分数：

华南理工大学广州学院

课程设计报告

题    目： 反应炉液位控制系统设计方案 

课    程：    计算机控制技术课程设计   

专    业：           自动化            

班    级：         20##级1班          

姓    名：                       

学    号：                  

20##年1月6日

第 一 部 分

任务书

《计算机控制技术》课程设计任务书

一、课题名称

计算机控制系统及设计方案

二、课程设计目的

课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的理论、实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地消化、巩固、掌握课堂教学内容、开拓思维、培养专业素养、指导学生的实践和动手环节、提高学生全面素质具有很重要的意义。

《计算机控制技术》是一门实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、方案设计、硬件电路设计、软件编程等方面的知识融合。通过课程设计，加深学生对计算机控制技术的认识和实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的工作原理、设计原则，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为将来将计算机控制技术应用到生产过程打下基础。

三、课程设计任务

经过两年多大学自动化专业系统学习，完成公共基础课程、专业基础课程、专业课程学习和实践，对自动化专业及控制系统充分认识、理解，并具备一定自动化专业素养和控制系统理论知识，有一定的控制系统设计能力。在本学期完成《计算机控制技术》课程学习基础上，安排有一周课程设计，通过完成该设计，希望同学对所学专业知识进行总结、思索，充分认识自动化专业在国民生产和生活中重大意义，意识当代大学生任重道远，树立远大目标。

以下本次《计算机控制技术》课程设计任务：

（一）了解自动化技术在国民生产和生活中有何重要意义？计算机控制技术在生产过程中有何作用、意义？

（二）掌握计算机控制系统结构、组成。

（三）根据本学期学习《计算机控制技术》课程，以常用计算机如工业控制计算机、PLC或单片机为主控制器进行设计，完成一个计算机控制系统设计方案。分组选择以下所列题目之一完成，每组4人或以下，相同控制参数题目的小组不能互相抄袭或内容雷同。

题目如下共四题，选定某控制参数后，可自行确定XXXX具体名称，如选做温度控制同学，可将题目确定：温度控制系统或加热炉温度控制系统或啤酒发酵温度控制系统等。

1、XXXX温度控制系统设计；

2、XXXX液位控制系统设计；

3、XXXX压力控制系统设计；

4、XXXX流量控制系统设计；

（四）课程设计具体要求：

1、根据选做题目自行确定控制要求和控制精度，如：若选定温度控制系统设计需确定温度控制范围和控制精度等。

2、硬件设计方案及主要器件详细选型，完成选型分析和计算，指明供货厂商、产品具体型号、技术参数等。绘制计算机控制系统硬件框图，并根据以上器件选型，画出模拟量输入、输出通道电路接口线路原理接线图。

主要器件包括：工业计算机主机、输入通道（传感器、变送器、A/D模块等）输出通道（D/A模块或模板、执行机构等）等器件。

提示：硬件选型可在相应产品商家网站上或技术论坛搜索获取资料进行器件或模板选型。

3、软件设计方案及要求

a、分析被控参数特性、数学模型，确定控制规律及方法（控制规律和方法包括：PID算法、达林算法等）；

b、分别设计数据采集、滤波及标度变换程序流程图（不必编制具体程序）；

c、控制算法程序流程图（不必编制具体程序）；

d、画出软件设计主程序流程图（不必编制具体程序）；

四、进度安排

五、课程设计报告内容：

总结设计过程，提交书面设计报告，设计报告各章节及主要内容要求如下：

1、序言，内容包括：1）自动化技术在国民生产和生活中有何重要意义？2）计算机控制技术在生产过程中有何作用、意义？3）计算机控制系统结构、组成。

2、第一章 X X X 控制系统控制要求和总体设计方案，内容包括：课程设计的目和设计的任务、具体控制要求、控制系统结构组成。

3、第二章 X X X 控制系统硬件设计，要求详见课程设计任务中设计具体要求中（2）

4、第三章 X X X 控制系统软件设计，要求详见课程设计任务中设计具体要求中（3）

5、第四章 总结、体会、收获

6、参考资料，若出自网站的请注明网址。

六、其他

    1、设计报告A4纸、宋体小四字体打印。将该任务书A4打印并作为封面与（五）课程设计报告内容一起装订。

    2、该设计任务书发出日期：20##年12月25日，请各班学委根据志愿组队原则，将个组成员分配好，每组成员不超过4人。并于20##年12月28日前将组队名单交给老师。

    3、课程设计报告请于20##年1月15日前交到老师处。

第 二 部 分

课程设计报告

序言

     自动化是主要指生产过程中，在没有人或很少人的直接参与下，机器设备、系统、生产线能够根据人的要求生产出符合要求的产品或完成相应的动作等。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术，不仅可以节省人的繁重的体力劳动，以及替代部分比较危险的工作，而且，采用自动化技术，可以大大的提高产品的产量，极大地提高劳动生产率。随着自动化技术的发展，比如电梯、地铁等的发展，人们的出行等方面都跟方便了，在居家方面，比如扫地机器人以及加湿器等家电的快速发展，人们可以做更少的家务，有更多的时间享受生活。

    计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。硬件包括中央处理机、存储器和外部设备等；软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统具有接收和存储信息、按程序快速计算和判断并输出处理结果等功能。计算机系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断,而且通用性好,使用容易，还能联成网络。一切复杂的计算，几乎都可用计算机通过算术运算和逻辑运算来实现。计算机有判别不同情况、选择作不同处理的能力,故可用于管理、控制、对抗、决策、推理等领域。计算机能存储巨量信息。只要字长足够，计算精度理论上不受限制。计算机一次操作所需时间已小到以纳秒计。计算机是可编程的，不同程序可实现不同的应用。丰富的高性能软件及智能化的人-机接口,大大方便了使用。多个计算机系统能超越地理界限，借助通信网络，共享远程信息与软件资源。

一、反应炉液位控制系统方案

    本次课程设计为液位控制系统，采用STM32单片机为核心芯片,及其相关硬件来实现的水体液位控制系统,在用液位传感器测液位的同时, CPU循环检测传感器输出状态,获取传感器所检测到的信息进行换算得到实际的液位。当水体液位低于用户设定的值时,系统自动增大阀门开度,当水位到达设定值时,系统自动减小阀门开度或打开排水泵等等。 使用单片机实现水体液位控制具有较高的实用价值和稳定性好等特点，可有效保证水位的自动控制，能更好地对水体水位进行自动化控制,避免了工作人员在现场进行检测操控,方便了人员对液位系统的控制,控制方便且系统稳定性能好；单片机不仅有体积小，安装方便，功能较齐全等优点，而且有很高的性价比，应用前景广，同时有助于发现可能存在的故障，通过微机实现给水系统的自动控制与调节，维持稳定系统，保证安全经济运行。

二、反应炉液位控制系统控制要求

反应炉的液位控制要求：

⑴、使液位保持在50m高度

⑵、控制精度：±1%

三、主要器件选择

1、主控芯片选择

   STM32F103系列属于意法半导体公司的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3。主频为72MHz，芯片集成定时器，CAN，SPI，I2C，USB，UART，等多种功能。

存储器

--从32K到512K字节的闪存程序存储器（STM32F103XXXX中的第二个X表示FLASH容量，其中：“4”=16K，“6”=32K，“8”=64K，B=128K，C=256K，D=384K，E=512K）

--最大64K字节的SRAM

电源管理

--2.0-3.6V供电和I/O引脚

--上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD）

--4-16MHZ晶振振荡器

--内嵌经出厂调教的8MHz的RC振荡器

--内嵌带校准的40KHz的RC振荡器

--产生CPU时钟的PLL

--带校准的32KHz的RC振荡器

低功耗

--睡眠、停机和待机模式

--Vbat为RTC和后备寄存器供电

模数转换器

--2个12位模数转换器，1us转换时间（多达16个输入通道）

--转换范围：0至3.6V

--双采样和保持功能

--温度传感器

DMA

--2个DMA控制器，共12个DMA通道：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道

--支持的外设：定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART

--多达112个快速I/O端口(仅Z系列有超过100个引脚)

--26/37/51/80/112个I/O口，所有I/O口一块映像到16个外部中断；几乎所有的端口均可容忍5V信号

2、传感器选择

   米科科技MIK-P261液位传感器，量程范围为0～200m，输出信号为4～20mA，精度高；优质的接线端子和电子元器件以及耐磨的防水导线，稳定性好；高精度的信号处理电路位于将传感器输出信号转换为标准输出信号，可直接与计算机、控制仪表﹑显示仪表等相连。

3、执行机构选择

    采用BOLES的DN65电动蝶形阀门，阀门的控制信号可以为4～20mA或1～5V信号，阀门开度为0～90度。

4、D/A模块选择

   TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

TLC2543的特点 

（1）12位分辩率A/D转换器； 

（2）在工作温度范围内10μs转换时间；

（3）11个模拟输入通道； 

（4）3路内置自测试方式；

（5）采样率为66kbps； 

（6）线性误差±1LSBmax； 

（7）有转换结束输出EOC； 

（8）具有单、双极性输出； 

（9）可编程的MSB或LSB前导； 

（10）可编程输出数据长度。

5、A/D模块选择

    TLV5616是一个12位电压输出数模转换器（DAC），相对来说分辨率较高带有灵活的4线串行接口。数字电源和模拟电源分别供电，电压范围2.7～5.5V。输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。rail-to-rail输出和关电方式非常适宜单电源、电池供电应用。通过控制字可以优化建立时间和功耗比。

四、系统框图

    本课程设计中，主控实时获取液位的数据（MIK-P261液位传感器获取液位信号，通过TLV5616将模拟的液位信号转换成STM32能够读取的数字信号），当反应炉的液位发生了改变后，控制器STM32经过一定的运算后得出偏差，输出一定的控制信号，由TLC2543将数字的控制信号转换为能控制电动蝶形阀的模拟控制信号，通过该模拟控制信号是蝶形阀的开度改变，使得反应炉的液位保持在设定值。

控制系统的原理图如下：

系统的软件流程结构图如下：

 

软件算法公式：

1、液位传感器量程范围为0～200m，输出信号为4～20mA，通过I/V转换为1～5V电压。

每上升1米，获取的值增加：

                   

算法算出的液位为：

                     

2、电动蝶形阀门的控制信号可以为4～20mA或1～5V信号，阀门开度为0～90度。

阀门每度的DA值为：

                  

五、总结

     在这次的课程设计中，选取STM32为控制器为控制核心，通过外围元件构成一个实时性的液位控制系统。系统由硬件和软件组成。其中，软件主要由滤波算法、编码、偏差计算等算法组成。整个系统是根据微控制器对液位感应信号和液位控制端口的循环判断后，做出对电机的端口信号控制，控制液体的导入与否进而控制了容器内部的液位。根据之前做作品的经验，在实际应用中，软件算法应根据实际的环境（比如气温等情况）进行设定、以及补偿等。经过一定时间的调试后才最终确定方案，才能得到一个稳定工作的系统。工业上的设备，考虑的不仅仅只是稳定的运行，还要考虑到产品质量的控制，并且还要保证产能等。通过这次的课程设计，我对计算机控制技术有了更深的理解，更深的理解了工业上控制系统的设计、工作流程。和以往课程设计不同的是，这次的课程设计不用做出实物作品，只需做出方案。我们查找了很多资料（各种传感器、执行器等的相应参数和特性），参考了一些简单的工业控制系统，结合理论知识设计了反应炉液位控制系统。

附录:

[1] 曹佃国,王强德,史丽红.计算机控制技术.北京：人民邮电出版社,2013.5

[2] 杨丽明,张光新.化工自动化及仪表.北京：化学工业出版社,2004.8

[3] 吕勇军.传感器技术实用教程.北京：机械工业出版社,2011.9

[4] 于海生,丁军航,潘松峰,吴贺荣.微型计算机控制技术（第2版）.北京：清华大 学出版社,2009,9