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基于MCU微控器的养殖场自动供水控制系统研究

作　者: 夏培伟
导　师: 王安敏
学　校: 青岛科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 规模化养殖单片机传感器频域分析
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着计算机技术、信息技术、检测技术和自动控制理论的发展,传统的养殖模式渐渐地已不适合现代畜牧业生产发展的要求,家禽养殖正走向正规化和规模化。我国畜牧业养殖生产设备落后,自动化程度低,针对目前畜牧业这一现状,本文研制了养殖场供水自动控制系统,其具有广阔的应用前景。首先,本文阐述了自动供水控制系统的硬件设计。文中详细阐述了离子交换塔、恒温控制器和紫外系灭菌控制器的设计,设计了分段式恒压水塔。同时,探究了13X沸石离子吸附、交换特性,进行了紫外线灭菌试验,设计了双向可控硅触发驱动电路。其次,深入的研究了电感液位传感器、电容式差压传感器和磁敏涡轮流量传感器。建立了传感器数学模型,分析了其频域特性,优化配置了系统参数,确定了最佳激励频率。研究了影响传感器精度的因素,并给出了解决方案。研究了磁敏涡轮流量传感器流动特性曲线与流量变化的关系,研制了磁敏转换电路。最后,本文阐述了养殖场自动供水控制系统系统设计。文中详细阐述了嵌入式控制系统中数字信号处理器(MCU)及数据采集接口电路、电机驱动电路和上位机通讯电路设计。根据流水加热时其温度变化的特点,设计了数字式PID控制器并进行了变速积分算法改进。本文给出了系统实际调试运行阶段采用的变速积分PID控制器设计、软件流程。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
1 绪论  9-16
  1.1 研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 国外供水设备发展状况  10-11
    1.2.2 国内设备简介  11-12
  1.3 目前供水设备存在的问题  12-15
    1.3.1 家禽饮水水硬度不可控  12
    1.3.2 饮水温度不合理  12
    1.3.3 饮水设备消毒系统不完善  12-13
    1.3.4 缺少故障监控系统  13
    1.3.5 设备自动化、智能化程度不高  13-15
  1.4 论文研究内容  15-16
2 结构设计及模型分析  16-41
  2.1 13X沸石硬水软化系统  17-23
    2.1.1 硬水的危害  17
    2.1.2 13X沸石离子交换剂  17
    2.1.3 13X沸石离子置换原理  17-18
    2.1.4 离子置换特性研究  18-19
    2.1.5 水硬度检测  19
    2.1.6 离子交换塔的机构  19-20
    2.1.7 硬水软化过程  20-21
    2.1.8 离子交换剂剂量计算  21-23
  2.2 恒温控制系统  23-30
    2.2.1 恒温控制器的结构  23-24
    2.2.2 单总线温度测量传感器  24-27
    2.2.3 双向可控硅驱动电路  27-30
  2.3 紫外线灭菌控制系统  30-34
    2.3.1 紫外线灭菌原理  30-31
    2.3.2 紫外线灭菌剂量测试  31-32
    2.3.3 紫外线灭菌灯的选择  32
    2.3.4 紫外线灭菌器的流量计算  32-33
    2.3.5 电子镇流器电路设计  33-34
  2.4 水泵驱动及压力检测系统  34-41
    2.4.1 供水塔结构  34-36
    2.4.2 交流电机及自吸泵的选择  36-38
    2.4.3 电机及水泵驱动  38-39
    2.4.4 供水塔水压检测  39-41
3 传感器及其测量电路的研究  41-65
  3.1 电感液位传感器的研究  42-53
    3.1.1 传感器检测原理  42-43
    3.1.2 传感器电气参数的最优配置  43-45
    3.1.3 电感液位传感器数学模型  45-46
    3.1.4 传递函数的频域分析  46-47
    3.1.5 传感器最佳激励频率确定  47
    3.1.6 零点残余电压及其误差补偿电路  47-48
    3.1.7 传感器液位测量电路  48-53
  3.2 电容式差压传感器的研究  53-58
    3.2.1 电容式差压传感器的等效电路  54
    3.2.2 传感器脉宽调制电路  54-56
    3.2.3 寄生电容对传感器精度的影响  56-57
    3.2.4 电容式差压传感器的特性  57-58
  3.3 流量传感器的研究  58-65
    3.3.1 磁敏涡轮流量计的结构  58-59
    3.3.2 叶涡轮流体特性分析  59-62
    3.3.3 流量计特性研究  62-63
    3.3.4 磁敏转换电路  63-65
4 信息采集及MCU控制系统  65-75
  4.1 嵌入式处理器的选型  65-69
    4.1.1 微处理器的选择  65-69
  4.2 上位机RS232通讯接口  69-71
    4.2.1 RS232接口电路  70-71
  4.3 MCU外扩数据存储器  71
  4.4 实时时钟芯片电路  71-72
  4.5 双向可控硅驱动电路  72-73
  4.6 交流电机驱动控制电路  73-74
  4.7 故障检测及预报警电路  74-75
5 控制系统的软件设计  75-85
  5.1 数字PID控制器的研究与设计  75-79
    5.1.1 模拟控制规律的离散化  75
    5.1.2 PID控制规律的脉冲传递函数  75-77
    5.1.3 数字PID控制器的工程实现  77
    5.1.4 比例积分微分项分析  77
    5.1.5 数字PID控制器的参数整定  77-79
  5.2 恒温控制系统  79-81
    5.2.1 PID温度控制器  79-80
    5.2.2 PID温度控制流程  80-81
  5.3 流量控制  81-82
  5.4 紫外线灭菌过程控制  82-83
  5.5 硬水软化过程控制  83-85
6 总结与展望  85-87
  6.1 总结  85-86
  6.2 展望  86-87
参考文献  87-90
致谢  90-91
攻读学位期间发表的学术论文目录  91-93

基于MCU微控器的养殖场自动供水控制系统研究

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