（计算机应用技术专业论文）基于avr单片机阴极保护智能控制系统的设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 为了解决在自然条件下地下管网容易受腐蚀的问题，采用基于腐蚀电化学 原理的防腐层缺陷检测技术和控制技术并应用于阴极保护装置中，通过对被保 护金属管道施加阴极电流，使其阴极电位负移，减弱金属由原子态自发变为离 子态的趋势，因而从根本上抑制了腐蚀的发生。利用a v r 单片机采用智能控制 算法使被保护管道达到最佳保护电位，通过人工模拟区域性阴极保护现场实验， 证明实验区被保护管道电位达到国家标准的保护电位。该课题受到了天津市自 然科学基金的资助。 该系统采用两级计算机管控、双脉冲供电电源、局域网络远程通信和智能 控制算法等具有创新点的关键技术，设计并实现了新一代阴极保护系统。 本文详细论述了智能控制算法在阴极保护系统设计与实现中的应用。采用 以人工控制经验数据作为智能控制的知识模型，以模糊集合、模糊语言变量以 及模糊推理作为控制算法的数学工具，设计出了适合单片机硬件系统实现的模 糊智能控制算法。通过实验获得的数据表明，采用该算法实现了设计要求。 关键词：a v r 单片机、智能控制算法、阴极保护电位、v b a b s t r a c t a b s t r a c t i i lo r d e rt oa d d r e s su n d e rn a t u r a lc o n d i t i o n si nt h eu n d e r g r o u n dp i p en e t w o r k v u l n e r a b l et ot h ep r o b l e mo fc o r r o s i o n , e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nb a s e do nt h ep r i n c i p l e o ft h ea n t i - c o r r o s i o nl a y e rd e f e c td e t e c t i o nt e c h n i q u e sa n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa n d d e v i c e su s e di nc a t h o d i cp r o t e c t i o n ，t ob ep r o t e c t e dt h r o u g ht h ei m p o s i t i o no fc a t h o d i c c u r r e n tm e t a lp i p es ot h a ti tc a t h o d en e g a t i v ep o t e n t i a ls h i f to fa t o m i cs t a t e sb yt h e w e a k e n i n go ft h em e t a li o ni n t oas t a t eo fs p o n t a n e o u st r e n dt h a tf u n d a m e n t a l l yt h e o c c u r r e n c eo fc o r r o s i o ni n h i b i t i o n a v ru s i n gs i n g l e c h i ps m a r tc o n t r o la l g o r i t h ms ot h a t t h ep r o t e c t i o no fp i p e l i n e st oa c h i e v et h eb e s tp r o t e c t i o np o t e n t i a l ，t h r o u g ht h ea r t i f i c i a l s i m u l a t i o no fc a t h o d i c p r o t e c t i o no fr e g i o n a l f i e l d e x p e r i m e n t sp r o v e dt ob ea n e x p e r i m e n t a lz o n ef o rt h ep r o t e c t i o no fp i p e l i n ep o t e n t i a lt oa c h i e v en a t i o n a ls t a n d a r d so f p r o t e c t i o np o t e n t i a l h a sb e e nt h es u b j e c to f t i a n j i nn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o nf u n d i n g t h es y s t e mu s e sc o m p u t e rc o n t r o lt w o - s t a g e ，d u a l p u l s ep o w e rs u p p l y , r e m o t el o c a l a r e an e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sa n di n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m ，s u c ha st h ek e y t e c h n o l o g yi n n o v a t i o n ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fan e wg e n e r a t i o no fc a t h o d i cp r o t e c t i o n s y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e si n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mi nt h ec a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea p p l i c a t i o n a r t i f i c i a lc o n t r o lo ft h eu s eo fe m p i r i c a l d a t aa sak n o w l e d g em o d e lo fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt of u z z ys e t s ，f u z z yl i n g u i s t i cv a r i a b l e s a n df u z z yi n f e r e n c ec o n t r o la l g o r i t h ma sam a t h e m a t i c a lt o o l ，d e s i g n e df o rs i n g l e - c h i p h a r d w a r es y s t e mo ff u z z yi n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a o b t a i n e ds h o wt h a tt h ea l g o r i t h mu s e dt oa c h i e v et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：a v rs i n g l ec h i p 、i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m 、c a t h o d i cp r o t e c t i o n p o t e n t i a l 、v b i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：蝴 2 d 。( 7 年5 月日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：试滋确 2 d 听年易月阳日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 厂一一j 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ：秘密1 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) i 机密- k 2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 第一章前言 第一章前言 第一节问题提出 在自然界中，当金属与周围介质接触时，因发生化学作用或电化学作用而 引起材料性能的退化与破坏称为金属的腐蚀。金属腐蚀可分为化学腐蚀和电化 学腐蚀。化学腐蚀是金属表面出现非电解质溶液接触发生化学作用而引起的腐 蚀；而电化学腐蚀是由于金属及其合金在周围介质的电化作用下而引起的腐蚀， 该腐蚀实质上是由于在金属表面形成的许多微小短路原电池的作用下，使金属 由原子态变为离子态而产生的结果。 在工业现代化高速发展的今天，城市中人们因生活和生产的需要，对水、 天然气产生大量需求，导致地下钢结构日益增多。由于地下金属构筑物极易遭 受腐蚀介质的侵蚀，这些腐蚀不仅会造成大量的资源和能源浪费，而且会形成 可怕的安全隐患，给国家经济和人民生命财产带来巨额的损失。 据美国、日本、加拿大等国公布的报告，每年仅因腐蚀所造成的直接经济 损失就大约占了国民经济总产值的1 4 ，腐蚀生锈的钢铁约占年产量的2 0 。而在我国，每年金属腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的4 ，腐蚀损 失甚至超过了火灾、风灾和地震造成损失的总和。因此如何更好地做好腐蚀的 防护具有重要的社会意义和经济意义。 1 2 1 阴极保护简介 第二节论文内容说明 关于金属构筑物的防腐有多种方法，其中阴极保护是应用最广泛的方法之 一。每种金属浸在一定的介质中都有一定的电位，称之为该金属的腐蚀电位( 自 然电位) 。腐蚀电位可表示金属失去电子的相对难易。腐蚀电位越负越容易失去 电子，称失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区由于失去 电子( 如，铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤) 受到腐蚀，而阴极区得到 电子受到保护。以某种方式在被保护金属构筑物上施以足够的阴极电流，通过 第1 页 第一罩前言 阴极极化使金属电位负移，从而使腐蚀的金属阳极溶解速度大幅度减小，甚至 完全停止，这种保护金属构筑物免遭腐蚀破坏的方法称为阴极保护。根据提供 阴极保护电流的方式不同，阴极保护通常可分为两种方法：一种是采用具有较 负电位的金属阳极与被保护体实施电偶连接，即牺牲阳极法阴极保护；另一种 是使用外加电源对被保护体施加阴极电流，即外加电流法阴极保护。 在土壤等电解质环境中，牺牲阳极法阴极保护因其电极电位比被保护体的 电位更负，应当与被保护体电连接后将会被优先腐蚀溶解，释放出的电子在被 保护体表面发生阴极还原反应，抑制了被保护体的阳极溶解过程，从而对被保 护体提供了有效的阴极保护。而外加电流法阴极保护则是利用外部电源对被保 护体施加阴极电流，为其表面上进行的还原反应提供电子，从而抑制被保护体 自身的腐蚀过程。两种方法的保护原理相同，只是提供阴极电流的方式不同， 因此衍生出的设备装置和技术要求都有很大不同。本系统设计使用的是外加电 流法阴极保护。 电化学腐蚀是由于金属与电解质溶液接触时，金属表面各个部分存在一定 的电位差所引起的。例如，地下管线表面由于涂层缺陷引起不同区域的电位差 可达5 0 1 0 0 m v ，这样的电位差足以引起腐蚀。为了消除金属表面不同部位在电 解质溶液的电位差，可通过外加电源对金属构筑物施加阴极电流，使其发生阴 极极化。极化结果使金属的电位向负方向移动，直到原有的电位差消失，腐蚀 自然停止。以地下管线为例，从腐蚀电位开始向负方向极化2 0 0 m v ，就能达到保 护度9 0 以上。阴极保护的费用通常只占被保护金属结构物造价的1 5 ， 而结构物的使用寿命则可因此而成倍甚至几十倍地延长，因此，这项技术得到 人们的普遍认可，前景十分广阔。 1 2 2 主要研究工作 本课题以阴极保护的现场为研究基础，在土壤各种温度、湿度条件下，测 被保护金属现场电位值，借助数学工具将测得的大量数据进行理论分析，求出 变化规律，利用智能控制算法来实现。然后，将该算法通过软件编程的方式应 用到阴极保护的系统中，并可以根据参数的变化自动调节输出电流，最终达到 距离阴极保护装置最远距离的部分保护电位为一0 8 5 v 。因此检验出该算法是正 确的，可以使被保护金属现场电位值处于最佳值。使城市地下钢铁构筑物所有 第2 页 第一章前言 的局部区域都达到临界电流密度，并可节省大量的阳极的投资。从而使阴极保 护系统在低能耗，稳定的运行，这也是目前国内、国际上，业内人士普遍关注 的问题。 考虑到外加电流法阴极保护的特点和要求，选用a t m e g a 3 2 型号单片机设计 并实现了阴极保护智能控制系统。其主要研究工作是从以下四个方面进行的。 1 智能控制算法在阴极保护中的应用研究 希望被保护的金属的电位总处于最佳保护状态，被偏离的电位得到快速地 纠正。所以在做设计时考虑到要结合阴极保护的现场，采集现场数据，建立了 相关的智能控制算法模型，使被保护的金属的电位始终处于最佳保护电位。 在智能控制算法设计中选择了模糊控制算法，并针对本系统的特点对模糊 控制算法进行了优化，通过仿真实验进行了验证，体现出算法的优点。 2 两级计算机的控制、管理系统的研究 在做系统总体设计时，考虑到除了要利用单片机智能控制系统完成对金属 的电位保护之外，还应当对单片机采集的数据能够上传到p c 机，从而进行进一 步数据处理、显示、存储和打印，以备日后使用。因此系统采用了两级计算机 的控制和管理系统，其中在p c 机系统设计中使用v b 程序设计的方法。对于p c 机 所接收各路被保护金属电位和保护电流值，设计中采用分色动态，棒状图形式 显示。动态显示工作状态、停止状态、故障状态。也可以鼠标控制分页放大， 显示一小时、二十四小时、一个月、一年的曲线图。并可以定时、随时打印出 所需要的数据。为此，建立一个数据库管理系统。设计中p c 机也可以通过串口 来控制单片机的工作。 3 脉冲电流阴极保护电源的研究 脉冲电流阴极保护电源是一种新型的外加电流阴极保护技术，目前，国外 也只有少量应用该技术的报导。但是所报导的现场应用结果表明，脉冲电流阴 极保护具有传统直流阴极保护无法比拟的优越性。本设备专用的脉冲电流源。 脉冲频率可变，脉冲宽度可调，输出波形可变。以达到降低电流密度，电位分 布均匀，提高管线远端的保护效果，同时也降低近端的析氢效应。降低电能消 耗，降低维护费用。因此，在地下管网系统中，脉冲电流阴极保护比传统的直 流阴极保护更有效、更经济。 在设计中为了增加系统的不间断性和可靠性，加入了电源故障报警和备用 电源切换功能，这样当检测到主脉冲电源出现故障时，可以由蜂鸣器发出报警 第3 页 第一章前言 声，并能够自动的将电源切换到备用脉冲电源供电。使系统不问断的工作。 4 网络远程p c 与单片机通信研究 在设计中考虑到p c 机通过串口连接单片机时，距离不可能太远，所以，在 系统设计中通过网络、v b 可视化编程，使远端p c 利用局域网向本地端p c 发出 命令，本地端p c 接到命令后，自动与单片机通过串行接口进行通信( 并行接口 作为备用通信口) ，并将接到的单片机数据实时传送给远端p c ，以实现高速远程 情况下p c 与单片机通信的要求。 第三节论文内容组织 本篇论文内容由五章组成： 第一章是前言，介绍了本文的选题背景、阴极保护简介、主要研究工作， 并说明全文的组织结构。 第二章是阴极保护智能控制系统的硬件设计方案，介绍了阴极保护智能控 制系统和控制部分系统结构图。控制系统硬件电路设计( 参考电位a d 采集保护 电路、电流a d 采集保护电路、温度采集电路、显示电路设计、主各脉冲电源切 换电路、主脉冲电源故障报警电路、单片机模块的r s - 2 3 2 通信、看门狗电路、 硫酸铜参比电极和脉冲宽度可调电源电路) 。 第三章是阴极保护智能控制系统的软件设计方案，介绍了利用v b 实现网络 远程p c 与单片机通信( 远端p c 与本地端p c 通信设计、本地端p c 与单片机通 信设计) ，控制系统的智能控制算法( 模糊控制器的设计、模糊控制算法的优化 和仿真实验) ，软件和p c 界面设计( 单片机控制部分软件设计、单片机与p c 全 双工串口通信和p c 机界面控制系统设计) 。 第四章是阴极保护控制系统的实验和分析，介绍了单片机手动按键控制p w d 脉冲电源输出波形占空比和频率功能实验，p c 机自动控制占空比和频率升降实 验，本地端p c 机和单片机的数据的传送和接收功能实验，远端p c 机和单片机的 数据的传送和接收功能实验四个方面的实验和分析结果。 第五章是总结与展望，总结了在阴极保护控制系统中主要的研究工作，和 系统设计过程中的工作成绩，通过对阴极保护控制系统的实验，达到了预想的 设计要求，但还有很多研究工作仍需继续进行，以便不断完善系统的性能和技 术要求。对系统目前的不足和继续需要完善和解决的问题进行了总结和展望。 第4 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 第一节阴极保护智能控制系统 本装置以阴极保护的现场即被保护的管道为研究基础，在土壤各种温度、 湿度条件下，通过借助小阻值大功率电阻和p w m 电源测量被保护金属现场电位 值，与硫酸铜参比电极进行比较，借助数学工具将测得的大量数据进行理论分 析，利用a v r 单片机求出变化规律，利用智能控制算法来实现。然后，将该算法 通过软件编程的方式应用到阴极保护的系统设备，以此来检验该算法的正确性， 同时传送被保护管道的主要运行参数到本地p c 机，也可以通过局域网传输到远 端p c 机中，通过显示、存储主要运行参数，以保证被保护管道的常年正常使用， 进而使被保护管道的金属现场电位值处于最佳值。从而使阴极保护系统在低能 耗，稳定的运行。该系统的组成如图2 - i 所示。 图2 1 阴极保护智能控制系统的组成图 第5 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 第二节控制部分系统结构图 a t m e g a 3 2 单片机芯片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及 工作存储器，丰富强大的外部接口性能，特殊的微控制处理器性能。其主要优 点是芯片本身自带看门狗电路，片内程序f l a s h 及8 通道复用的1 0 位a d 转换 器，通用i o 接口具有很强的驱动能力，可省去部分驱动电路，使成本、电路 复杂度降低，处理速度提高。 硬件电路由a t m e g a 3 2 单片机组成，单片机从现场( 硫酸铜参比电极) 利用 a d 采集现场的数据，再将采集的数据利用控制算法处理后，一方面将采集的数 据发送n p c 机存储，另一方面，发送脉冲去控制p w m 电源的占空比，以确保管道 参比电位达到最佳保护电位。同时，采集电流值、并显示数据。控制部分系统 结构如图2 - 2 所示。 图2 2 控制部分系统结构图 第6 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 第三节控制系统硬件电路设计 2 3 1 参考电位、电流a d 采集保护电路 在控制系统的设计中是要随时采集电压、电流的，保护电流电路也是通过 采集电压，然后在程序中用公式将采集到的电压还原成电流值。 在a t m e g a 3 2 中有一个1 0 位的逐次比较的a d 转换器，a d c 与一个8 通道的 模拟多路复用器连接，能够对以p o r t a 口作为a d c 输入引脚的8 路单端电压输 入进行采样。a d 多路数据采集系统是本设计的关键之一，它主要由微处理器、 a d 采集处理部分、参数设置、输出单元和通讯接口等功能模块组成。电路连接 如图2 - 3 所示。 2 3 2 温度采集保护电路 图2 - 3a d 采集电路 本设计使用的温度传感器是d a l l a s 公司生产的1 - - w i r e 系列的高精度数字 传感器d s l 8 8 2 0 。测温范围为一5 5 一+ 1 2 5 。c ；测量分辨率用户可以从9 位到1 2 位选择，最高分辨率0 0 6 2 5 c ；内含唯一的6 4 位经过激光修正的只读存储器 r o l l ；可分别设定各路温度的上、下限告警设置；内含寄生电源。温度采集硬件 电路见图2 - 4 所示。 第7 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 2 3 3 显示电路 图2 4 温度采集硬件电路 本设计采用l e d 显示，由于本设计需要显示电流、参比电位和温度，显示 的数据较多，采用动态显示的方法实现的效果不理想，故选用串入并出芯片 7 4 l s l 6 4 联级静态显示。图2 - 5 为采用7 4 l s l 6 4 实现单个显示的电路图。 图2 - 5 采用7 4 l s l 6 4 实现单个显示电路图 2 3 4 主备脉冲电源切换电路 该电路的作用是当主脉冲电源出现故障时，能够自动的将电源切换到备用 脉冲电源供电，以给管道提供不接断的保护。主各电源切换电路主要由光电隔 离芯片t l p 5 2 1 - 4 和d c l 2 v 继电器组成，电路见图2 - 6 所示。 图2 - 6 主备脉冲电源切换电路 第8 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 2 3 5 主脉冲电源故障报警电路 该电路的作用是当检测到主脉冲电源出现故障时，由蜂鸣器b 1 发出报警声， 电路图如图2 7 所示。 图2 - 7 电源故障报警电路 2 3 6 单片机模块的r s - 2 3 2 通信 在本次设计中采用串行通信，两收发电路采用r s - 2 3 2 电平通信，所以必须 将t t l 电平转换成r s 一2 3 2 电平，才能与收发电路进行通信。t t l 转r s 一2 3 2 电平电路 部分如图2 - 8 所示。 2 3 7 看门狗电路 o n d 图2 - 8t t l 转r s - 2 3 2 电平电路 看门狗电路是c p u 监控电路，时刻监视着单片机的运行状态，当单片机进 入死循环或死机后，复位单片机，使系统重启，从而保证系统的正常运行。 a t m e g a 3 2 单片机内部有集成看门狗，只需在程序中开启它，并设定好定时 第9 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 器的溢出周期，就可以起到监控的作用。般是利用单片机的定时器来实现。 在这里设计了专门的看门狗电路，该电路的优点是定时的时间可以比较长，可 以给系统初始化足够的时间完成h 制。电路图如图2 - 9 所示。 2 3 8 硫酸铜参比电极 ， 图2 - 9 看门狗电路 为了对各种金属的电极电位进行比较，必须有一个公共的参比电极。饱和 硫酸铜参比电极电极，其电极电位具有良好的重复性和稳定性，构造简单，在阴 极保护领域中得到广泛采用。参比电极是阴极保护系统中重要的组成部分之一。 它既可用来测量被保护构筑物的电位，又可作为恒电位仪自动控制的信号源。 在对埋地管道、地下电缆等金属构筑物的阴极保护中，c u c u s o 。参比电极得到广 泛的应用不同参比电极之间的电位比较如表2 - 1 所示。 表2 - 1 土壤中或浸水钢铁结构最小阴极保护电位( v ) 相对于不同参比电极的电位( v ) 被保护结构 饱和甘汞参 饱和硫酸铜参比电极氯化银极 锌参比电极 比电极 钢铁( 土壤或水中) 一o 8 50 7 5o 2 5- 0 7 7 8 钢铁( 硫酸盐还原菌) 一o 9 50 8 5o 1 5- 0 8 7 8 2 3 9p w m ( 脉冲宽度可调) 电路 采用a v r 单片机的a t m e g a 3 2 单片机来实现电路的控制，利用智能功率芯片 b t s 6 1 4 3 d 进行功率放大，此芯片是一款集成s i p m o s 片上技术的高边智能功率 开关芯片。其原理框图如图2 - 1 0 所示。 第1 0 页 第二章阴极保护智能控制系统的硬件设计 图2 - 1 0p 删电源系统框图 根据智能控制脉冲电源的基本框架，把电路分为五大模块。通过单片机控 制部分，驱动部分，外围设备部分的设计能够达到：工作电压2 4 v ，电流5 a ； 输出外围设备的频率i o h z 的方波；频率，占空比可调；可实现全双工串口通信 功能；驱动电路自带电流过载自保护功能的技术设计要求。 第四节本章小结 通过对实际设计情况和外加电流阴极保护法的分析和归纳，设计了阴极保 护智能控制系统，并针对系统设计的要求，使用现今性能比较完善、性价比好 的a t m e g e 3 2 型号的单片机为核心，设计出了阴极保护智能控制系统的控制部分 系统的结构图，其中包括电压、电流、温度的采集，p w m 电源控制的设计，p w m 备用电源的设计，显示和单片机向上p c 机的数据传输等主要部分。通过以上9 个方面对控制系统的设计，使控制系统主要完成了两个工作，第一，测量被保 护金属电极电位。若测得金属电位高于最小保护电位，则单片机根据它们的差值 应用智能控制算法，经单片机控制的保护脉冲电源，自动调整保护脉冲电源的 参数，使其输出电流加大，金属极化电位进一步降低，直到进入最佳保护电位 范围为止。反之，则进行相反的控制。第二，定时将输出电流和保护电位两个 参数，上传至p c 机。 第1 1 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 第一节利用v b 实现网络远程p c 与单片机通信 在各种单片机应用系统的设计中，常常遇到单片机与p c 的通信问题，在速 度要求不高、传送距离不远的场合般采用r s - 2 3 2 标准串行接口实现，在传送 距离较远的场合，也有研究通过无线技术实现两者之间的通信。但是，随着信 息技术的发展，计算机和网络越来越普及，对单片机的远程控制与测量的要求 也越来越高。要同时满足高速度和远距离p c 与单片机通信也是本设计中需要解 决的问题。系统设计了一个远程通信系统，是由3 部分构成：远端p c 、本地端 p c 和单片机系统。通过v b 可视化编程，远端p c 利用局域网向本地端p c 发出命 令，本地端p c 接到命令后，自动与单片机通过串行接口进行通信( 打印机接口 以e p p l 9 协议作为备用通信口) ，并将接到的单片机数据实时传送给远端p c ， 以实现高速远程情况下p c 与单片机通信的要求。 3 1 1 系统结构与设计 系统构成如图3 - 1 所示，远端p c 通过局域网和本地p c 通信，在通信中使 用w i n s o c k 控件和t c p 1 p 协议；本地端p c 通过并行通信接口或串行通信接口 与单片机通信，在并口通信中使用w i n l 0 并口通信驱动程序、e p p 协议和l p l 打 印机接口，在串口通信中使用m s c o m m 控件、r s - 2 3 2 协议和c o m 口。在此结构中， 本地p c 端起到中继的作用，当本地端p c 接收到从远端p c 传送过来的命令，在 选择通信方式后，与单片机通信，使单片机向远端p c 传送数据。 图3 - 1 系统结构图 第1 2 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 3 1 2 远端p c 与本地端p c 通信设计 t c p i p 是日前在网络通信中广泛采用的一组完整的网络协议，该协议的核 心是t c p ，i p 和u d p 协议。t c p i p 网络环境下应用程序通过网络系统编程界面 套接字( s o c k e t ) 实现与操作系统的交互。利用s o c k e t 通信编程接口编写程序， 其目的是在t c p i p 所组建网络的不同机器之间利用客户服务器模式建立通 信连接开发人员只要提供一些基本的连接信息即可，其余由操作系统完成。 w j n s o c k ( w i n d o w ss o c k e t ) 是w i n d o w s 操作系统下的通用的t c p i p 应用程序的 网络编程接口，通过调用w i n s o c k 的接口函数来调用t c p i p 的各种功能。在 v b 中，w i n s o c k 控件对w i n d o w ss o c k e t sa p i 进行封装，使用程序员可以不必 了解t c p i p 或调用底层w i n s o c ka p i 的具体细节，只要设置好相应属性，在 触发的事件过程中作好相应处理，就能编写出网络应用程序。远端p c 与本地端 p c 通信通过v b 调用w i n s o c k 控件实现，其控制界面如图3 - 2 、3 - 3 所示。 图3 2 远端p c 控制界面 第1 3 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 图3 - 3 本地端p c 控制界面 需说明的是，远端p c 选择好要连接的本地端p c 的i p 地址和网络传送端口 后，再发起联机申请；本地端p c 网络传送端口必须和远端p c 传送端口一致， 串行端1 ：3 选择是c o m l c o m 2 ，并行端口输入并口地址( 3 7 8 h ) ；远端p c 在命令输 入区输入命令后，发送命令按钮才有效；回传数据区存放单片机传送回来的实 时数据并可保存成文本文件，信息区存放网络工作状态、远端p c 的命令，及单 片机数据传送情况。其通信过程如图3 - 4 所示。 本地靖p c 皿 远靖p c 图3 远端p c 与本地端p c 通信过程 第h 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 3 1 3 本地端p c 与单片机通信设计 1 本地端p c 与单片机并口通信设计 ( 1 ) 并行通信接口及协议 在速率要求较高的场合，可以利用p c 机上的打印机接口( c e n t r o n i c s 标准， d b 一2 5 芯针座，t t l 电平) 实现。并口通信有s p p 、e p p 和e c p 三种工作模式。本 文采用e p p 协议。 1 ) e p p 协议 增强型并行接口协议e p p ( e n h a n c e dp a r a l l e lp o r t ) ，为p c 和外设之间定 义了并行双向通信的标准，该协议通过硬件自动握手，能达到5 0 0 k b s 2 m b s 的通信速率，适合大量数据传输的外设进行告诉通信。e p p 分为e p p i 7 和 e p p l 9 ，二者之间的区别是：e p p l 9 需要判断超时( 避免出现“死循环) 以及 n w a i t 信号是否有效，而e p p l 7 不需要判断，传输速度更快。e p p 协议支持4 种操作，包括数据写出、地址写出、数据读取和地址读取。 2 ) e p p 协议的寄存器地址及一些主要的引脚定义，如表3 - 1 ，表3 - 2 所示。 表3 1e p p 协议引脚定义 引脚号e p p 信号方向功能是否反向 2 - 9d a t a o - 7 输入输出数据否 低电平e p p 周 1 1 n w a i t 输入是 期 1 4 n d a t a s t r o h e 输出低电平表示是 1 8 2 5g n d 地 表3 - 2e p p 寄存器地址 地址端口名称读写 b a s e + o s p p 数据端口写 b a s e + i e p p 状态端口 读 b a s e + 2e p p 控制端口写 b a s e + 3 e p p 地址端口读写 b a s e + 4 e p p 数据端口读写 第1 5 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 ( 2 ) w l n i o 并口通信驱动程序 在v b 中无法直接使用输入输出指令来完成对端口的访问，尤其是w i n d o w s 2 0 0 0 x p 系统对端口的保护更加严格。要对端口进行访问，通过c c + + 等编程 软件开发一些动态链接库( d l l ) 或a c t i v e x 控件用于在v b 中调用来完成对底层 硬件的控制，本系统使用的是动态链接库文件w l n i o d l l ( 适用于w i n d o w s2 0 0 0 x p ) ，主要实现了对底层并行端口使用的方法。w l n i o 不需要向注册表中添加 任何信息，只要把w l n i o v x d ，w i n i o s y s ，w l n i o d l l 放在应用程序所在的文 件夹下就可以。在使用的时候，直接将w i n i o b a s 引用到工程中，就可以实现 对端口的控制和访问。 ( 3 ) 并口通信设计 如图3 - 5 所示，打印机口通过单片机的p 3 口传送数据，n w a i t 和n d s t o r b e 通过p 4 0 和p 4 1 与单片机连接。并行接口与单片机相连一般有两种方式：一 种是直接连接，另一种是使用双向驱动器或锁存器的总线方式。本系统采用第 一种方式，能最大限度发挥e p p 速度快的优势，但单片机易受到不稳定信号的 干扰。e p p 模式为双向传输协议，为了简化设计，只进行采用单片机向p c 传送 数据的单向读传送，并口采用e p p i 9 模式，支持超时和n w a i t 判断。 e p p p 3 0d 0 i 8 单片机i ， p 3 1 r d 7 p 4 0 n d s t o z b e p 4 1n 溉i t d b 一2 5 图3 - 5 并口通信硬件连接图 本地端p c 通过并口与单片机通信的v b 源程序如下： i fo p t l p t v a l u e = t r u et h e n 判断是否选择并口通信 r e s u l t = s e t p o r t v a l ( v a l ( “h + 3 7 a ) ，v a l ( “h + “2 4 ) ，1 ) 初始 化，选择读模式 r d s t a ：r e s u l t 2 = g e t p o r t v a l ( v a l ( “h + “3 7 9 ) ，p o r t v a l l ，1 ) 读状态 端口 b u f l = h e x m y m ( p o r t v a l1a n d & h f f ) i fb u f l = “f e t h e n n w a t i 有效 第1 6 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 r d d a t a ：r e s u l t l = g e t p o r t v a l ( v a l ( “h ”+ “3 7 c ) ，p o r t v a l 2 ，1 ) 读数 b u f 2 = h e x m y m ( p o r t v a l 2a n d & h f f ) w i n s o c k 2 s e n d d a t ab u f 2 数据送给远端p c e l s e i fb u f l = “f e ”t h e n 超时 t x t r e c ei v e t e x t = “并口通信传输超时& v b c r w i n s o c k 2 s e n d d a t a 并口通信传输超时 r e s u l t l = s e t p o r t v a l ( v a l ( “h + 3 7 9 ”) ，v a l ( “h + “f f ”) ，1 ) 去掉 超时位 c a lls h u t d o w nw i n i o e n di f e n di f 2 本地端p c 与单片机串口通信设计 p c 串行接口c o m l c o m 2 信号符合r s - 2 3 2 电气标准，而单片机串行接口采 用t t l 逻辑电平，实现二者之间的异步串行通信需要电平转换。单片机串行接 口有一个全双工串行接口，经过前面控制电路中设计的转换电路变成r s - 2 3 2 电 气标准。 m s c o m m 控件是m i c r o s o f t 公司提供的简化w i n d o w s 下串行通信编程的 a c t i v e x 控件，可以为应用程序提供通过串行接口收发数据的简便方法。该控件 具有完善的串口数据的发送和接收功能。通过此控件，p c 机可以利用串行口与 其他设备实现连接，简单高效地实现设备之间的通讯。 本系统以串行通信为主要通信方式，本地端p c 通过串口与单片机通信的v b 源程序如下： i fo p t c o m v a l u e = t r u et h e n 判断是否选择串口通信 b u f l = “” m s c o m m l o u t p u t = “? 是否发送? b u f l = m s c o m m l i n p u t t i m e d e l a y5 0 b u f l = b u f l & m s c o m j n l i n p u t 从串口读取数据 w i n s o c k 2 s e n d d a t ab u f l & “串口数据传送完毕 t x t r e c e i v e t e x t = “串口数据传送完毕 e n di f 第1 7 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 3 单片机程序设计 单片机部分可进行并口和串口两种方式的通信，用汇编语言编写通信子程 序。在这里分别给出2 种方式的程序流程图。见图3 - 6 流程见图3 - 7 所示。 图3 - 6 并口通信子程序流程图图3 - 7 串口通信子程序流程图 4 具体设计 在本课题中选择了p c 机通过串口通信接收由单片机发送的数据。并口通信 作为备用口。 首先在v b 窗口下引用了m s c o m m 串行通讯组件，此组件为w i n d o w s 自带的 串行通讯组件，可进行全双工串行通讯。 之后在m s c o m m 组件属性中设置通讯方式，在此硬件通讯方式为：c o m l 口、 方式1 、1 2 0 0 比特率，无奇偶校验，见图3 - 8 所示。 然后在程序中定义，当c o m l 口接收到一组串行信号时，将其中的数据读入， 判断后将信息显示在相应串口上。当按下窗口上相应的按键时，将其中的变化 数据以串口形式发送到单片机中。单片机接收窗口见图3 9 所示。 第1 8 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 3 1 4 小结 圈3 8 硬件通讯设置窗口 图3 _ 9 单片机接收窗口 本设计特色是，本地端p c 起到中继作用，这里使用局域网( 如果要使用 i n t e r n e t ，必须为本地端p c 提供固定的i p 地址) ，当网络连接中断时，可自动 重新连接；本地端p c 采用并口和串口两种方式与单片机通信。并口采用e p p i9 模式，单片机也可判断超时，远端p c 可实时读取单片机中的数据。本设计利用 了v b 面向对象和可视化编程的特点，将网络、并口、串口通信方式相结合实现 了远程p c 与单片机系统的通信。 第1 9 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 第二节控制系统的智能控制算法 阴极保护装置的控制和温度有密切关系，要对管道进行合理的保护，温度 控制显得非常重要。常规控制器依赖于精确的数学模型，而本系统温度由于受 环境变化等因素的影响，因此无法建立精准的数学模型，故采用模糊控制器来 对温度进行控制和对系统进行相应的完善，利用模糊逻辑控制实现了在线自调 整，使控制系统性能得到改善乜7 、丛3 。 3 2 1 模糊控制起源和理论基础 控制理论的发展与数学有着密切的关系，需要事先建立被控对象的数学模 型，在此基础上合理地选择控制策略，进行控制器的设计。然而大量的工程实 践证明，许多控制对象控制系统由于其过程复杂，具有非线性和强耦合等特点， 各种参数也存在时变性等，致使无法建立精准的数学模型，采用经典控制理论 和现代控制理论来解决这类对象得不到满意的控制结果。与此相反，具有丰富 操作和生产经验的操作人员却能令人满意控制整个系统，这是因为人具有传统 控制理论所不具有的智能，如根据环境因素及生产过程特点的变化修正控制理 论策略的能力、协调目标性能和处理不确定的能力等。因此将人的知识和智能 行为融入控制系统的设计，已成为解决复杂环境中过程控制的有效途径。因此 采用模糊控制算法的计算机自动控制系统来实现阴极保护的温度采集控制成为 了最佳的方案乜“引。 模糊逻辑是描述和处理事物的不精确性和系统的不确定性的有效方法。一 般模糊控制器主要由输入量模糊化、规则库、模糊决策和输出解模糊四部分组 成。输入模糊化是将真实的确定量转换成一个模糊矢量；模糊控制规则则是把 专家或熟练操作人员的经验按照人的直觉推理形成一种语言表示形式；模糊策 略实现根据模糊输入由控制规则获得模糊控制变量；解模糊是把由模糊决策得 出的模糊控制量转换为清晰的控制输出量。模糊控制是基于模糊集、模糊逻辑， 和控制理论相结合，模拟人的思维方式，对难建模的对象实施的一种控制方法。 其主要优点在于n 2 1 3 、1 4 “引： 1 仿人思维算法易于理解和使用 模糊控制算法更接近于人的思维方法和推理习惯，因此便于现场操作人员 的理解和使用，便于人机对话以得到更有效的控制规律。 第2 0 页 第三章阴极保护智能控制系统的软件设计 2 模拟控制不需要被控对象