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1、测试技术基础课程设计报告书设计题目 基于LABVIEW的水塔液位控制院 （系） 机械工程与应用电子技术学院 班 级 110101班 指导教师 姓 名 学 号 同组成员 姓名 2014年 6 月 12 日 北京工业大学目录一.课题背景.3二. 目标及整体方案确定.3三. 硬件系统的设计.4四. 软件系统的设计.9五. 系统整体测试及其结果析.15六. 小组成员及工.20七. 心得体会.20八. 参考文献.21一、课题背景在人们的生活中以及某些化工和能源的上产过程中，常常涉及一些液位或流量控制的问题，例如居民生活用水的供应，通常需要蓄水池，蓄水池中的液位需要维持合适的高度，还有一些水处理的过程也需
2、要对蓄水池中的液位实时控制，另外涉及蓄水池容器的生产过程也很多见，例如在核动力蒸汽发生器工作过程中以及依稀工程污染水处理厂的自动排水处理场等，因此，需要设计合适的控制器自动调整容器的入液流量，使得容器内液位保持正常水平。在不同的生产领域 , 液位检测的方法也不尽相同。在水资源日益匮乏的今天,节约用水,提高水资源的利用率就显得十分必要。传统的水塔液位控制为粗放式,基本没有对水泵的合理控制,且多为人力控制,工作强度大,危险性高,所以除了浪费电能外,还造成了人员的浪费日益提高。 随着近年来传感器技术与计算机技术的不断发展，二者的结合使用使液位高精度多方式的半自动、自动化的测控更易实现，并且成为这一领
3、域的主流！二、目标及整体系统方案确定1、明确目标为了实现液位高精度，多方面的测控，本方案结合传感器与计算机技术，通过控制电磁阀和水泵来实现这一目标。方案分为三个部分：信号的采集、信号的处理显示和信号处理后的输出控制。针对本课题“半自动化液位测控系统”，利用传感器获取水位压力信息，经其内部电路实现A/D转化之后，将获取的模拟信号转换为计算机可以处理的数字信号，通过具体的电压与水位的函数关系，可以将获得的电压信号转化为与之对应的液为值，利用Lab view程序按照一定的逻辑关系对水位进行处理，得到信号输出、显示以及通过继电器实现对后续电路中电磁阀和水泵的控制，进而实现对水位的监测和控制。2、测试系
4、统方框图测试系统放宽图就提如图1所示：图 1 水塔检测控制系统原理图三、硬件系统的设计3.1 传感器的选择由测试工程的课程可知，液位变送器是最适合这个系统的，根据水塔的液位范围我们选择HY-800型传感器，如图2所示：图 2液位传感器其相关参数如下：液位计型号：HY800工作电压：1236V介质温度：-1060输出信号电压：05V环境温度： -4085HY800型传感器是能量控制型传感器，需要外部提供工作电压。其敏感部分放入水中感知压强水位，具体接线是：红线接正级（1236V处），蓝线接地，黄线是信号输出线，接到采集卡端口，这样既可完成信号的采集。具体的接线下所示:3.2 电机的选择根据水塔整
5、体的尺寸相应地选择一定功率和速度的水泵，保证系统正常工作，水泵如图3所示。其参数如下：型号：15SG0.5-6功率：80W最高扬程：10M规定扬程:6M频率：50Hz电压：220V最大流量: 1 规定流量：0.5 转速: 2860r/min电流：0.38A绝缘：E级图 3 排水，注水水泵3.3 电磁阀的选择电磁阀在此起到一个开关的作用，是配套电机使用的，选用和本系统直径相当的即可，在此选择直流24V的。如图4所示：图 2 电磁阀3.4 继电器的选择继电器选择，因为程序给出的信号比较，设定为5V，选择时选择线圈电压为6V的即可实现放大电路的功能，而其控制的电路要能承受220V的电压。继电器原理图
6、及实物如图5所示：图 3 继电器实物图、原理图其中7、8脚接到三极管和6V处，1、5脚接电机两端，2、6脚接电磁阀两端，当7、8接通之后，继电器工作，相应的电机和电磁阀也就接通，可以控制注水和排水。3.5 信号采集卡的选择信号采集卡有多种多样，我们没有必要专门找一个，只要能采集简单的电压数据并输出模拟电压即可，这里就利用实验室的National Instruments的USB6251即可。如图6所示。其相应参数可参见说明书。图 4 USB 6251采集卡3.6 外部放大电路的制作前面已经将外部放大电路设计完毕，选择两个TIP31C型NPN三极管完成，为了连接器件方便，将其焊接在一电路板上，如图
7、7所示。图 5 外部电路板在制作电路板的时候，直接选择大功率的TIP31C型NPN三极管。 3.7控制电路实验箱对于外部控制电路，为了让接线方便以及线路不至于过于复杂，故将晶体三极管放大电路和继电器模块整体放入实验箱中，具体如图8所示：图 8 试验箱外部接口，内部接线图3.8水塔模型水塔模型的硬件系统包括主水塔和副水塔，副水塔的水位我们不做要求，只为主水塔供水及存水。具体如图9所示：图 9水塔模型四、软件系统设计1. 软件功能要求该半自动液位测控系统的功能要求如下：1.实时检测水塔液位并显示出来。2.用户自己设定一个具体水位值，系统自动保持水位在这个值。3.用户也可设置一个水位范围，系统自动保
8、持水位在这个范围。4.用户还可通过软件手动控制水塔水位。5.当注水和排水开关同时打开时，这样对液位控制没有意义，所以对于这种情况，要能让电机停止工作，并报警提示。6.可以对注水，排水的时间进行测量。以上6个功能是本设计系统的主要部分，LabVIEW程序的设计都是根据这几个功能来完成的。2. 前面板设计根据以上软件功能的要求。首先，我们设计出满足基本功能的前面板，如图10所示。第一部分功能为水塔液位的检测，在前面板上给出一直观清晰的显示，既能通过具体读数显示，又给人以形象展示，如图10左侧部分。第二部分为功能显示灯部分，这一部分只是让我们能更清楚的知道系统现在的工作状态，分为注水、排水指示灯部分
9、、水位上下限报警部分以及同时注水和排水造成的出错部分。当水位超过90或低于10的时候，可能导致系统无法正常工作，分别给予上限报警或下限报警。控制系统的功能在实现的时候，电机和响应电磁阀工作，我们需要给出一个指示，注水和排水电机分别高亮绿色显示。第三部分为时间显示部分，两个时间显示器可以分别记录注水和排水所用的时间。第四部分是控制部分，为主要部分。系统的三个工作功能选项，精确水位控制、区间水位控制、手动控制。这三个功能是并行的，只能选择其中一种工作状态，一种工作状态起作用，另外两种就不起作用。 工作时，相应指示灯高亮。第五部分是警示部分，对于排水和注水同时打开时，对液面的高度无法起到控制，而只是
10、白白的消耗电量，于是，对于这种排水开关和注水开关同时打开的情况，整个程序要能够停止输出，这里通过逻辑运算使输出为0 ，并借助声音播放器予以报警，起到节约能源的作用！图 10 LabVIEW控制系统前面板3. 程序框图原理根据前面板的设计，程序框图出现相应的控件，将各种控件按照一定的逻辑关系连接在一起即可完成整体控制系统的设计。整体分为信号采集部分、工作状态显示部分、程序逻辑部分以及信号输出部分。4. 信号采集部分通过DAQ助手，选择采集模拟量，选用的National Instruments公司的USB6251采集卡，选用a01通道，信号便可采集到电脑。模拟信号转变为数字信号，首先动态数据转换为
11、数组，再经过索引数组即可变成我们程序可处理的数字量，这个量就是传感器输出的电压。电压与液面高度是有一定关系的，这跟传感器的类型有一定的关系。我们选用的液位变送器，其输出电压为05v，测量范围0-150cm ，并且二者成正比例关系。5. 工作状态显示部分本程序系统有多个工作状态，电机的工作状态我们也要实时了解，如果水位偏离了水塔工作的正常范围，还必须作出报警，这里根据硬件设置低于10cm时下限报警，高于90cm时上限报警。当选择了相应的工作状态之后，相应的工作指示灯高亮。给出电机信号的同时，把电机工作状态告诉操作者。这些功能的实现都是靠布尔显示控件来实现的。可以在前面板中右键设置不同工作状态的颜
12、色等属性。6. 程序逻辑部分控制部分是程序的灵魂部分，它的逻辑关系这里详细讲解。程序框图如图11所示：图11 LabVIEW控制程序框图首先在控制方式选择里设置一个下拉列表，供用户选择控制方式，我们这里给不同的方式赋值，便于程序的编写。如图12所示。图 12 控制方式选择接下来程序就要判断用户选择了那种控制方式，如果判断出用户选择了一种控制方式，输入控件就得到了相应的赋值，程序就以这个值执行下去。下面逐个分析每种控制方式的控制原理：精确水位控制：用户输入想要精确控制的水位，与传感器得到的水位的信号做比较，如果输入的值大于目前水位，输出一个布尔信号TRUE来控制后面的电压输出部分，进而控制注水电
13、机的转动；否则给出FALSE，注水电机不动。如果输入的值小于目前的水位，则给出另一个布尔信号TRUE控制排水电机的工作，否则给出FALSE不执行操作。如果恰好是这个水位，也不做响应。如图13所示图 13 精确水位控制区间水位控制：用户输入允许的最高水位和最低水位，系统检验设定值与实际水位的关系，如果实际水位超出设定最高水位，则给出给出一个布尔信号TRUE来控制后面的电压输出部分，进而控制排水电机的转动，否则给出FALSE。如果实际水位小于给出的最低水位，则给出另一个布尔信号TRUE控制注水电机的工作，否则给出FALSE不执行操作。如果水位在用户输入的允许范围内，则不做响应。如图14所示：图 1
14、4 区间水位控制手动水位控制：这个功能允许用户通过程序控制一个开关来控制电机的注水和排水。此功能最为简单，控制原理与上述两种控制方式相同，通过判断开关的状态给出响应的布尔量。如:图15所示：图 15 手动水位控制上述三种控制方式都是通过布尔量来控制如何给出信号的，三种工作方式，只要有任何一部分给出信号即可给出信号，因此可将上述三种方式的布尔结果进行一个或运算然后给出一个总布尔量，即只要有一种工作方式让电机工作，电机就会工作，这就是程序的核心部分了。7. 信号输出部分程序核心部分给出布尔量之后，通过判断布尔量的状态来控制给出高电平信号还是低电平信号。采用条件结构，如图16所示，如果为真就给出高电
15、平5v，如果为假就给出低电平0。这里的信号都是通过仿真的直流信号给出的，这样输出就直接为一模拟量了。图 16 信号输出 注水排水两个电压信号分别通过DAQ助手输出到数据采集器的两个端口，控制注水和排水电机及相应的电磁阀。这两个信号就是在控制电路图中所示的注水、排水信号。两个信号输出有三个接口，其中一个为公用的地线。五、系统整体测试及结果分析系统按如图17连接完成之后，为了整体功能的实现，需进行测试，检验各个功能的正确性。图 16 系统整体的连接5.1手动水位控制调试首先检验手动调节功能，先在下拉列表里选择手动水位控制，然后点击运行，此时工作指示灯高亮，在手动水位控制区域把注水开关打开，此时注水
16、指示灯高亮，在左侧液面高度中，液面上升，正常工作，如图17所示：图 17 手动控制正常工作继续注水，一直让水位达到100cm，此时水位已经超过90cm，系统自带的水位极限检测发出警告，上限指示灯高亮变红，提醒用户采取有效措施。可以选择手动排水或者其它方式控制水位。如图18所示，采用手动排水。图 18 液位报警5.2区间水位控制调试根据要求，先把区间设置好，点击运行，此时水位在规定区间内，系统不做响应，如19所示 ：图19区间水位控制1如果水位低于设定的最低水位，系统检测到之后自动注水，直到水位达到要求的最低水位。然后停止注水，如图20所示：图 20 区间水位控制2当前水位高于设定的最高水位，系
17、统自动检测然后排水，直到水位达到设定的最高值。如图21所示：图 21 区间水位控制35.3精确水位控制调试选择精确水位控制方式，输入要控制的精确水位。当前水位低于要求的精确水位时，注水，达到精确水位时停止。如图22所示：图 22 精确水位控制1当前水位超过所设定的精确水位时，排水，直到达到设定水位。具体如图23所示：图 23 精确水位控制25. 4系统警示对于液位的控制中，注水电机和排水电机同时打开是没有意义的，所以在程序中对这一问题进行了解决，即若在手动控制是不小心同时打开了排水进而注水开关，系统就会停止控制电机，并且发出警报,如图24所示：图 24 系统警示六、小组成员及其分工王涛涛（TY
18、130102）：晶体三极管放大电路的焊接，主程序的警示设计及参与其他部分程序的改善，外部试验箱表面引脚图的绘制，报告的排版，及其参与这个测试过程。李长军（TY130105）：试验箱内部继电器模块的连接，主程序计时实际及参与其他部分程序的改善，程序前面板的设计，排版的审核，及其参与这个测试过程。七、心得体会16周的课程设计转眼键就过去了，现在总结一下这16周的点滴，感触颇多。首先，我们的课题”基于labview的水塔液位控制系统”主要是在前几届学长学姐成果的基础上进一步改进完善。在已有的基础上做确实让我们少走了一些弯路，但是，就是在完成的过程中还是出现了各种各样的问题。首先，这对于我们来说是一个
19、全新的东西，刚开始难看道课题有些无从下手的感觉。所以前几周时间我们主要是大量搜集资料，在这过程中我了解到关于液位传感器很多相关的东西；渐渐的我们的思路就清晰了，先完成整体软件的设计，然后进一步搭建硬件。关于软件设计，我们必须学习labview，在学习软件的过程中，我体会到了软件的优越性，最后软件成功编写成功。值得一说的的是“细节决定成败”，软件当中很小的细节出现问题，真个运行就会出现问题，如在“DAQ助手”中“采样数”这一参量设置小了，软件运行一会就会出错。最后是硬件的搭建，这也可以说我们遇到问题最大的地方，第一我们线路简单，但线数量多，第二水泵、继电器实际工作会有“惯性”。最后我们为整个控制硬件封装在了一个控制箱内，让整个硬件更加简洁条理。在整个课程设计的过程中我不仅学习了labview软件、结合了课程知识更是提高了我对研究问题，处理问题的能力。并且这次课程设计的完成，要感谢老师您的细心指导和研究生学长、同学的帮助，谢谢你们。八、参考文献1龙华伟，顾永刚. LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集. 清华大学出版社，20082 王伯雄，王雪，陈非凡.工程测试技术.清华大学出版社，2006
