基于单片机的煤矿瓦斯监测系统设计

本科毕业设计（论文）XXXX 大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 专 业： 题 目： 基于单片机的煤矿瓦斯监测系统设计 指导教师： 职称: 职称: 20*年 12 月 5 日本科毕业设计（论文）设 计 题 目 基于单片机的煤矿瓦斯监测系统设计姓 名 班级答辩小组成员（职称）：说明书主要内容： （小摘要）1：目前我国煤矿的安全事故频频发生，其原因是多方面的，但井下安全监测手段落后是其中的一个主要原因。这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。2：针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。3：采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。4：这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。5：该传感器以 AT87C552 单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制。适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率。评定成绩：答辩小组组长： 年 月 日本科毕业设计（论文）目 次引 言 .11 文献综述 .31.1 关于瓦斯 .31.1.1 矿井瓦斯监控技术 .31.2 系统原理介绍 .42 总体设计方案 .52.1 硬件电路介绍 .52.1.1 恒温控制信号取样电路 .62.1.2 锯齿波发生电路 .72.1.3 电压比较电路 .92.1.4 脉冲电压稳幅电路 .92.1.5 声光报警电路 .103 具体实施方案 .123.1 CPU 模块设计- AT89S8252 单片机的结构及原理简介 .123.2 智能瓦斯传感器的设计 .123.3 智能监控系统下位机的软件框架 .143.4 LCD 显示器 .183.5 PID 控制 .20PID 控制实现 .213.6 软件流程图 .24总 结 .26参考文献 .26本科毕业设计（论文）引言在我国煤矿安全事故中, 瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的70 % 以上, 成为实现安全生产的最大障碍, 及时准确地检测瓦斯含量, 在安全生产中具有重要意义。为了适应现代社会煤矿安全的要求, 针对我国中小型煤矿特别是小型煤矿存在的隐患问题, 现代化的、小型的、价格低廉的煤矿安全监测系统的研制势在必行, 它的研制在煤矿安全方面具有举足轻重的作用, 所以设计一种低成本煤矿瓦斯监测系统是适应我国许多中小型煤矿需求的。煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时也单独指甲烷。瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。井下部分主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。服务器上面运行的是监控软件。上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。以山西省为例，近几年，特别是 2006 年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。山西省地方煤矿现有 2806 座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行 2671 座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。我设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机 AT87C552 为核心，包含甲烷浓度采样器、把 220V 的交流电转换成 5V 的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD 显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，本科毕业设计（论文）如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。本科毕业设计（论文）1 文献综述1.1 关于瓦斯1.1.1 矿井瓦斯监控技术矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815 年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20 世纪 30 年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20 世纪 40 年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件铂丝催化元件；1954 年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如 20世纪 70 年代后期法国研制的 CTT63/40U 矿井监控系统、英国的 MINOS 系统、美国的SCADA 系统等。我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到 20 世纪 70 年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20 世纪 60 年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20 世纪 70 年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983 年至 1985 年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983 年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。本科毕业设计（论文）1.2 系统原理介绍电路简介根据上述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。本科毕业设计（论文）2 总体设计方案2.1 硬件电路介绍根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。智能瓦斯监控系统总电路图本科毕业设计（论文）2.1.1 恒温控制信号取样电路与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在 Uo1 的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出： )()2()0()(014iCHi RRiiiU白白黑黑黑 白黑 白白黑 式中 、 为无瓦斯时的阻值， 、 为电流流经元件时温度上升产生)0(黑R)0(白 )(i黑 )(i白的阻值， 为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所4CH黑谓的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此 、 、 的)(i黑 )(i白 )(4CHR黑值都是非常小的，故 U 也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。 213)(URf则 2114214235 )()(RRfff ff本科毕业设计（论文）21 21732142731473 212141735731 )()()()(nUmURRRURUffffff ffffff ffo 适当选取电阻值，使 m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。这里在实验室用 QJ23 单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为 1619时，测得的黑白元件的阻值分别为 8.236 和 8.227（实际上这时黑白元件的温度已经大于 400，达到了工作状态）。在检测瓦斯时需要将催化元件加热到 500左右，给黑白元件提供 3V 的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升 10，这时候黑元件阻值变为 10 左右，电流大概是 150mA，则黑元件上产生的电压大概为 0.265V。 12042)(ofoUR取 为 14 左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电204Rf压进行比较。2.1.2 锯齿波发生电路555 定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图 9 为 NE555 和 R2，R3，C1 组成的无稳态多谐振荡器：本科毕业设计（论文）振荡器的输出频率为： 13214.CRf由此可算得输出频率为 1kHz，C2 起正反馈作用，即在 Q1 射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至 R2 的上端，故在 C1 充电期间，R2 上的压降保持不变，即 C1 的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。其非线性可控制在 1%以下，且温度稳定性好。图中在 555 的电压控制端 5 脚外接了一个可调的控制电压，用以改变 555 内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节 Rp1 使输出锯齿波的最大值为 4V。本科毕业设计（论文）2.1.3 电压比较电路电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。电路如图 10 所示： 这里选用的电压比较器的型号为 AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。比较器采用单电源供电，引脚 8 接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为 4.3V。引脚 5 为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。图 10 中 C4、C5 均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8 是输出高电平时的上拉电阻。2.1.4 脉冲电压稳幅电路电路中选用 TL431 芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅本科毕业设计（论文）TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源, 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref（2.5V）到 36V 的任何值，工作电流范围为1mA100mA，K、A 脚两端输出电压为： 102)(5.RVpo改变 Rp2 的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节 Rp2 使输出的脉冲电压的幅值稳定在 3V。2.1.5 声光报警电路R3220K R33180K R3420KR3515KR36BG13DG6C14C15D12CPI6R10220R4 Q3DIS 7THR6cvolt5TRIG2VCC8gnd1R3710kC16C17BG23DG6BG33AX81R38820HIC18R39SCRDWR40C19D2D3C20CZCT上述是本设计瓦斯传感器的声光报警电路，有图可以看出是以 555 为核心的电路由 555 电路组成一单稳态触发电路，上电打开开关 S1 后，C1 两端电压为 0，555 电路的输出脚输出高电平，报警器电路工作，进入报警状态。此本科毕业设计（论文）时若水银开关断开，电源经 R2 向 C1 充电，当 C1 两端的电压充到高于 2/3Vcc 时，电路翻转，输出端变为低电平输出，报警电路失电停止工作。此时报警器便进入报警守候状态。这时若报警器受到振动，就会使水银开关中的水银一起振动，当开关接通时，555 电路的 2 脚便输入一个低电平信号，这个低电平信号使得单稳电路输出状态改变，输出端变为高电平，报警电路工作，另一方面通过 7 脚将充于电容 C1 上的电荷放完，这时就算水银开关再次断开，由于 C1 两电压低于 2/3Vcc，电路也将保持输出高电平，使报警电路工作，若一直有振通信号使水银开关接通，系统将一直报警，若报警后报警器不再振动，则当 C1 上的电充到大于 2/3Vcc 时，报警将自动停止，因此每次报警的自动关断时间为 R2 和 C1 的充电常数值。该报警器由直流稳压电源、定时开关电路和声控脉冲产生器三部分组成。图中 S 为话筒，它将脚步声或其他声响转换为电信号，且放大后加至 555 时基电路的触发端脚。555 与 R6、C2 组成一个单稳态触发器，调节电阻 R6 使脚的电压略高于 l/3VDD。555 3 脚输出低电平。当有情况发生时，BG2 输出一定幅值的负脉冲，使 555 翻转，相应脚输出高电平，信号经 BG2 缓冲放大后使可控硅 SCR 触发导通，将报警器的电源电路接通，发出报警信号。报警时间长短取决于电容器 C2 的充电时间常数 td=1.1R6C2 的大小。当 C2 上的充电电压超过 2/3VDD时，555 复位，3 脚输出低电平，BG2 相应截止，可控硅 SCR 断开。在 C2 充电期间，即报警定时结束之前，应使 555脚通过 R5 和 D1 将输出高电平反馈到触发端脚，以免后继脉冲或其他干扰影响定时精度。定时的长短可通过改变时间常数 R6C2 的大小来调节。本科毕业设计（论文）3 具体实施方案3.1 CPU 模块设计- AT89S8252 单片机的结构及原理简介AT89S8252 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器,具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造, 与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程, 亦适常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash , 使得AT89S8252 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S8252 具有以下标准功能: 8k字节Flash , 256 字节RAM , 32 位I/ O 口线, 看门狗定时器, 2 个数据指针, 三个16 位定时器/ 计数器, 一个6 向量2 级中断结构, 全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外,AT89S8252 可降至0Hz 静态逻辑操作, 支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下, CPU 停止工作, 允许RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下, RAM 内容被保存, 振荡器被冻结, 单片机一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S8252 单片机内部原理3.2 智能瓦斯传感器的设计传感元件位于传感器系统之首, 被测瓦斯含量由它转换为电信号才能供给电路处理, 因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。在选用传感元件时, 一是测量精度高; 二是工作可靠; 三是工作条件能适应恶劣环境的要求, 最重要的是应具有防爆功本科毕业设计（论文）能。通过慎重调研对比, 最后选用了中国船舶重工集团公司生产的LXK- 2 新型载体催化元件, 其优于传统的催化元件, 在响应特性、长期储存特性、温度特性和长期稳定性方面, 都有了明显的改进。载体催化元件由一个带催化剂敏感元件(俗称黑元件) 和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件) 构成, 两个元件的结构和尺寸均相同, 催化元件最里层是铂丝线圈, 外面是载体和催化剂形成的催化外壳。铂丝线圈用于通电加热催化外壳维持瓦斯催化燃烧反应所需的温度同时又兼作感温元件。检测在催化反应中催化外壳温度的变化。催化反应的方程式为:CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 79515KJ传感器检测电桥催化反应过程中无焰燃烧放出热量, 增加了敏感元件铂丝的电阻值, 通过图3 所示惠斯通电桥测量的电路可以测量其载体催化元件电阻变化量, 图中 RD 是敏感元件, RC 为补偿元件, 将 RD 和 RC 置于同一测量气室中, 由稳压源或恒流源供电, 在无瓦斯的新鲜空气中 RD = RC 调整电桥使之平衡, 信号输出端电压 UAB = 0 。当瓦斯进入气室, 在敏感元件 RD 表面发生无焰催化燃烧 RD 阻值随温度上升而增加为 RD + RD , 而补偿元件 RC 阻值不变从而电桥失去平衡。当采用恒压源 E 供电时, 输出不平衡电压为:UAB = ( RD + RD) E/ RC + RD + RD - E/ 2设 RD = RC = R m RD 则:UAB RDE/ 2 RK13 RD显然, 电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量 RD对于铂丝元件其电阻变化量可用下式表示 RD = ( H/ h) R0 = ( DCQ/ h) R0式中, 铂丝的电阻温度系数 = 319485 10 - 3 / C H 为瓦斯燃烧热量 ;h 为敏本科毕业设计（论文）感元件热容量 ;D 为瓦斯扩散系数 ;C 为被测环境中的瓦斯浓度 ;Q 为瓦斯分子燃烧热 ;R0 为铂丝0 时的阻值。其中 a、 h、 R0 与敏感元件的材料、性质、结构、尺寸有关, 扩散系数 D 和瓦斯的分子燃烧热 Q 都是常数, 可用一个常数 k2 代表这些因素, 因而上式可写为: RD = k2* C则 UAB = k1 k2 C即电桥输出电压与瓦斯浓度成正比 。系统通过实时监测从检测电路采集来的瓦斯浓度信息并在显示电路中显示相应的信息, 当瓦斯浓度过大时就会发出警报。瓦斯信息的采集又通过由A/ D 转换电路来传给单片机,实现实时的监控功能。通过单片机控制各部分实现其相应的功能。3.3 智能监控系统下位机的软件框架分模块软件框架主程序的功能是: 开机以后, 首先进行初始化, 包括智能芯片有关变量的初始化, 单片机相关的寄存器以及I/ O 口初始化等。同时负责管理和调用各个子程序。为保证下位机响应上位机呼叫的实时性, 串行通信采用中断方式进行数据的接收与发送, A/ D 转换结果的读取采取查询方式。设计主程序流程图如下：本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）WRALE地址所存START寄存器清“0”A/D启动从图中可以看到，把 ALE 信号与 START 信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图 9.19 是有关信号的时间配合示意图。本科毕业设计（论文）启动 A/D 转换只需要一条 MOVX 指令。在此之前，要将 P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针 DPTR 中。例如要选择 IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动 A/D 转换：MOV DPTR , #FE00H ；送入 0809 的口地址MOVX DPTR , A ；启动 A/D 转换（IN 0）注意：此处的 A 与 A/D 转换无关，可为任意值。1 转换数据的传送A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以 信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为 MOVX 读指令，仍以图 9-17 所示为例，则有MOV DPTR , #FE00HMOVX A , DPTR本科毕业设计（论文）该指令在送出有效口地址的同时，发出 有效信号，使 0809 的输出允许信号 OE有效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入 A 累加器中。这里需要说明的示，ADC0809 的三个地址端 A、B、C 即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与 D0D 2相连。这是启动 A/D 转换的指令与上述类似，只不过 A 的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号 IN0IN 7相一致。例如当 A、B、C 分别与D0、D 1、D 2相连时，启动 IN7的 A/D 转换指令如下：MOV DPTR， #FE00H ；送入 0809 的口地址MOV A ，#07H ；D2D1D0=111 选择 IN7 通道MOVX DPTR， A ；启动 A/D 转换A/D 转换应用举例设有一个 8 路模拟量输入的巡回监测系统，采样数据依次存放在外部 RAM 0A0H0A7H 单元中,按图 9.10 所示的接口电路，ADC0809 的 8 个通道地址为0FEF8H0FEFFH.其数据采样的初始化程序和中断服务程序（假定只采样一次）如下：初始化程序：MOV R0, #0A0H ；数据存储区首地址MOV R2, #08H ；8 路计数器SETB IT1 ；边沿触发方式SETB EA ；中断允许SETB EX1 ；允许外部中断 1中断MOV DPTR,#0FEF8H ；D/A 转换器地址LOOP: MOVX DPTR,A ；启动 A/D 转换HERE: SJMP HERE ；等待中断中断服务程序：DJNZ R2,ADENDMOVX A,DPTR ；数据采样MOVX R0,A ；存数INC DPTR ；指向下一模拟通道INC R0 ；指向数据存储器下一单元本科毕业设计（论文）MOVX DPTR,AADEND: RETI3.4 LCD 显示器LED 数码有共阳和共阴两种，把这些 LED 发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个 8 字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接 VCC 和 GND。再把多个这样的 8 字装在一起就成了多位的数码管了。 找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源|稳压器（ 3 到 5 伏）和 1 个 1K（几百的也欧的也行）的电阻，VCC 串接个电阻后和 GND 接在任意 2 个脚上，组合有很多，但总有一个 LED 会发光的找到一个就够了，然后用 GND 不动，VCC （串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个 LED（一般是 8 个），那它就是共阴的了。相反用 VCC 不动，GND 逐个碰剩下的脚，如果有多个 LED（一般是 8 个），那它就是共阳的了。本科毕业设计（论文）为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就有为 LED 显示器提供代码，因为这些代码可使 LED 相应的段发光，从而显示不同字型，因此该代码称之为段码（或称为字型码）3.5 PID 控制在 工 程 实 际 中 ， 应 用 最 为 广 泛 的 调 节 器 控 制 规 律 为 比 例 、 积 分 、 微 分 控 制 ， 简称 PID 控 制 ， 又 称 PID 调 节 。 PID 控 制 器 问 世 至 今 已 有 近 70 年 历 史 ， 它 以 其 结 构本科毕业设计（论文）简 单 、 稳 定 性 好 、 工 作 可 靠 、 调 整 方 便 而 成 为 工 业 控 制 的 主 要 技 术 之 一 。 当 被 控 对象 的 结 构 和 参 数 不 能 完 全 掌 握 ， 或 得 不 到 精 确 的 数 学 模 型 时 ， 控 制 理 论 的 其 它 技 术难 以 采 用 时 ， 系 统 控 制 器 的 结 构 和 参 数 必 须 依 靠 经 验 和 现 场 调 试 来 确 定 ， 这 时 应 用PID 控 制 技 术 最 为 方 便 。 即 当 我 们 不 完 全 了 解 一 个 系 统 和 被 控 对 象 ， 或 不 能 通 过 有效 的 测 量 手 段 来 获 得 系 统 参 数 时 ， 最 适 合 用 PID 控 制 技 术 。 PID 控 制 ， 实 际 中 也有 PI 和 PD 控 制 。 PID 控 制 器 就 是 根 据 系 统 的 误 差 ， 利 用 比 例 、 积 分 、 微 分 计 算 出控 制 量 进 行 控 制 的 。PID 控 制 器 的 参 数 整 定 是 控 制 系 统 设 计 的 核 心 内 容 。 它 是 根 据 被 控 过 程 的 特 性确 定 PID 控 制 器 的 比 例 系 数 、 积 分 时 间 和 微 分 时 间 的 大 小 。 PID 控 制 器 参 数 整 定的 方 法 很 多 ， 概 括 起 来 有 两 大 类 ： 一 是 理 论 计 算 整 定 法 。 它 主 要 是 依 据 系 统 的 数 学模 型 ， 经 过 理 论 计 算 确 定 控 制 器 参 数 。 这 种 方 法 所 得 到 的 计 算 数 据 未 必 可 以 直 接 用 ，还 必 须 通 过 工 程 实 际 进 行 调 整 和 修 改 。 二 是 工 程 整 定 方 法 ， 它 主 要 依 赖 工 程 经 验 ，直 接 在 控 制 系 统 的 试 验 中 进 行 ， 且 方 法 简 单 、 易 于 掌 握 ， 在 工 程 实 际 中 被 广 泛 采 用 。PID 控 制 器 参 数 的 工 程 整 定 方 法 ， 主 要 有 临 界 比 例 法 、 反 应 曲 线 法 和 衰 减 法 。 三 种方 法 各 有 其 特 点 ， 其 共 同 点 都 是 通 过 试 验 ， 然 后 按 照 工 程 经 验 公 式 对 控 制 器 参 数 进行 整 定 。 但 无 论 采 用 哪 一 种 方 法 所 得 到 的 控 制 器 参 数 ， 都 需 要 在 实 际 运 行 中 进 行 最后 调 整 与 完 善 。 现 在 一 般 采 用 的 是 临 界 比 例 法 。 利 用 该 方 法 进 行 PID 控 制 器 参 数的 整 定 步 骤 如 下 ： (1)首 先 预 选 择 一 个 足 够 短 的 采 样 周 期 让 系 统 工 作 ； (2)仅 加 入比 例 控 制 环 节 ， 直 到 系 统 对 输 入 的 阶 跃 响 应 出 现 临 界 振 荡 ， 记 下 这 时 的 比 例 放 大 系数 和 临 界 振 荡 周 期 ； (3)在 一 定 的 控 制 度 下 通 过 公 式 计 算 得 到 PID 控 制 器 的 参 数 。PID 控制实现1 PID 的 反 馈 逻 辑 各 种 变 频 器 的 反 馈 逻 辑 称 谓 各 不 相 同 ， 甚 至 有 类 似 的 称 谓 而 含 义 相 反 的 情 形 。系 统 设 计 时 应 以 所 选 用 变 频 器 的 说 明 书 介 绍 为 准 。 所 谓 反 馈 逻 辑 ， 是 指 被 控 物 理 量经 传 感 器 检 测 到 的 反 馈 信 号 对 变 频 器 输 出 频 率 的 控 制 极 性 。 例 如 中 央 空 调 系 统 中 ，用 回 水 温 度 控 制 调 节 变 频 器 的 输 出 频 率 和 水 泵 电 机 的 转 速 。 冬 天 制 热 时 ， 如 果 回 水温 度 偏 低 ， 反 馈 信 号 减 小 ， 说 明 房 间 温 度 低 ， 要 求 提 高 变 频 器 输 出 频 率 和 电 机 转 速 ，加 大 热 水 的 流 量 ； 而 夏 天 制 冷 时 ， 如 果 回 水 温 度 偏 低 ， 反 馈 信 号 减 小 ， 说 明 房 间 温度 过 低 ， 可 以 降 低 变 频 器 的 输 出 频 率 和 电 机 转 速 减 少 冷 水 的 流 量 。 由 上 可 见 ， 同样 是 温 度 偏 低 ， 反 馈 信 号 减 小 ， 但 要 求 变 频 器 的 频 率 变 化 方 向 却 是 相 反 的 。 这 就 是引 入 反 馈 逻 辑 的 原 由 。 几 种 变 频 器 反 馈 逻 辑 的 功 能 选 择 见 表 1 。 本科毕业设计（论文）2 打 开 PID 功 能 要 实 现 闭 环 的 PID 控 制 功 能 ， 首 先 应 将 PID 功 能 预 置 为 有 效 。 具 体 方 法 有两 种 ： 一 是 通 过 变 频 器 的 功 能 参 数 码 预 置 ， 例 如 ， 康 沃 CVF-G2 系 列 变 频 器 ， 将参 数 H-48 设 为 O 时 ， 则 无 PID 功 能 ； 设 为 1 时 为 普 通 PID 控 制 ； 设 为 2 时 为 恒 压 供 水 PID 。 二 是 由 变 频 器 的 外 接 多 功 能 端 子 的 状 态 决 定 。 例 如 安 川 CIMR-G 7A 系 列 变 频 器 ， 如 图 1 所 示 ， 在 多 功 能 输 入 端 子 Sl-S10 中 任 选 一 个 ，将 功 能 码 H1-01 H1-10( 与 端 子 S1-S10 相 对 应 ) 预 置 为 19 ， 则 该 端 子 即具 有 决 定 PI) 控 制 是 否 有 效 的 功 能 ， 该 端 子 与 公 共 端 子 SC “ ON ”时 无 效 ，“ OFF ”时 有 效 。 应 注 意 的 是 大 部 分 变 频 器 兼 有 上 述 两 种 预 置 方 式 ， 但 有 少 数 品牌 的 变 频 器 只 有 其 中 的 一 种 方 式 。 在 一 些 控 制 要 求 不 十 分 严 格 的 系 统 中 ， 有 时 仅 使 用 PI 控 制 功 能 、 不 启 动 D 功 能 就 能 满 足 需 要 ， 这 样 的 系 统 调 试 过 程 比 较 简 单 。 3 目 标 信 号 与 反 馈 信 号 欲 使 变 频 系 统 中 的 某 一 个 物 理 量 稳 定 在 预 期 的 目 标 值 上 ， 变 频 器 的 PID 功 能电 路 将 反 馈 信 号 与 目 标 信 号 不 断 地 进 行 比 较 ， 并 根 据 比 较 结 果 来 实 时 地 调 整 输 出 频率 和 电 动 机 的 转 速 。 所 以 ， 变 频 器 的 PID 控 制 至 少 需 要 两 种 控 制 信 号 ： 目 标 信 号和 反 馈 信 号 。 这 里 所 说 的 目 标 信 号 是 某 物 理 量 预 期 稳 定 值 所 对 应 的 电 信 号 ， 亦 称 目标 值 或 给 定 值 ； 而 该 物 理 量 通 过 传 感 器 测 量 到 的 实 际 值 对 应 的 电 信 号 称 为 反 馈 信 号 ，亦 称 反 馈 量 或 当 前 值 。 PID 控 制 的 功 能 示 意 图 见 图 2 。 图 中 有 一 个 PID 开 关 。可 通 过 变 频 器 的 功 能 参 数 设 置 使 PID 功 能 有 效 或 无 效 。 PID 功 能 有 效 时 ， 由 PID 电 路 决 定 运 行 频 率 ； PID 功 能 无 效 时 ， 由 频 率 设 定 信 号 决 定 运 行 频 率 。 PID 开 关 、 动 作 选 择 开 关 和 反 馈 信 号 切 换 开 关 均 由 功 能 参 数 的 设 置 决 定 其 工 作 状 态 。4 目 标 值 给 定 如 何 将 目 标 值 ( 目 标 信 号 ) 的 命 令 信 息 传 送 给 变 频 器 ， 各 种 变 频 器 选 择 了 不同 的 方 法 ， 而 归 结 起 来 大 体 上 有 如 下 两 种 方 案 ： 一 是 自 动 转 换 法 ， 即 变 频 器 预 置 PID 功 能 有 效 时 ， 其 开 环 运 行 时 的 频 率 给 定 功 能 自 动 转 为 目 标 值 给 定 如 表 2 中 的 安 川 CIMR-G 7A 与 富 士 P11S 变 频 器 。 二 是 通 道 选 择 法 ， 如 表 2 中 的 康 沃 CVF-G2 、 森 兰 SB12 和 普 传 P17000 系 列 变 频 器 。 以 上 介 绍 了 目 标 信 号 的 输 入 通 道 ， 接 着 要 确 定 目 标 值 的 大 小 。 由 于 目 标 信 号 和反 馈 信 号 通 常 不 是 同 一 种 物 理 量 。 难 以 进 行 直 接 比 较 ， 所 以 ， 大 多 数 变 频 器 的 目 标信 号 都 用 传 感 器 量 程 的 百 分 数 来 表 示 。 例 如 ， 某 储 气 罐 的 空 气 压 力 要 求 稳 定 在 1 2MPa ， 压 力 传 感 器 的 量 程 为 2MPa ， 则 与 1 2MPa 对 应 的 百 分 数 为 60 本科毕业设计（论文） ， 目 标 值 就 是 60 。 而 有 的 变 频 器 的 参 数 列 表 中 ， 有 与 传 感 器 量 程 上 下 限 值 对应 的 参 数 ， 例 如 富 士 P11S 变 频 器 ， 将 参 数 E40( 显 示 系 数 A) 设 为 2 ， 即 压力 传 感 器 的 量 程 上 限 2MPa ： 参 数 E41( 显 示 系 数 B) 设 为 0 ， 即 量 程 下 限 为 0 ， 则 目 标 值 为 1 2 。 即 压 力 稳 定 值 为 1 2 MPa 。 目 标 值 即 是 预 期 稳 定值 的 绝 对 值 。 5 反 馈 信 号 的 连 接 各 种 变 频 器 都 有 若 干 个 频 率 给 定 输 入 端 ， 在 这 些 输 入 端 子 中 ， 如 果 已 经 确 定 一个 为 目 标 信 号 的 输 入 通 道 ， 则 其 他 输 入 端 子 均 可 作 为 反 馈 信 号 的 输 入 端 。 可 通 过 相应 的 功 能 参 数 码 选 择 其 中 的 一 个 使 用 。 比 较 典 型 的 几 种 变 频 器 反 馈 信 号 通 道 选 择 见表 3 。 6 P 、 I 、 D 参 数 的 预 置 与 调 整 (1) 比 例 增 益 P 变 频 器 的 PID 功 能 是 利 用 目 标 信 号 和 反 馈 信 号 的 差 值 来 调 节 输 出 频 率 的 ， 一方 面 ， 我 们 希 望 目 标 信 号 和 反 馈 信 号 无 限 接 近 ， 即 差 值 很 小 ， 从 而 满 足 调 节 的 精 度 ：另 一 方 面 ， 我 们 又 希 望 调 节 信 号 具 有 一 定 的 幅 度 ， 以 保 证 调 节 的 灵 敏 度 。 解 决 这 一矛 盾 的 方 法 就 是 事 先 将 差 值 信 号 进 行 放 大 。 比 例 增 益 P 就 是 用 来 设 置 差 值 信 号 的放 大 系 数 的 。 任 何 一 种 变 频 器 的 参 数 P 都 给 出 一 个 可 设 置 的 数 值 范 围 ， 一 般 在 初次 调 试 时 ， P 可 按 中 间 偏 大 值 预 置 或 者 暂 时 默 认 出 厂 值 ， 待 设 备 运 转 时 再 按 实际 情 况 细 调 。 (2) 积 分 时 间 如 上 所 述 比 例 增 益 P 越 大 ， 调 节 灵 敏 度 越 高 ， 但 由 于 传 动 系 统 和 控 制 电 路都 有 惯 性 ， 调 节 结 果 达 到 最 佳 值 时 不 能 立 即 停 止 ， 导 致 “超 调 ”， 然 后 反 过 来 调整 ， 再 次 超 调 ， 形 成 振 荡 。 为 此 引 入 积 分 环 节 I ， 其 效 果 是 ， 使 经 过 比 例 增 益 P 放 大 后 的 差 值 信 号 在 积 分 时 间 内 逐 渐 增 大 ( 或 减 小 ) ， 从 而 减 缓 其 变 化 速 度 ，防 止 振 荡 。 但 积 分 时 间 I 太 长 ， 又 会 当 反 馈 信 号 急 剧 变 化 时 ， 被 控 物 理 量 难 以 迅速 恢 复 。 因 此 ， I 的 取 值 与 拖 动 系 统 的 时 间 常 数 有 关 ： 拖 动 系 统 的 时 间 常 数 较 小时 ， 积 分 时 间 应 短 些 ； 拖 动 系 统 的 时 间 常 数 较 大 时 ， 积 分 时 间 应 长 些 。 (3) 微 分 时 间 D 微 分 时 间 D 是 根 据 差 值 信 号 变 化 的 速 率 ， 提 前 给 出 一 个 相 应 的 调 节 动 作 ， 从而 缩 短 了 调 节 时 间 ， 克 服 因 积 分 时 间 过 长 而 使 恢 复 滞 后 的 缺 陷 。 D 的 取 值 也 与 拖动 系 统 的 时 间 常 数 有 关 ： 拖 动