通过软件模拟I2C总线实现与ADS1110的连接。 ADS1110的特点有：完整的数据采集系统和小型SOT23-6封装；片内基准电压：精度2.048 V+0.05；片内可编程增益放大器PGA；片内振荡器；16位分辨率；可编程的转换速率15次秒240次秒；I2C总线接口(8个有效地址)；电源电压2.7 V5.5 V；低电流消耗240 A4。 ADS1110串行AD转换器采用6引脚贴片封装，其引脚排列如图1所示。VDD：电源端，通常接+5V；GND：模拟地和数字地；VIN+、VIN-：采样模拟信号输入端，其范围为-2.048 V2.048 V；SCL：I2C总线时钟线；SDA：I2C总线数据线。ADS1110是由带有可调增益的-型转换器内核、2.048 V的电压基准、时钟振荡器和I2C总线接口组成。其内部结构如图2所示 图2 ADS1110内部结构图 MCU对ADS1110的鉴别别通过识别地址实现，ADS1110作为从机。 ADS1110的I2C地址是1001aaa，其中aaa是出厂时默认设置。ADS1110有8种不一样的类别，每种类别都有不同的I2C地址。芯片封装时，ADS1110的每个类别都以EDx为标志，其中x是地址变量。ADS1110含有输出寄存器和配置寄存器，可通过I2C端口进行访问。输出寄存器存储AD转换结果，而配置寄存器，二者的设定来控制ADS1110的工作方式，数据传输速度和增益放大器，也可用于查询器件状态。 从ADS1110中读取输出寄存器和配置寄存器的内容的时候，需要在片内对ADC寻址。从ADS1110中读3个字节即可，前2个字节寄存器的输出内容，第3个字节是配置寄存器的操作。读时，只读前2个字节而不读第3个字节。ADS1110的读时序如图3所示。 图3 ADS110读时序图 为了对配置寄存器进行写的操作，要对ADS1110进行片内寻址，并向配置寄存器写进1个字节即可，但不能向输出寄存器写进字节。其写操作时序如图4所示。 图4 ADS110写时序图 2.2硬件电路设计 电子称的硬件结构由以下五部分组成：电阻应变式传感器、信号放大处理电路、AD转换、单片机控制及独立电源。 其结构如图5 所示。测重的过程是把被测物的质量通过电阻应变传感器将质量信号转化为电压输出，信号放大处理模块把来自电阻应变式传感器微小信号放大，放大过后的电压信号经过AD转换为数字量，数字量经过单片机进行处理，然后送上层LabVIEW显进行数据处理控制。 图5 硬件设计框图 质量测量系统中，传感器是重要部位，其精确度，稳定性尤其对测量产生巨大影响。 根据我们设计要求， 设计中选用单点式荷重传感器LC8020，其精度为 百分之零点零三，灵敏度 2.00.2m V/V，额定量程5千克，提供桥电压 为5V。 信号调理电路当称重传感器满负载 5Kg 时，传感器输出电压变化 101m V，此时要求加入ADS1110 的电压为 1024 m V。 若信号放大调节电路的增益为 G。G=1024m V10m V102。信号调节放大电路部分选用高精度、低功耗仪用放大器 INA118，其电路如图 6所示。信号采集处理电路称重信号经信号调理放大后，模数转换是核心部件，目前在低速高分辨率的测量中，delta-sigma 模数转换取得优势地位。 ADS1110 与 STC89C51RC 连接电路如图 7所示 。模数转换后经单片机读出并做数据处理，然后经串口送予LabVIEW用于控制。 图6 信号调理电路 图7 ADS1110与单片机连接图 2.3硬件数据采集控制 图8数据采集控制框图 在本系统中主回路为下层以单品机为中心的信号采集模块，控制回路为以LabVIEW为上位机的界面控制。通过 与LabVIEW进行串口连接，在LabVIEW中进行数据处理比较之后控制水流量阀门进行水流量调节。通过将浆水浓度检测转换为固定体积浆水质量检测，设定固定体积浆水质量上下限，从而可以实现控制浆水浓度的目的。 3系统软件设计 3.1单片机测质量部分程序设计 设计配置8位ADS1110寄存器如图9所列。 位76543210名称ST00SCDR1DR0PGA1PGA0值10011110 图9 ADS1110寄存器配置 ST位的意义决定于它是被写还是被读。在单周期重复性转换方式中，写1到ST位为AD转换开始，写入0无操作；在连续方式中，ADS1110不必操作ST的值。在进行读操作时，ST表示输出寄存器中的数据是否为新数据。如果ST被写入0，则为新数据；如果ST为1，则刚从输出寄存器读出的值以前已经被读过。保留5,6置为0。ADS1110工作方式为SC位控制，当SC是1时，ADS1110以单周期转换方式工作。2,3位控制ADS1110的传输速率，当DR的位3和位2为1表示ADS1110的数据采样率为15 sps。PGA的位1和0控制ADS1110的增益，置PGA位1和0为1、0表示ADS1110的PGA增益为4。 按照硬件电路，采用汇编语言编程，在KeilA51 V8.50环境下调试通过，并成功应用在单片机称重系统中。3.2串口通信部分程序设计 计算机通信的类别计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换.可以分为两大类：并行通信与串行通信。 a、并行通信:通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。 并行通信控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接收存在困难。 b、串行通信：将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。 串行通信传输线少，长距离传送时成本低，可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。 串行通信接口标准如下：RS-232C接口:RS-232C是EIA（美国电子工业协会）1969年修订RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准。单片机与串口的电路连接图：用的是max232芯片。 还有其他的接口标准，如RS-485等. 比特率是每秒钟传输二进制代码的位数，单位是：位秒（bps）。 如每秒钟传送960个字符，而每个字符格式包含10位(1个起始位、1个停止位、8个数据位)，这时的比特率为：10位960个/秒 = 9600 bps。在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。 方式0的波特率 = fosc/12方式2的波特率 =（2SMOD/64） fosc方式1的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出率）方式3的波特率 =（2SMOD/32）（T1溢出率） 还需计算T1的溢出率，当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR1=1，以启动定时器）。这时溢出率取决于TH1中的计数值。T1 溢出率 = fosc /12 256 （TH1） 在单片机的应用中，常用的晶振频率为：12MHz和11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。 最后来讲串行通信的初始化串行口工作之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制。 具体步骤如下：确定T1的工作方式（编程TMOD寄存器）；计算T1的初值，装载TH1、TL1；启动T1（编程TCON中的TR1位）；确定串行口控制（编程SCON寄存器）；串行口在中断方式工作时，要进行中断设置（编程IE、IP寄存器）。 一般定时器选用方式2（自动装初值），SCON寄存器中的SM0和SM1来选择串口工作方式如：常选用串口方式1，即8位数据传输，波特率可变。 = /* 功能：简单的串口通信 单片机：AT89S52 */ #include<reg52.h> unsigned char flag,a; / flag为标志位 main(void) /*串口初始化*/ TMOD=0x20; / 设置定时器1为工作方式2 TH1=0xfd; /装初值，设定波特率为9600 TL1=0xfd; TR1=1; /启动T1定时器 REN=1;/允许串口接收数据，REN、SM0、SM1这三句亦可以只写一个SCON=0x50 SM0=0;/串口工作方式设置为方式1 SM1=1; EA=1;/开总中断 ES=1;/开串口中断 while(1)if ( flag = 1 ) /当标志位为1时，进行下列的操作ES=0; /关串口中断，以保证一个数据一个数据的传输flag=0;/标志位清零SBUF=a; /如果收到计算机发送的数据，则将该数据再发回给计算机while(!TI);/这句很重要，等待发送数据的完成 TI=0;/串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。在中断服务程序中, 必须用软件将其清0，取消此中断申请。ES=1; /开串口中断，用来接收下一个数据 void ser() interrupt 4 /串口中断函数 RI=0； /接收中断标志位，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。 则必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请。 a=SBUF; /收到的数据存入缓冲器，然后赋给a flag=1; 3.3 labview控制界面编程及设计 本设计在LabVIEW中设计控制界面及仿真。通过串口输入的实际值，在LabVIEW中通过pid进行控制。 3.3.1 labview简介 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台)是由美国国家仪器公司所开发的图形化程序编译平台，发明者为杰夫考度斯基(Jeff Kodosky)，程序最初于1986年在苹果电脑上发表。LabVIEW编程前期是为了机械的智能控制所建立的，至今逐渐转变成为一种完整的的图形化编程语言。LabVIEW程序与传统编程语言之不同点在于程序流程采用" HYPERLINK " t " 数据流"之概念打破传统之 HYPERLINK " t " 思维模式，使得程序设计者在 HYPERLINK " t " 流程图构思完毕的同时也完成了程序的撰写。 与 C语言 和BASIC语言一样，LabVIEW同样是普遍适应的编程系统，有一个可以完成绝大数编程的巨大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有一般编程软件所具备的的 HYPERLINK " t " 程序调试面板，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步及重复执行等等，便于程序的开发调试。 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统的编程语言根据程序语句和程序指令的先后顺序决定步骤执行顺序，而 LabVIEW则采用数据流编程方式，程序中节点之间的数据流向决定了VI模块及函数进行顺序。VI指虚拟仪器（Virtual Instrument），是 LabVIEW的编程块组。 LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方
