单片机在过程控制中的应用.doc

安徽理工大学毕业设计 I 氨冷器被冷却介质出口温度 液位超驰控制系统的设计 摘要 氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用 为了达到生产过程对控 制系统的要求 在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统 即温度 液位超驰 控制系统 该控制系统中需要用到温度及液位调节器 传统的调节器采用 DDZ 型 电动组合仪表 而随着单片机在控制领 域广泛应用 利用计算机软件实现控制算法 具有更大的灵活性 可靠性和更好的控制效果 本文主要以 AT89C51 单片机为核心 结合传感器技术来实现超驰控制系统的智 能化设计 主要研究其基本工作原理 硬件电路设计以及软件设计 其中硬件部分包 括核心控制模块 AT89C51 单片机及其外围电路的设计 软件部分包括系统程序控制流 程图以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容 关键词 超驰控制系统 关键词 超驰控制系统 A D 转化器 转化器 89C51 单片机 单片机 LCD 显示 显示 PID 算法算法 安徽理工大学毕业设计 i THE INTELLIGENT DESIGN OF AMMONIA COOLER OVERRIDE CONTROL SYSTEM BYTHE COOLING MEDIUM OUTLET TEMPERATURE FLUID POSITION ABSTRACT Ammonial main role is to make renewable liquid ammonia copper acetate for recycling In order to achieve the production control system requirements superposition a solution on the basis of simple temperature control system for super relaxation system that is temperature level override control system The need to control system of temperature and Liquid Level regulator regulator DDZ type electric combination of traditional instruments but with the wide application of Single Chip Computer in control field This paper mainly AT89C51 microcontroller as the core to override the intelligent design of control system with sensor technology mainly studies the basic working principle hardware circuit and software design the hardware part includes the design module of AT89C51 MCU and its peripheral circuit of the core control the software part includes the system flow chart and the structure design of the main program and each the function module of the program control program etc KEYWORDS override control system A D converter 89C51 MCU LCD display PID algorithm 安徽理工大学毕业设计 ii 目录 摘要 中文 I 摘要 外文 I 1 绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 1 1 研究意义 1 1 2 主要研究内容 2 2 系统总体设计方案 3 2 1 系统工作原理 3 2 2 总体设计方案 3 2 2 1 温度采集方案的选择 3 2 2 2 显示电路方案的选择 3 2 2 3 声光报警电路方案的选择 4 2 2 4 系统总体设计 4 3 系统的硬件电路设计 5 3 1 核心控制模块的设计 5 3 1 1 AT89C51 单片机简介 5 3 1 2 AT89C51 单片机最小系统 7 3 2 A D 和 D A 转换器 8 3 2 1 ADC0809 芯片 9 3 2 2 DAC0832 芯片 12 3 3 执行模块的设计 15 3 4 显示模块的设计 16 3 5 报警模块的设计 18 3 6 电源模块的设计 18 4 系统的软件设计 19 4 1 主程序的设计 19 4 1 1 T1 中断模块 20 4 2 IPD 算法的设计 20 4 3 各功能模块子程序的设计 22 安徽理工大学毕业设计 iii 4 3 1 A D 转换子程序 23 4 3 2 显示程序 24 4 3 3 键盘子程序 24 参考文献 27 附录 1 程序清单 28 致谢 35 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究意义 如今 随着工业的发展和能源供求的紧张 工程技术人员对于这些过去废弃不用的 余热加以重视 利用它来产生压力蒸汽 以此作为供热 供气 供电和动力的辅助能 源 借以提高热能的总利用率 降低燃料消耗指标 降低电耗 借以获取经济效益 因此设计一个优良的蒸汽热能回收换热器有着十分重大的意义 通过本次毕业设计对 掌握电路设计和 89C51 程序设计的思路与方法 掌握氨冷器控制系统的意义与运用 结合单片机与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快 超 调量减少 过渡过程时间缩短 振荡次数减少控制 生产安全成为本系统研究的主要 目的和意义 1 1 2 氨冷器温度 液位超驰控制系统概述 在合成氨生产过程中 采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳 吸 收是一个放热反应 吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸铜氨液温度高达 80 以上 为了 使醋酸铜氨液再生以便循环使用 其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却 到 8 10 其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的 氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋 酸铜氨液的热量 使铜氨液的温度下降这一原理进行的 液氨在氨冷器中汽化需要一 定的时间 氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大 因此 当液氨高度超过最大 的汽化面积高度后 液位越高汽化面积越小 调节过程会出现反常现象 这是氨冷器 调节的一个重要特点 为了达到生产过程对控制系统的要求 在简单温度控制系统的 基础上叠加上一个液位超驰调节系统 如图 1 1 所示 图图 1 1 氨冷器温度氨冷器温度 液位超驰控制系统液位超驰控制系统 正常工况下 如果温度升高 温度控制器输出控制液氨流量 增加液氨量 经液氨 的蒸发 使出口温度下降 如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度 由液位控 氨氨 气气 安徽理工大学毕业设计 2 制器取代温度控制器 根据液位控制进氨量 保护了后续设备 一旦温度下降 温度 控制器输出与液位控制器输出相等 并继续下降时 温度控制器就自动取代液位控制 器 工艺操作恢复到正常工况 在该控制系统中 调节器既可安装在液氨管线上 也可安装在氨气管线上 调节阀 安装在氨气管线上对象迟后较小 反应比较灵敏 但缺点是需要用一个较大管径耐高 压的气体阀门 这种阀门成本比较高 而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多 所以调节 阀一般是安装在液氨管线上 无论在正常工况下 还是在异常工况下 总是有调节器处于开环待命状态 对于处 于开环的调节器 其偏差长时间存在 如果有积分控制作用 其输出将进入深度饱和 状态 一旦选择器选中这个调节器工作 调节器因处于饱和状态而失去控制能力 只 能等到退出饱和以后才能正常工作 所以在超驰控制系统中 对有积分作用的调节器 必须采取抗积分饱和措施 而对于计算机在线运行的控制系统 只要利用计算机的逻 辑判断功能进行适时切换即可 1 2 主要研究内容 本文主要以 AT89C51 单片机为核心 结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能 化设计 主要研究其基本工作原理 硬件电路设计以及软件设计 其中硬件部分包括 核心控制模块 AT89C51 单片机及其外围电路的设计 软件部分包括系统程序控制流程 图以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容 在本次毕业设计过程中 主要涉及到如下工作 1 研究与分析 PID 控制理论的发展现状 并提出本设计的最终方案 2 选择以单片机为核心的中央处理器 在设计的过程中 熟悉 AT89C51 单片机汇 编语言的设计流程和开发环境 同时对各功能模块进行软硬件的设计与实现 3 在学习单片机的基础上 完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写 以及电路仿真和调试 最终实现显示 自动调节的功能 4 在显示方面采用了 LCD12864 作为显示信息器件 与用户进行友好交互 LCD12864 是专门用于显示汉字 字母 数字 符号的显示模块 具有功耗低 体积小 显示内容丰富等诸多优点 在低功耗应用系统中得到很广泛 安徽理工大学毕业设计 3 2 系统总体设计方案 2 1 系统工作原理 在温控部分 用 89C51 单片机为中央处理器 通过温度传感器 DS18B20 采集温度 信号 ADC0809 将采集到的温度信号传输给单片机 再由单片机控制显示器 并进行 PID 处理 然后经 DAC0832 输出模拟信号驱动电气转换器 QZD 1000 继而控制液氨 调节阀 调节液氨的进出量 实现对温度的控制 在液位控制部分 当液位低于最大汽化面积高度时 液位变送器的输出信号经 max H A D 转换后送入单片机 单片机仅控制显示器显示此时的液位 当液位超过最大汽化 面积高度时 单片机中的门限值判断程序会做出相应动作 此时切断温度调节程 max H 序 由液位调节程序取代 控制液氨调节阀 调节液氨的进出量 实现对液位的控制 不使超过 当信号低于时 又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控H max HH max H 制 在温度和液位超出限定值时 会进行声光报警 2 2 总体设计方案 超驰控制系统的智能化设计的目的是实现温度液位的自动调节 维持温度在给定值 附近 系统安全运行 本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块 温度液 位采集模块 执行模块 报警模块等 2 2 1 温度采集方案的选择 方案一 采用传统的热电阻传感器测量温度值 再将信号送入温度变送器 输出标 准电信号 经 ADC0809 转化为数字信号送入单片机 成本简单 但结构较复杂 涉及 多个元器件 方案二 采用集成温度传感器 DS18B20 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半 导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器 与传统的热敏电阻等测温元件相比 它能直接读出被测温度 并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9 12 位的数字值 读数方式 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信 不需经过 ADC 转换再送入 单片机中 综合各项因素 选择方案二 2 2 2 显示电路方案的选择 方案一 显示电路采用 4 位共阳 LED 数码管 从 P3 口 RXD TXD 串口输出段码 显示电路是使用的串口显示 最大的优点就是使用口资源比较少 该显示电路只使用 单片机的 3 个端口 P1 7 P3 0 P3 1 并配以 4 片串入并出移位寄存器 74LS164 LED 驱动 四只数码管采用 74LS164 右移寄存器驱动 显示比较清晰 但结构为复杂 安徽理工大学毕业设计 4 方案二 采用 LCD12864 作为显示信息器件 与用户进行友好交互 LCD12864 是 专门用于显示汉字 字母 数字 符号的显示模块 具有功耗低 体积小 显示内容 丰富等诸多优点 在低功耗应用系统中得到很广泛 LCD12864 即像素为 128 64 的 显示液晶 其每一行最多可以显示 8 个中文 16 个半宽字体 由该模块构成的液晶显 示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电路结构或显示程序都要简 洁得多 综合考虑 选用方案二 2 2 3 声光报警电路方案的选择 方案一 采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路 它是高电平报警 一旦 监测到温度 液位值达到报警限时 就发出报警 该电路简单 可靠 方案二 采用语音芯片 在超过上下限时能够通过语音进行报警 其人机交互友好 但控制复杂 成本较高 综合考虑 选用方案一 2 2 4 系统总体设计 本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样 同时液位采集模块也对 氨冷器中液氨高度进行采样 将采集到的信号送到 89C51 单片机进行处理 当在正常 工况时 采用温度调节程序 最后单片机将处理过的数字信号通过 D A 转换为模拟信 号输出 驱动电气转换器 将电流信号转化为标准气压信号 推动执行机构 控制液 氨的进入量 从而实现温度的调节 在液位超过最大汽化面积高度时 单片机自动转 向液位调节程序 使液位高度恢复正常值 又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行 控制 另外 本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能 总体方案如图 2 1 安徽理工大学毕业设计 5 图图 2 1 总体设计方案框图总体设计方案框图 3 系统的硬件电路设计 3 1 核心控制模块的设计 3 1 1 AT89C51 单片机简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS8 位微处理 器 俗称单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片 机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易 失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多 功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制 器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了 一种灵活性高且价廉的方案 其管脚图如图 3 1 所示 单片机 AT89C51 液晶显示模块 执行机构 温度传感器 液位传感器 键盘输入 报警模块 安徽理工大学毕业设计 6 图图 3 1 AT89C51 管脚图管脚图 1 主要特性 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24Hz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 引脚功能说明 1 VCC 为电源电压 GND 为地 2 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可 以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH RST 9 RXD P3 0 10 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 XTAL1 19 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 XTAL2 18 GND 20 VCC 40 EA VPP 31 PSEN 29 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 WRP3 6 16 RD P3 7 17 安徽理工大学毕业设计 7 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 在访问外部数据存储器或程序存 储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上 拉电阻 在 FIash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校 验时 要求外接上拉电阻 3 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输 出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下 拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 4 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输 出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址 的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器 进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号 5 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门 电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由 于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如下所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 6 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 使单片机复位 7 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 安徽理工大学毕业设计 8 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 即使不访问外部存储器 ALE 仍以时钟振荡频 率的 l 6 输出固定的正脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的 是 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 DO 位置位 可 禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活 此 外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 无效 8 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C51 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次有效 即PSEN 输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 这两次有效的信号不出现 PSEN 9 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复 位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 VCC 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 VPP 当然这必须是该器件 是使用 12V 编程电压 VPP 10 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 11 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 3 1 2 AT89C51AT89C51 单片机最小系统 89C51 单片机有 4KEPROM 所以不需外扩 EPROM 所以我们将 AT89C51 芯片的第 31 脚 VPP 固定接高电平 单片机的时钟电路有一个 12M 的晶振和两个 30P 的EA 小电容组成 它们决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒 复位电路由 22UF 的电容和 1K 的电阻及 IN4148 二极管组成 以前教科书上常推荐用 10UF 电容和 10K 电阻组成 复位电路 这里我们根据实际经验选用 22UF 的电容和 1K 的电阻 其好处是在满足单 片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗 可以显著增强单片机复位电路的 抗干扰能力 二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能 满足短时间多次复位都能 成功 如图 3 2 所示 安徽理工大学毕业设计 9 图图 3 2 AT89C51 最小系统电路图最小系统电路图 3 2 A D 和 D A 转换器 液位变送器采集到的信号需经过 A D 转换送入单片机中进行处理 而由单片机处理 过的数字信号 需经过 D A 转换送入执行机构 驱动调节阀调节液氨的流量 本系统分别采用 ADC0809 和 DAC0832 作为模数转化器 它们都是较为通用的转换 器 性能稳定 3 2 1 ADC0809 芯片 ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道 8 位逐次逼近式 A D 模数 转换器 其内部有一个 8 通道多路开关 它可以根据地址码锁存译码后的信号 只选 通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A D 转换 是目前国内应用最广泛的 8 位通用 A D 芯片 它具有高速 高精度 温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小 重复性好 等优点 1 内部结构 如图 3 3 所示 安徽理工大学毕业设计 10 图图 3 3 内部结构图内部结构图 由图 3 3 可看芯片主要是由一个 8 位 A D 转换器 8 路模拟输入选通开关 地址锁 存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成 多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存 A D 转换 完的数字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 ADC0809 对输入模拟量要求 信号单极性 电压范围是 0 5V 若信号太小 必须 进行放大 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变 如若模拟量变化太快 则需在 输入前增加采样保持电路 为实现 8 路模拟通道能有条不紊地工作 首先通过地址译码锁存器选通所要开通的 8 路模拟通道中的一路开关 将模拟信号送入 A D 转换器中实现 A D 的转换 转换后 的数据放到三态数据锁存器中等待 CPU 来取 取后由 CPU 启动新一次的地址译码 重复以上完成新一次的 A D 转换 ADC0809 芯片提供了高转换速度 高精密度 环境 影响小和低功耗等优点 被广泛应用于各种控制领域 2 外部结构 ADC0809 是带有 8 位 A D 转换器 8 路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻 辑的 CMOS 组件 其转换方法为逐次逼近型 在 A D 转换器内部含有一个高阻抗斩波 稳定比较器 一个带有模拟开关树组的 256 电阻分压器 以及一个逐次逼近型寄存器 8 路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制 可以在 8 个通道中任意访问一个通道的模 拟信号 由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码 而且三态 TTL 输出也可 以锁存 所以它易于与微型计算机接口 如图 3 4 所示 安徽理工大学毕业设计 11 图图 3 4 ADC0809 引脚图引脚图 引脚结构 ADC0809 各脚功能如下 D7 D0 8 位数字量输出引脚 IN0 IN7 8 位模拟量输入引脚 VCC 5V 工作电压 GND 地 REF 参考电压正端 REF 参考电压负端 START A D 转换启动信号输入端 ALE 地址锁存允许信号输入端 START 和 ALE 两种信号用于启动 A D 转换 通常接在一起 EOC 转换结束信号输出引脚 开始转换时为低电平 当转换结束时为高 电平 安徽理工大学毕业设计 12 OE 输出允许控制端 用以打开三态数据输出锁存器 CLK 时钟信号输入端 一般为 500KHz 1 地址输入和控制线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁存与译 码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通道的模拟 量进转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入 通道选择表 如下表 3 1 所示 表表 3 1 地址信号与选中通道的关系地址信号与选中通道的关系 地址 CBA 选中 通道 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 3 ADC0809 应用说明 1 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机直接相连 2 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 3 送要转换的哪一通道的地址到 A B C 端口上 4 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 5 是否转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 6 当 EOC 变为高电平时 这时给 OE 为高电平 转换的数据就输出给单片机 了 ADC0809 芯片与 51 单片机的连接电路如图 3 5 所示 安徽理工大学毕业设计 13 图图 3 53 5 ADC0809ADC0809 与与 AT89C51AT89C51 的连接的连接 3 2 2 DAC0832 芯片 DAC0832 是美国资料公司研制的 8 位双缓冲器 D A 转换器 芯片内带有资料锁存 器 可与数据总线直接相连 电路有极好的温度跟随性 使用了 COMS 电流开关和控 制逻辑而获得低功耗 低输出的泄漏电流误差 芯片采用 R 2RT 型电阻网络 对参考 电流进行分流完成 D A 转换 转换结果以一组差动电流 IOUT1和 IOUT2输出 DAC0832 主要性能参数 分辨率 8 位 转换时间 1 s 参考电压 10V 单电源 5V 15V 功耗 20mW 1 内部结构如图 3 6 所示 图图 3 6 内部结构图内部结构图 DAC0832 中有两级锁存器 第一级锁存器称为输入寄存器 它的锁存信号为 ILE 第二级锁存器称为 DAC 寄存器 它的锁存信号为传输控制信号 因为有两级锁XFER 存器 DAC0832 可以工作在双缓冲器方式 即在输出模拟信号的同时采集下一个数字 安徽理工大学毕业设计 14 量 这样能有效地提高转换速度 此外 两级锁存器还可以在多个 D A 转换器同时工 作时 利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出 图 3 12 中 LE 为高电平 和为低电平时 为高电平 输入寄存器的输出CSWR 1 LE 跟随输入而变化 此后 当由低变高时 为低电平 资料被锁存到输入寄存器 1 WR 1 LE 中 这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化 对第二级锁存器来 说 和同时为低电平时 为高电平 DAC 寄存器的输出跟随其输入而XFER 2 WR 2 LE 变化 此后 当由低变高时 变为低电平 将输入寄存器的资料锁存到 DAC 2 WR 2 LE 寄存器中 2 引脚结构 如图 3 7 所示 图图 3 7 引脚结构图引脚结构图 DAC0832 是 20 引脚的双列直插式芯片 各引脚的特性如下 片选信号 和允许锁存信号 ILE 组合来决定1 WR 是CS 否起作用 ILE 允许锁存信号 安徽理工大学毕业设计 15 写信号 1 作为第一级锁存信号 将输入资料锁存 1 WR 到输入寄存器 此时必须和 ILE 同时有效 1 WRCS 写信号 2 将锁存在输入寄存器中的资料送到 DAC 2 WR 寄存器中进行锁存 此时 传输控制信号必须有效 XFER 传输控制信号 用来控制 XFER 2 WR DI7 DI0 8 位数据输入端 IOUT1 模拟电流输出端 1 当 DAC 寄存器中全为 1 时 输出电流最大 当 DAC 寄存器中全为 0 时 输出电流为 0 IOUT2 模拟电流输出端 2 IOUT1 IOUT2 常数 RFB 反馈电阻引出端 DAC0832 内部已经有反馈电阻 所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端 相当于将反馈电阻接在 运算放大器的输入端和输出端之间 VREF 参考电压输入端 可接电压范围为 10V 外部标准 电压通过 VREF与 T 型电阻网络相连 VCC 芯片供电电压端 范围为 5V 15V 最佳工作状态 是 15V AGND 模拟地 即模拟电路接地端 DGND 数字地 即数字电路接地端 安徽理工大学毕业设计 16 DAC0832 与 51 单片机的连接图如图 3 8 所示 3 3 执行模块的设计 本系统采用气动调节阀作为执行机构 这是由于气动调节阀能用于易燃易爆现场的 优点 还不能被电动调节阀所取代 气动调节阀由执行机构和调节机构 阀 两部分组装而成 气动调节阀有气开式与 气关式两种形式 气开 气关的选择原则是 从工艺生产安全考虑 一旦控制系统发 生故障 信号中断时 调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全 如果 控制信号中断时 阀处于打开位置危害性小 则应选用气关式调节阀 反之 若调节 阀处于关闭位置时危害性小 则应选用气开阀 根据本系统工艺 我们采用气开型 为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号 必须使用电 气转换器把调节器 输出的标准电流信号转换为 20 100KPa 的标准气压信号 因此 电 气转换器的作用 就是将电信号转换为气信号 本系统中采用 QZD 1000 电气转换器 QZD1000 系列产品有 QZD 1001 QZD 1000 QZD 1000B QZD 1001i QZD1000 系列电气转换器是工业自动化仪表中电动和电动仪表之间的信号 转化元件 用以将电动调节仪表输出的电流信号4 20mA 或 0 10mA 经转换器成 比例的转化成 20 100KPa 气动模拟信号 产品广泛应用于石化 电力 冶金等工业 部门的自控系统中 技术参数 输入信号 4 20mA 标准 0 10mA 变型产品 输出压力 0 02 0 1MPa 0 2 1 cm2 气源压力 0 14MPa 1 4 cm2 图 3 8 安徽理工大学毕业设计 17 气源压力 0 14MPa 1 4 cm2 输入阻抗 300 10 4 20mA 时 1000 30 0 10mA 时 环境温度 25 55 一般型 25 40 防爆型 相对湿度 5 95 防爆型式 Exd BT6 隔爆型 用 d 表示 老标志用 B 表示 Exia CT6 本质安全型 用 i 表示 老标志用 A 表示 气源接口 螺纹 M10 1 配管 6 1 信号接口 M22 1 5 G 1 2 基本误差 1 输出压力范围的百分数表示 回 差 1 输出压力范围的百分数表示 死 区 小于基本误差限绝对值的 1 5 耗 气 量 小于 1000L h 标准情况下耗气量 传送时间 4 秒 管径 4 长为 60m 时 绝缘电阻 不小于 20M 外壳材料 压铸铝合金 表面喷塑处理 外形尺寸 203 160 105 长 宽 高 重 量 2 1 3 4 显示模块的设计 本设计中采用了 LCD12864 作为显示信息器件 与用户进行友好交互 LCD12864 是专门用于显示汉字 字母 数字 符号的显示模块 具有功耗低 体积小 显示内 容丰富等诸多优点 在低功耗应用系统中得到很广泛 LCD12864 即像素为 128 64 的显示液晶 其每一行最多可以显示 8 个中文 16 个半宽字体 图 3 9 是它与系统单 片机连接的原理图 安徽理工大学毕业设计 18 图图 3 9 显示连接原理图显示连接原理图 表 3 2 为液晶显示模块管脚排列和功能 表表 3 2 管脚排列和功能管脚排列和功能 引脚标号功能说明备注 1ssV逻辑负电源输入引脚 0V 2 dd V逻辑正电源输入引脚 5V 3 1 V偏压信号引脚 可调节其对比度一般接 0V 4RS数据 指令寄存器选择功能 5R W读写选择引脚若只需读 则接地 6EN读写使能引脚 7 14D0 D78 位数据引脚线 15CS1半屏控制引脚 16CS2半屏控制引脚 高电平时对应半屏 可用 安徽理工大学毕业设计 19 3 5 报警模块的设计 工业现场需要有对温度 液位超限的检测报警功能 并能通过声 光发出报警警示 所以我们用到一个报警电路 本设计采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路 报警器在整个系统中也起着非常重要的作用 它是高电平报警 一旦监测到温度和液 位值达到报警限时 就发出报警 该电路简单 可靠 为了加大报警声音的响度 还 需在电路中加上一个三极管作驱动 另外还使用了高亮 大功率的发光二极管作光报 警 采用的高亮发光二极管的优点表现在 尺寸小 体积小 不存在热辐射 低电压 低电流启动 耗电少 反应速度快 可用于高频场合 使用寿命长 有利于环保 容 易开发成轻薄短小产品 其系统电路图如图 3 10 所示 图图 3 103 10 报警电路图报警电路图 3 6 电源模块的设计 本设计用到两个电压 5v 和 24v 可以经 220v 变压和 7805 稳压芯片提供 如图 3 11 所示 图图 3 11 电源设计电路电源设计电路 D1 LED Q1 NPN U1 B UZZER 5 安徽理工大学毕业设计 20 4 系统的软件设计 本设计软件所要实现的功能 实时控制液氨调节阀 实时检测是否超温度液位出上 下限 低选 实时显示检测的数据 上下限数值 实时监控键盘输入 报警控制 4 1 主程序的设计 本系统各功能模块子程序主要包括 温度处理程序 A D 转换程序 液位处理程序 低选 D A 转化程序 显示程序 温度液位设定程序 主程序完成整个系统的初始化 工作 包括堆栈设置及有关标志 内存地址单元分配 暂存单元和动态显示缓冲区数 据清零等 主程序还需要调用 T0 中断程序 主程序软件流程图如图 4 1 1 所示 图图 4 1 主程序软件流程图主程序软件流程图 系统初始化60H 64H清 0 40H 43H赋行扫描值 44FH 4FH赋8位键码 调用键盘键盘 扫描子程序 T1初始化 开中断 开始 等待中断 安徽理工大学毕业设计 21 4 1 1 T1 中断模块 T0 中断程序主要完成整个系统的温度液位控制工作 包括 A D 转换 报警处理 调用 PID 子程序 D A 转换等 T1 中断模块的程序流程图如图 4 2 所示 图图 4 2 T1 中断服务子程序流程图中断服务子程序流程图 4 2 IPD 算法的设计 氨冷器这样的设备可以选择积分外反馈型的比例积分调节器 在一个控制系统中至 少由被控对象 测量变送器 控制器及执行器等部分组成 由于外界的各种扰动不断 产生 被控对象在各种扰动作用下 使得被控信号偏离给定值 SV 要想达到被控信号 的恒定值 首先由变送器对被测值进行检测 感受被控信号的变化并将它转换成电流 开始 返回 关中断 保护现场 调读温度子程序 读取温度值 调滤波子程序 T Tmax 调A D转换子程序 读取液位值 调滤波子程序 H Hmax 调用报警子程序 调液位PID算法子程序 调显示子程序 调输出子程序 开中断 恢复现场 调用报警子程序 调温度PID算法子程序 N H H报警T T报警 安徽理工大学毕业设计 22 信号 然后控制器将变送器送来的测量信号与设定值信号进行比较得出偏差 en 根据 偏差的大小及变化趋势 按一定的控制规律进行运算后 将运算结果用标准的电流信 号送给执行器 最后执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入 或流出 被 控对象的液氨量 克服扰动的影响 最终实现 PID 控制要求 1 基本的 PID 控制方法 PID 调节规律是连续模拟系统理论中技术成熟 应用广泛的一种控制方法 其中 y t 控制器的输出量 e t 控制器的输入量 是给定量和被控对象输 出地偏差 在系统中称为误差信号 控制器的比例常数 控制器的积分 P K l T 系数 控制器的微分系数 D T 由于积分量的带入 使得被控量具有历史保持功能 也就是说 它能够 记住 以前的状态 在静 差为 0 的时候 输出仍旧保持不变 这样就消除了静差 微分量的 引入 改善了单纯积分所带来的响应速度过慢的毛病 使系统能够迅速得到稳定 2 PID 控制方法的核心算法 在计算机控制系统中 使用的是数字 PID 控制器 由于计算机控制是一种采 样控制 它只能根据采样时刻的偏差计算控制量 因此式 1 中的积分和微分项不能 直接使用 需要进行离散化处理 将上述微分方程式离散化为差分方程 为此可作如下近似 2 3 式中为 T 采样周期 K 为采样序号 K 0 1 2 3 和分别为和 时的偏差 1 ke keTkt 1 kTt 将式 2 和式 3 带入式 1 可得差分方程 式中 为第 k 次采样时刻都计算机输出值 为第 k 次采样时刻输入都偏 ky ke k j jTedtte 0 T keke dt tde 1 1 1 0 dt tde Tdtte T teKty D l p 1 4 k j DlP kekeKjekeKky 0 1 K 安徽理工大学毕业设计 23 差值 为第 k 1 次采样时刻输入的偏差值 为积分系数 1 ke l K lPl TTKK 为微分系数 T 为采样周期 采样周期足够小 这种近似可相当准 D KTTKK dPD 确 让计算机控制过程与连续控制过程就十分接近 另外 为改善 PID 控制的动态特性 人们提出了多种改进的数字 PID 控制算法 如积分分离 PID 控制算法 遇 限削弱积分 PID 控制算法 不完全微分 PID 控制算法 对于不同的被控对象只要适当地整定 PID 的三个参数 就可以获得满意的控制效果 实际上它是对比例 积分和微分三部分控制作用的折衷 图图 4 3 增量型增量型 PID 算法的程序流程图算法的程序流程图 4 3 各功能模块子程序的设计 本设计在软件方面采用了模块化的设计思想 主程序主要调用了 4 个子程序 分别 是 A D 转换程序 显示程序 键盘子程序 此外 还有报警电路子程序 各主要模块 开始 计算e n 计算 0e n 计算 1e n 1 计算 0e n 1e n 1 计算 2e n 1 计算 u n 更新e n 1 e n 2 返回 安徽理工大学毕业设计 24 功能如下 1 A D 转换程序读取 ADC 送入单片机的模拟量电压信号 并换算为相对应的液 位信号 2 显示程序 向 LCD 送数据显示 控制系统的显示部分 3 键盘子程序 实现按键输入预设温度值 4 3 1 A D 转换子程序 A D 转换子程序的作用是将开发板的 A D 进行初始化 然后将从传感器采集的模拟 电信号转换为数字电信号送入单片机的过程 首先选一个 I O 口的一个通道 读入的 电压值是与液位具有线性关系的数据 该值送入该口 经线性运算后得出液位数据 延时后 A D 转换子程序结束 如图 4 6 所示 图图 4 4 A D 转化子程序流程图转化子程序流程图 开始 R0 5 启动IN0 等待转换 A D转换是否完 成 读数据 将数据存入缓冲区 R0 R0 1 R0 0 YN N R1 5 启动IN1 等待转换 A D转换是否完 成 读数据 将数据存入缓冲区 R1 R1 1 R1 0 中断返回 Y Y N N 安徽理工大学毕业设计 25 4 3 2 显示程序 本设计采用的是液晶 12864 来显示相关参数 其流程图如图 4 7 所示 图图 4 5 液晶显示服务子程序流程图液晶显示服务子程序流程图 4 3 3 键盘子程序 键盘扫描程序的作用是读得用户自行设定的温度值 即取得预设温度值 本设计使用的键盘为独立式式 该键盘的特点是各键相互独立 每个按键的 接地 端 均接地 每个按键的 测试端各接一根输入线 一根输入线上的工作状态不会影响 其他输入线上的工作状态 本设计中键盘的按键直接与单片机相连 包括按键查询 键功能程序转移 作用是切换液晶显示界面 设定或更改控制参数 如图 4 8 所示 延时 显示缓冲区指针R0减1 位选码 左移1位 取显示数据表中七段 码 并将值送入P0 口 降R7送P2口 显示缓冲区指针置初值64H送 R0 显示扫面选吗置初值FEH送 R7 循环次数04H送R4 R4 0 返回 开始 N Y 安徽理工大学毕业设计 26 图图 4 6 键盘子程序流程图键盘子程序流程图 开始 返回 有键闭合 确有键闭合 闭合键释放 输入键值送A 确定键值送A 二次调用显示子程序延迟12ms 调显示子程序 延迟 6ms N Y Y N N Y 安徽理工大学毕业设计 27 总结 在此次设计过程当中 首先对氨冷器温度 液位超驰控制系统进行了概述 分析了 智能化设计的背景和意义 其次又对它分别进行了总体方案设计 硬件设计 软件设 计以及对它的编程调试 最后再把它进行进一步的完善 在本设计当中 我采取的是先从硬件开始 在每个星期我都会完成自己的一个硬 件设计 其中分别有处理器 AT89C51 A D 转换部分 ADC0809 D A 转换部分 DAC0832 LCD 显示部分 LCD12864 报警模块 电源模块等等 在历时六七个星期的 时间里 我基本完成了这些模块的设计 并将它们整体化 进而实现设计的要求 相 对而言 在整个零件的设计中 只有处理器要好好设计把握 在设计的时候 我参考 了很多文献和资料 因为本次设计的核心就在单片机身上 本次设计主要是在自己本身对单片机的了解基础上加以深入 并结合自动化仪表 技术 传感器技术 计算机技术 通信技术 自动控制技术等 涉及温度 液位 压 力等热工参数来运用自动控制理论 利用单片机及其接口技术及汇编语言等实习工业 模拟控制 几个月来 在老师和同学的帮助下我终于完成了本次设计 作为大学里最后一次设 计 我做的很用心 我希望不会留有遗憾 而且我也学到了很多知识 比如单片机的 工作原理 LED 显示屏与单片机的连接方式 A D 转换的工作原理等等 这些都会在 我以后的生活工作中带给我很大的帮助 我一定会好好珍惜这次设计 安徽理工大学毕业设计 28 参考文献 1 李朝青 单片机原理及接口技术 M 北京 北京航空航天大学出版社 1998 2 胡汉才 单片机原理及系统设计 M 北京 清华大学出版社 2002 3 陈杰 黄鸿 传感器与检测技术 M 北京 高等教育出版社 2002 4 王绍纯 自动检测技术 M 北京 冶金工业出版社 1985 5 徐爱钧 单片机高级语言 C51 应用程序设计 M 北京