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作者：齐齐哈尔大学 朱忠苏 龙广 朱材嘉

指导老师：张辉

作品简介：

　　随着国民经济的增长，中国正从农业大国向工业大国转型，工业液体装排在工业建设生产过程中，越来越起到重要作用。

　　本系统的核心部分是控制部分，主要由IAP15F2K61S2 单片机构成。系统通过数字温度计DS18B20和液位变送器检测罐内温度和罐内液位，通过液晶显示器实时显示当前温度和液位，通过阀门控制罐内物料的装卸，达到自动化控制的效果。

　　本系统适用于液罐车，工厂液体自动装排系统，本作品，操作简单，安全，适合大规模生产。

　　控制系统主要由几部分组成，2个阀门，一个液位变送器，2个温度传感器，一个7寸液晶屏，一个车载摄像头，一个无线收发装置，一个顶盖儿。在罐车内放有一个液位传感器，主要是用来检测液位高度，用来监测物料是否存满;车载摄像头主要是用来监控车尾处阀门是否完全关闭，还有用来监控车尾的安全状况;温度传感器主要是用来检测罐内温度和车内温度是否达到标准;无线收发装置主要是用来控制阀门和顶盖儿的打开和闭合，达到了远程遥控的目的。

　　首先采集的温度数据主要是使用主控芯片通过串行来实现的，其中温度传感器型号采用的是DS18B20，其次把液位变送器输出的电流信号转换成电压信号通过单片机内部AD转换成液位值，最后通过单片机的串口通信把温度值和液位值传送到液晶屏。

平台选型说明：

　　采用stc公司生产的IAP15F2K61S2 单片机

设计说明：

　　STC系列的单片机供电电压一般为5V，稳压芯片型号的选择也有两套方案，方案一是LM2575稳压芯片;方案二是7805稳压器。

　　方案一：LM2575稳压芯片，有很多优点，优点一是输入电压范围宽，最高输入电压可以达到40V;优点二是输出功率大，电流也很大;优点三是LM2575的输出是通过PWM控制的，属于数字电源，芯片产生的热量小;优点四是市场价格便宜。

　　方案二：LM7805属于模拟输出，是通过消耗掉多余部分的能量来提供电源的，输入电压范围窄，一般输入电压和输出电压的压差不高于7V，如果高于7V，芯片容易发热，

　　需要加散热片，而且输出功率不高。

　　综上所述，本设计的单片机最小系统稳压芯片的型号选择方案一。

　　在工业参数测量中，温度的测量非常重要，每个事物都有温度，不论是静止的还是运动的物体，都有温度，在工业生产中，物料温度的变化会影响到整个生产线的产品的质量，例如在石油提炼、化学合成、发酵等等，对温度有相当高的要求。本设计中要测量的温度是罐内物料的温度，现在温度测量技术呈现出多样化，温度测量的原理也不相同，工业生产中根据温度的高低，使用的测量方式也不一样，一般有膨胀式测量、压力式测量、电阻式测量、热电动势式测量、热辐射式测量等，这些测量都是基于物理原理，热电动势式测量反应时间长，有的测量方式经济成本较高。现在由于科技的发展，市面上出现了很多的温度测量的芯片，而且价格很便宜，测量也很准，例如DS18B20温度传感器如图3-9所示，采用的是数字式，它采用的是电路集成技术，使硬件的设计更加简洁，而且它采用的是单根线进行数据通信，搭建电路更加简单方便，增加了I/O口的使用效率，温度采集实时性强。

　　目前，在工程中测量的液位的测量也很重要，例如油罐车的液位高度、发酵过程中的培养液的高度等，能够很方便的测出液位，价格便宜。本设计用的是电容的变送器

　　此液位变送器采用24V供电，输出信号是4~20mA的电流信号，采用电流信号可用于远距离传输，防止信号衰减造成测量误差的增大。

　　因为要有液晶显示和摄像头的监控，可以有两种选择方案：方案一：选择两块液晶屏，第一块液晶屏用来显示测量数据;第二块液晶屏用来作为摄像头监控的显示画面。方案二只用一块液晶屏，可以实现显示测量数据和摄像的切换。经过网上资料查找和实际的要求，我选择方案二，液晶屏选择的是上海郎睿电子科技有限公司生产的7寸AE系列双模式工液晶显示器，此工业液晶屏的产品特性如下：

　　(1)产品特点

　　产品主要参数：能工作在-20到80之间的温度范围内、能够往液晶屏上加载模块，实现了模块化;还有视频显示功能，能在数字显示和模拟显示之间进行切换，模拟视频显示功能支持4路AV模拟视频和1路VGA视频(可选)可通过指令任意切换;数字显示功能支持串口(TTL/RS232)和USB2.0通信。

　　(2)模拟视频部分

　　支持4路标准AV模拟视频和1路VGA视频(可选)，可通过指令任意切换;支持OSD功能菜单，可选择包括电源开关、亮度、对比度、色度调节等功能，AV信号输入支持P制和N制;

　　(3)数字控制显示部分

　　工业级MCU控制器(Contex-M3核心):3级流水线和哈佛结构、主频120MHz，内置512KB的高速Flash存储器、96KB的高速RAM存储器;外扩32MBRAM，128M(可扩充)FLASH，可以存储很多的界面图片、数据和位图等;支持串口(TTL/RS232)、预留USB2.0(可选);串口波特率：4800~931600bps默认115200bps(可通过指令设置)，支持8/256/65K/16.7M色等多种色彩模式，默认为65K色，支持BMP、JPG、GIF、PNG等常用位图格式,支持文字、位图、图形叠加显示;预置16*16点阵GB2312宋体字库，字体支持横向、纵向放大，可支持多达10种用户自定义字库，用户可根据所需字体进行自由定义，支持U盘或TF卡存储或上传、下载用户数据和预制画面;支持四线电阻触摸屏(可选)，时钟功能可选(配有电池)，提供丰富的API控制函数，内置指针、文本、按钮、柱状图等常用控

　　件，独有动态曲线绘制功能可以轻松绘制动态曲线，支持曲线移动、拉伸等操作，屏幕预设控件可通过上位机指令、触摸、外置按键三种方式激活和触发预定义事件，可灵活定制弹出窗口用于显示键盘、对话框、报警窗口等。

　　(4)高可靠性：指令累加和校验模式(可选)、看门狗、ESD防护(可选);

　　(5)接口简单：只需要两根线就能用上位机控制液晶屏的各种功能的使用，非常方便使用。

　　本设计中采用的阀门是电动蝶阀，它是电动阀门与电动调节阀中的一个种类。法兰

　　式与对夹式是电动蝶阀的两种主要连接方式，它在工业自动化控制系统的许多应用领域中是一种重要的执行单元。垂直板式、偏置板式、杠杆式和斜板式是根据蝶阀结构形式来分的。按密封形式可分为硬密封型和软密封型两种。软密封型与硬密封型分别使用橡胶环密封和金属环密封来密封。法兰式连接与对夹连接是按照它的连接方式来分的;电、液、气、手动及齿轮传动等几种方式是按传动来分。蝶阀的重点的应用是在许多工业自动化过程生产的物料容积，管道流量等中。例如：消防系统、冶金工业、石油石化、环境保护、能源管理、电力系统等。

　　蝶阀的基本特征：

　　(1)电动蝶阀有很多特点，它安装方便，质量不重，通常用来改变管道中的介质的速度，比例，有很好的流体控制特性和关闭密封性能;

　　(2)电动蝶阀平板的设计具有很好的流线型，在使用的时候能够很容易的改变流向，受到的阻力很小;

　　(3)电动蝶阀能够运送粘稠的物体，在输送过程中残留的物体很少，在压力很小的情况下，能够很容易的改变位置方向，方便使用;

　　(4)电动蝶阀阀杆为通杆结构，经过调质处理，有良好的综合力学性能和抗腐蚀性，抗擦伤性。电动蝶阀启闭时阀杆只作旋转运动而不作升降运行，阀杆的填料不易破坏，密封可靠。与蝶板锥销固定，外伸端为防冲出型设计，以免在阀杆与蝶板连接处意外断裂时阀杆崩出;

　　(5)电动蝶阀连接方式有法兰连接、对夹连接、对焊连接及凸耳对夹连接。驱动形式有手、蜗轮、电、气、液、电液联动等执行机构，可实现远距离控制和自动化操作。

　　蝶阀的优点：

　　(1)电动蝶阀不容易坏，抗使用，能够在很多地方用到;

　　(2)电动蝶阀设计的精致小巧，重量很轻;

　　(3)电动蝶阀可以输送粘稠物体，在输送过程中残留物很少;

　　(4)电动蝶阀在压力很低的情况下，它的能够封住阀门口，能够防止管道内的物体外流，电动蝶阀调节性能好。

　　蝶阀的缺点：

　　(1)压力不能很大，大了阀门受不了，工作环境不能很恶劣;

　　(2)密封性差。

　　蝶阀的选用方法：

　　蝶阀的组成结构很简单，重量也很轻，体积很小，它的阀板是180度的，在一个平面上，只要转动90度就能把阀门关上。蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产生的压力降很小，故具有较好的流量控制特性。蝶阀有弹密封和金属的密封两种密封型式。弹性密封阀门，密封圈可以镶嵌在阀体上或附在蝶板周边。

　　金属密封阀门耐损率很高，使用寿命很长，但是它的密封性不好，和弹性密封阀门相比，效果很差，金属密封能在高温下持续工作很长时间，但是弹性密封阀门在这方面就很差。如果要把蝶阀当作流量控制器使用的话，我们只需要在阀门的口径和型号方面选择就行了。蝶阀能用在很多方面，在石油工业，化工工业，水处理系统等等。阀门中实现阀门转动的是直流减速电机，或称齿轮减速电机，它由齿轮减速箱与普通直流电机构成。要有相对大的力矩与相对低的转速时，需要齿轮减速箱的运作。同时，想要得到不一样的转速和力矩，那要求齿轮箱具有不同的减速比。使直流电机的使用率在自动化行业中被普遍提高了。减速电机被定义为减速器与电机的合成体。此类的合成体基本上被称为齿轮马达或齿轮电机。它的供货方式主要是经过专业的减速器厂家进行合成组装好后成套出售。减速电机经常被应用在钢铁大型企业中。减速电机的应用主要优点在于它易于控制与空间的节约。L298N的优点很多，在这里依依跟大家介绍：它的电路需要的东西不需要很多，只需要几个二极管如图3-13所示，几个电容就能够组成一个控制块，它有十五个引脚，有四个控制引脚，这几个引脚接在控制器上，通过高低电平信号就能够控制此芯片，有四个输出引脚，这几个引脚接在电机上，通过四根线就能够控制电机的转动，还有两个控制使能端，这两个脚主要用来打开我们想要打开的控制部分，如果使用这两个引脚，就可以控制两个直流电机，如果这两个引脚直接接在五伏上，就可以控制一个步进电机，所以这个控制芯片可以控制两种电机，可以增加它的用途，节省钱财，对于普通工程师，是个很好的选择。

　　在本设计中，分别用三个此芯片来控制三个阀门，把一个芯片的两个并成一个，增大驱动力，也可以防止芯片温度过高，烧坏。本系统的直流减速电机是24V供电，驱动电机主要是采用电机驱动芯片或者通过H桥实现，本系统采用市场上常见的电机驱动芯片L298N。

　　在阀门电机的驱动电路中，为了防止L298N芯片的大电压对单片机造成影响，就在

　　L298N和单片机之间加了一个光耦隔离电路，这样能有效的保证单片机的正常运行，在

　　电机的反馈信号上也加了光耦隔离电路。光耦合器也叫光电隔离器或是光电耦合器，被简称为光耦。它是依靠光源作为媒介来传输电信号。它能够很好的隔离输入、输出的电信号，它能很好的防止信号的干扰，因此，它能够被使用在多种电路中。现在它早已是品种最多、广泛应用在很多领域中的光电器件之一。光耦在很多地方都能用到，尤其是在小信号控制大信号的场合，用到的最多，因为光耦是通过光来控制电信号，两者之间没有什么联系，其中一方的损坏不会影响到另一方的安全，保损失，而且方便更换，价格便宜，不会造成太大的损失。

　　此部分电路的设计主要是用来实现对3个阀门的单独控制和摄像模式和ARM模式的切换。

　　自锁开关供电电压是12V，通过电路的搭配，可以使自锁开关在断开或者闭合的时候，自锁开关的内部LED灯亮或灭，把灯信号反馈给人，达到直观方便的作用

　　左边的第一个按键是电源开关，电源开关有短路保护电路，左边第二个按键是阀门1的控制按键，绿色的按键是阀门2的控制按键，黄色的按键是控制顶盖的按键，红色的按键是控制摄像头和ARM模式切换的按键。

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