毕业设计-基于单片机微控制器的可逆冷带轧机全数字厚度闭环控制系统设计

摘要厚度精度是板带材的重要质量指标。目前随着轧制理论、控制理论和人工智能理论的发展，以及它们在轧制过程中的应用，使得板带材的厚度精度指标有了很大的提高。然而，对单机架轧机采用专门的控制技术，实现微米级带材精度的控制，仍是目前板厚控制领域研究的热点问题之一。本文介绍了基于单片机微控制器的可逆冷带轧机全数字厚度闭环控制系统的基本组成和功能特点。该系统具有厚度闭环监控、压力或缸位移内闭环数字控制、缸位移内环加厚控外环、厚度预控等功能通过钢板厚度干扰的分析比较，建立较有针对性的抗干扰数字模型，从而有效克服了来料厚度波动和轧辊偏心对带钢厚度的影响。通过对轴辊的压下控制，机板带速度控制对钢板出口厚度进行控制。文中还对液压伺服位置系统被控对象进行建模和参数计算，介绍了求解鲁棒控制器时用到的一些基本理论控制系统的鲁棒性、下线性分式变换以及H。输出反馈控制等，然后进行液压伺服位置系统H。输出反馈控制器设计，并通过编程求出了一个性能较好的鲁棒控制器。本设计采用全数字厚度闭环控制方案，具有可编程能力强，稳定性好，成本低等有点，系统性能有效提高。关键词冷带轧机自动厚度控制AGC全数字闭环控制液压伺服驱动输出反馈控制自校正控制ABSTRACTTHEABSOLUTEETHYLALCOHOLAMOUNTISUSEDMASSIVELYATPRESENTINOURCOUNTRYINDUSTRY,ANDINTHEATMOSPHERE,WATERANDALCOHOLEXTRACTIONOFWATERAND9557COMPOSEDDAREDETHANOL,BOILINGPOINTFOR7815DEGREESCELSIUS,CANNOTUSEATATMOSPHERICDISTILLATION956HIGHERTHANTHEAVERAGEOFETHANOLDESIGNADISTILLATIONPROCESSCONTROLSYSTEM,USEDINTHEATMOSPHERESEPARATEETHANOL,INORDERTOMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEINDUSTRYTHISDESIGNSPRIMARYCONTENTINCLUDESTHEABSOLUTEALCOHOLWASPREPAREDBYAZEOTROPYRECTIFICATIONWITHINDUSTRIALALCOHOLASMATERIALANDWITHBENZENEASENTRAINER。THEOUTPUTOFTOPTOWERWASAZEOTROPICMIXTURE，THEOUTPUTOFBOTTOMTOWERWASANHYDROUSETHANOL,BENZENEANDETHANOLFORBACKFLOW,ALCOHOLCONCENTRATIONINCHARGETHEHIGHERTHEBETTER，HOWEVER，ITSMAXIMUMVALUEINFLUENCEDBYWATERCONTENTATAZEOTROPYPOINT。SENSITIVITYANALYSISRESULTSINDICATEDTHATTHESENSITIVITYOFOUTPUTQUANTITYOFTOPTOWERWASTHEHIGHEST，ALCOHOLCONCENTRATIONINCHARGETHESECONDANDRETURNBENZENEPHASORANDREFLUXRATIOTHELOWESTINCHOOSINGASUITABLEMICROCONTROLLER,AMPLIFICATION,SAMPLINGFILTERCIRCUITSKEEPCIRCUIT,A/DCONVERTER,D/ACONVERTER,BUTTONS,DISPLAYCIRCUITMODULE,ALARMCLOCKCIRCUIT,THECONTROLLERISCOMPOSEDOFCIRCUITANDCONTROLSYSTEMBASEDONFOURPARAMETERSTESTINGANDDISTILLATIONOFTRANSMITTER,THECONTROLLERDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFCHOICE,TOIMPROVETHEDESIGNOFTHESYSTEMKEYWORDSFRACTIONATINGCOLUMN；ANHYDROUSETHANOL；AZEOTROPYRECTIFICATION目录摘要I目录III第一章绪论111板带轧机厚度控制技术发展综述212控制系统的鲁棒性概述213课题意义及主要研究内容第二章总体设计321总体控制的方案论证322总体控制系统的设计923传感器的选择第三章硬件电路设计1731控制器的设计1732单片机的选择与设计18321单片机型号的选择18322单片机最小系统的设计2033I/V转换电路的设计2234放大电路的设计2335滤波电路的设计2436采样保持电路的设计2537A/D转换器的选择2538D/A转换器的选择27310报警电路的设计30第三章整体系统的软件设计32第四章精馏塔控制要求及主要干扰的分析3441精馏塔的控制要求3442精馏塔的干扰因素特性35第五章总结37参考文献38致谢39附录40附录41附录42第一章绪论11板带轧机厚度控制技术发展综述板带轧机厚度控制从轧机诞生起，直到由计算机完成各种复杂功能的控制，其发展过程是随着对板带材尺寸精度要求越来越高而相应发展起来的，板带轧机厚度控制的发展大致可分为以下几个阶段。第一阶段是本世纪30年代以前的人工操作阶段。这一阶段的轧机装机水平较低，厚度控制是以手动压下或简单的电动压下移动辊缝方式为主。由于当时各种检测手段尚不完善，轧机的调整和过程的实时调节主要是凭操作人员的经验进行的。这一阶段中，轧制理论仅在后期才刚刚开始建立，远没有达到应用的程度单回路调节的自动控制理论，尚未应用于控制轧机这类较复杂的机器，由于轧制过程是一个非常复杂的物理过程，轧制条件和状态不断发生变化，单凭经验操作很难达到较高要求，致使轧机的各项技术经济指标都比较低，相应该阶段的厚度控制尚未形成自动控制。第二阶段是30年代到60年代的常规自动调整阶段。1925年卡尔门提出了轧制力微分方程4，1950年英国人发明了轧机弹跳方程，引入轧机刚度概念，使轧制理论和技术发生了一次飞跃。轧制理论从以力学为基础研究轧件变形规律，进入以力学和控制论为基础的轧件与轧机互相作用变形规律统一研究5I。该阶段中轧制理论的发展和完善为板带轧机的厚度控制奠定了基础，同时，随着自动调节理论和技术的发展，并逐步应用于轧制过程，使轧机的控制步入了常规模拟式调节的自动控制阶段。单回路的各种调节系统不断涌现。主要体现在速度调节系统，张力调节系统，位置调节系统等。这些自动调整系统的实现，为完善板带轧机的厚度控制提供了先决条件。近年来，为进一步提高冷连轧产品质量，广泛采用成品带钢凸度测量仪沿带宽多点X一射线源及矩阵式接收，以获得沿宽度方向的厚度分布和带钢激光测速仪。激光测速仪的使用为流量AGC的发展创造了条件。在20世纪最后的十年，世界轧钢技术发展迅速，轧钢生产实现了高度的自动化、连续化和高精度化55，56。由于对冷轧薄板质量的要求越来越严，因此计算机控制系统已是冷轧不可缺少的组成部分57，58。随着液压控制系统的广泛应用加上全部控制都将作用于轧辊一轧件形成的变形区，因此冷轧自动控制系统需满足下列两个要求一是高速控制，二是高速通讯。这个“二高”的特点决定了控制系统应是“快速”分布式计算机控制系统。目前能为冷连轧机提供计算机控制系统的仅有6一7家大电气公司美国GE、德国西门子、法国ALSTOM、日本日立和三菱以及瑞典的ABB公司159。各钢铁企业都加快了薄板生产线改造和建设的步伐。人工智能技术在轧钢工艺中应用，在热轧带钢轧制中利用ANN与数学模型结合进行轧制力控制己经开始应用于工业生产。本钢与东北大学合作，在国产轧机上进行轧制力预测取得了良好的效果。目前，宝钢与东北大学合作，在2050热带轧机上实施ANN轧制力预测工程项目。12控制系统的鲁棒性概述一个反馈控制系统是鲁棒的，或者说一个反馈控制系统具有鲁棒性，就是指这个反馈控制系统在某一类特定的不确定条件下具有使稳定性、渐进调节性和动态特性保持不变的特性，即这一反馈控制系统具有承受这一类不确定性影响的能力。由此可见，控制系统的鲁棒性贯穿着稳定性、渐进调节性和动态特性这三方面内容，即分别有鲁棒稳定性、鲁棒渐进调节和鲁棒动态特性，其中鲁棒渐进调节和鲁棒动态特性反映了控制系统的鲁棒性能要求。鲁棒稳定性是指在一组不确定性的作用下仍能保证反馈控制系统的稳定性。鲁棒渐进调节是指在一组不确定性的影响下仍然可以实现反馈控制系统的渐进调节功能。鲁棒动态特性通常称为灵敏度特性，即要求动态特性不受不确定性影响。从工程技术角度讲，一个反馈控制系统的设计问题就是，根据给定的控制对象模型，寻找一个控制器，以保证反馈控制系统的稳定性，使反馈控制系统达到期望性能，并对模型不确定性和扰动不确定性具有鲁棒性。具有鲁棒性的控制系统称为鲁棒控制系统。在实际控制问题中，不确定性往往是有界的。因此，在鲁棒控制系统设计中，一般是假定不确定性在一个可能的范围内变化来进行控制器的设计，这就意味着设计出来的控制器在这个可能的不确定性范围内均能使控制系统的稳定性和性能保持不变。换句话说，就是确定不确定性可能变化的范围界限，在不确定性变化的这个可能范围内对最坏情况进行控制系统设计。抓住不确定性变化的范围界限，并在这个范围内进行最坏情况的控制系统设计，这就是鲁棒控制系统设计的基本思想。这一设计思想的基本出发点是，只要设计出来的控制系统在最坏情况下具有鲁棒性，那么这个控制系统在其他情况下也一定具有13课题意义及主要研究内容冷带轧机生产的冷轧带，附加值较高，是汽车、家电、食品等行业必不可少的原材料。我国冷轧带材缺口较大，所需的精密冷轧带钢仍大多依赖进口。近几年，由于国家经济的快速发展，尽管这些产品的进口量逐年增加，但供需缺口仍在不断扩大。按不完全统计，仅几种典型产品如邦迪管、电池壳、电阻帽、集成块引线架、发光二极管电极、蓄电池骨架、纺织机挂钩板、照相机快门叶片等，所用精密超薄带钢01一035的需求量就在20万吨以上，大部分依赖进口，国内能供应的一小部分也基本上是用进口轧机生产的，这些原料带钢，由于质量要求高、规格繁多零乱、批量小，一般外商也不愿生产，故订货困难，价格昂贵，吨价高达万元以上。目前引进的大型轧机的液压控制系统大都采用专用控制器，国外生产企业也大都对其采取一定的技术保护，而且价格十分昂贵。若能在国产轧机上应用电液伺服系统及先进的自适应鲁棒控制技术实现高精度厚度控制，将使国家节省外汇数亿美元。目前我国已形成新建冷轧机和改造冷轧机的高潮，因此，研究开发具有自主知识产权的轧机厚控系统，并应用先进的自适应鲁棒控制策略，以保证带材的稳定生产和提高带材的厚控精度，提高企业的经济效益，具有重大的实际意义和理论价值。本文设计的内容包括实现数字控制系统的硬件电路设计，控制方案的论证与选择，及液压伺服系统的分析，显示与按键控制及软件的设计。第二章总体设计基于单片机的钢板厚度控制系统主要实现在线厚度，辊缝，轧制力，板带速度的监测与控制，最终实现钢板厚度达到要求精度。并实现参数的显示，利用按键实现系统控制的要求，还有越陷报警的设计，主要是轧制力超标的报警。21钢板厚度控制系统方案的论证方案一液压缸位置闭环控制系统为了轧出给定厚度的轧件，首先必须在轧件进入辊缝之前正确地设定空载辊缝。其次，在轧制的过程中，为了使轧出的轧件厚度均匀一致，还必须随着轧制条件的变化及时地调整空载辊缝的大小。这些都是通过正确地设定和控制液压缸位移位置来实现的。液压缸位置闭环的作用就是准确地控制液压缸位移，达到设定和控制空载辊缝的目的。它是整个厚度控制的基础65。液压缸位置闭环控制系统又称为妙CAUTONATLCIPOSTIIONCONTORL系统。在APC系统中，液压缸活塞相对缸体的位移由位移传感器检测。为了消除活塞相对缸体摆动的误差，通常在缸体上安装位移传感器，位移传感器检测出来的电压信号，负反馈到信号输入端，与给定电压信号相比较，如有偏差，则通过调节器及功率放大器处理并转换为电流信号送给电液伺服阀。伺服阀获得电流信号后，转换成液压油的流量Q送给压下油缸，再由油缸变为柱塞位移，一直到反馈值实测值与给定值相等为止。这就是液压缸位置闭环控制的调节过程。图2一7为位置闭环控制原理图。由于空载辊缝不仅受压下位移的影响，而且还受轧辊的磨损、热膨胀及偏心的影响，所以测量压下位移还不能准确的反映空载辊缝的大小。这是压下位置闭环的不足之处。方案二轧制力闭环控制轧制力控制是除位置控制以外的液压AGC系统的第二个基本控制闭环。当轧制压力在允许范围内变化时，液压AGC系统通常采用位置闭环控制方式。当轧制压力超过允许范围时，系统为了防止液压缸过载，将切换到压力闭环控制系统，确保液压缸在轧制过程中不过压。轧制压力的波动将造成轧件出口厚度的波动，轧制力闭环控制通过连续地测量轧制过程中的轧制压力波动夕，经调节器运算和功率放大后转换为电流信号，控制电液伺服阀，改变液压缸流量，使液压缸活塞运动，保持轧制过程中轧制压力恒定。图2一8为轧制力闭环控制的原理图。轧制力闭环控制可用于标定和压力保护。标定亦称为压靠，是将两辊压靠到设定压力时的辊缝值作为相对零点，即人工零位。预压靠时的预压力在己测出的轧机弹性曲线上选定，大于弹性曲线上非线性段的轧制力即可。轧制钢板时的轧制力必须大于预压力。压靠过程中还可以通过调整轧辊倾斜度，使得操作侧和传动侧压力相等，完成全辊面压靠。测厚仪监控在轧机的出口直接用测厚仪测出厚度偏差，然后反馈调整压下装置，改变空载辊缝，消除厚度偏差1661。这种控制方式称为测厚仪监控监控AGC。其原理图如图2一9。图2一9厚度监控原理图测厚仪监控由于存在时间滞后，难以纠正因入口厚度骤变而引起的轧后厚差。它只能纠正低频的、缓慢的偏差。对于轧辊热膨胀和磨损引起的变化缓慢的干扰量，弹性曲线的不完全线性，空载辊缝和轧制力的设定值不准，位移传感器和压力传感器的测量误差等因素所造成的轧后厚度偏差，采用测厚仪监控是可以得到补偿的。以上各个控制方案都存在自己的控制缺陷，基于考虑笨设计采用以上方案综合控制的方案。即采用液压缸位置闭环控制系统，轧制力闭环控制，测厚仪监控为辅，并带有前馈控制的控制方案。22厚度控制系统总体方案液压缸位置闭环控制系统由于靠改变辊缝大小控制厚度，一旦轧制力过大对机身整体及液压系统造成不可恢复的损害，严重影响系统的正常运行生产，所以当轧制力越陷时采用轧制力闭环控制系统进行控制。而液压缸位置闭环控制和轧制压力闭环控制，都不能消除轧辊磨损、热膨胀对空载辊缝的影响以及位移传感器和压力传感器本身的误差对轧件出口厚度的影响。为了消除这些因素的影响，采用测厚仪监控控制系统进行补偿控制，能有效消除干扰对板厚精度的影响，并附加前馈控制系统，主要是消除来料厚度波动对板厚控制的影响。主要利用板带入口处的测厚装置检测板厚，与设定值比较分析，控制出口厚度的波动情况。系统结构图如下23传感器的选择231位置传感器康宇公司生产的磁致伸缩传感器是应用磁致伸缩原理研制而成的，达到计量级精度的新一代精确测量位移，液位的传感器，磁尺输出时真正的绝对数值，不需要定期重新标定和维护，测量中无须重归回零位。因其优点，已在国内工控领域得到越来越广泛的应用。KYCM系列磁致伸缩位移传感器广泛应用在伺服液压油缸，汽轮机气阻阀门，伺服气缸活塞，水轮机导叶开度等位移量检测与控制和很多要求机械定位和位移检测精度高的设备上。该产品不但可以测量运动物体的直线位移，而且还可直接给出运动物体速度快慢的模拟信号。灵活的供电方式和多种可选的模拟信号输出，可应用在各种闭环控制系统中，与各种控制器连接，性价比高。良好的环境适应性，可靠性和稳定性，可广泛应用在替代电阻式位移传感器，LVDT等传感器作为位移测量之用。工作原理如下传感器主要由波导丝，测杆。电子舱和套在测杆上的非接触磁环或浮球组成，结构如图一所示。当传感器工作室，电子仓内的电子电路产生一起始脉冲，此起始脉冲沿磁致伸缩线已恒速输出，同时产生一个沿波导丝跟随脉冲前进的旋转磁场，当该磁场与定位装置中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，是波导丝发生扭动。这一扭动呗安装在电子仓内的拾能机构感知并转换成相应的终止脉冲，通过计算起始脉冲与相应终止脉冲之间的时间差T1，T2，即可精确测量位移量，波形如图二所示。技术指标、性能指标、结构材质技术参数输出方式电流420MA供电电压24V电压05V、010V24V（55）V、（1010）V15V可测量物理量12个位置有效量程805000MM（刚性结构和防腐结构）400014000MM（柔性结构）负载特性电压输出时最大负载电流2MA电流输出时最大负载电阻600工作电流90MA（随量程的变化而增加）工作温度T1070，T22580存储温度40100测杆耐压34MPA性能指标非线性误差005FS重复性误差001FS分辨率16位D/A转换迟滞002FS温度影响001FS/零点、满度调整范围测量范围的20更新时间025MS结构特性测杆材质不锈钢304,316电子仓外壳材质铝，不锈钢电子仓结构A型，B型，C型安装接口螺纹连接出现方式直接电缆线，航空插头，接线端子防护等级IP65防爆标志EXDBT5隔爆型232压力传感器美国SCHAEVITZ公司引入了P98101XX介质隔离的压力变送器。P981该系列的压力变送器是专门为轧钢机、轧铝机类型轧制机设备遭遇恶劣环境而设计的。基于流行的P980双线420MA补偿系列，P98101XX提供其它型号压力变送器所具备的独特性能。轧制机系列提供900HZ的超快反应频率，同时保持了小于020满量程输出的精确度。P981010XX包括内置的瞬变抑制器，以消除线路瞬变电压的效果，同时EMC符合CE标准。压力变送器同时配备了整体的压力限制器，基本消除了瞬间高压力损坏产品的可能性。所有美国SCHAEVITZ公司的高压变送器包括了一个专利设计的抗疲劳压力传递膜片，提高了长期可靠性，减少了由于长期加压导致的性能下降。性能特点2线，420MA输出瞬变抑制器可防止瞬间高电压内置压力限制器1/2英寸BSP外压力接头7/16英寸20UNFBSP外压力接头带孔螺钉可消除系统中的气体带有“O”型密封圈槽的压力接头提供极性反向保护高过载和穿透能力通过CE认证技术指标类型表压，绝压量程0100，250，500，1000，2500，5000，10000（PSI）或0250350700BAR精确度0018输出420MA供电电源1036VDC工作温度补偿2080；工作40100电气连接电缆、接插件螺纹接口1/4NPT，1/4BSP，7/1620UNF特点具有高过载，抗冲击，抗震动能力。CE认证，反向极性保护典型应用钢、铝轧制厂美国SCHAEVITZ公司推出的P981系列压力传感器、压力变送器，同其系列的还有P9073,P9083,P791,P793,P1281,P1283,P1400,P1451,P1461,P1500,P1561,P1583,P1571,P1600,P1683,P1671,P2181系列的压力传感器，压力变送器。产品广泛应用在轧钢机厂，轧铝机厂。233侧厚传感器35MM电涡流传感器技数参数供电电源与输出选择电源电压24V电源电压15输出218V输出55输出05V输出1V5V工作频率范围05KHZ（15DB）测量范围20MM线性范围MM1302130线性度5灵敏度精度4工作温度范围20150灵敏度08V/MM234速度传感器24执行器的选择执行器作为整个厚度控制系统的动作系统，其产品参数直接关系到生产状况，液压伺服系统控制框图如下241电液伺服阀CSDY1CSDY2电液伺服阀是目前国际电液伺服阀中的最新产品。采用干式力矩马达，整体焊接，射流管为先导级，主滑阀作功放，是一种高性能力反馈两级方向、流量控制阀。它接受微小电信号并转换为液压功率放大，输出流量大小与控制电信号大小成比例。工作原理高压油PS一路通过滤油器进入射流管喷嘴，另一路进入阀芯和阀套组成的通路。当无信号电流时，阀处于零位，无流量输出。当有控制信号电流输入时，使射流管喷嘴偏转（设顺时针），接受器左腔压力上升，右腔压力下降，阀芯在压差作用下右移，其油路PSA1负载2CP。阀芯右移时，反馈力矩反馈到射流管组件，使接受器两腔差趋于零，阀芯有一微小位移，输出稳定流量。若控制信号电流反向，伺服阀则输出反向流量。其特点如下（1）结构牢固。可抗级振动、级颠振和400G加速度攻击；（2）零位稳定优于双喷嘴挡板型阀，安全可靠；（3）分辨率极高；（4）抗污染能力极强，可使用NAS1638的78级油液；（5）寿命长，使用次数可达107次（约5000小时）；（6）控制精度高。适用于遍及各个领域中的高精度电液伺服系统。如造船工业、航天工业、航空工业、重工业、轻、纺工业，以及农业机械液压伺服系统。主要技术指标1型号CSDY12、4、8、10、15、20、30、40（CSDY260、80、100、120）2额定电流8MA3线圈电阻10001004绝缘电阻50M5额定压力206105PA6使用压力（20309）105PA7额定流量2、4、8、10、15、20、30、40L/MINCSDY2型60、80、100、120）8滞环39线性度7510对称度1011静耗流量0453QN12压力增益30PS/1I13分辨率02514零偏215种类零漂指标216频率特性3DB70HZ90角90HZ17温度范围40C85C18工作液粘度10100CST19系统过滤精度1020U使用注意事项1、伺服阀安装前应先装上随带附件冲洗板。启泵运行不少于8H，工作液清洁度应达到NAS7级。2、伺服阀进口前应安装精度为1020M的油滤。3、每年定期取样检查，更换滤芯及工作液。4、伺服阀在未供压情况下，应尽量避免通入交变信号。5、伺服阀的安装座应有足够刚度，其安装表面粗糙度不低于RA16M，表面平面度不大于003M。6、用户在使用过程中，发现油污染，只能拆伺服阀滤油器组件，清洗或更换。7、使用中发生故障应返厂修理，用户不应自行分解。242液压油缸C25、D25系列高压重型液压缸本系列适用于各种工业部门中，如冶金、矿产、起重、运输、船舶、锻压、铸造、机床、煤炭、石油、化工、科研军工等。主要技术性能最大工作压力P25MPA矿物油P25MPA（水乙二醇）静态试验压力PS375MPA矿物油PS30MPA（水乙二醇）介质工作温度范围20介质粘度范围运动粘度28380MM2/S1CST1MM2/S最高运行速度05M/液压缸全长公差0500允许偏差15MM5011250允许偏差2MM12513150允许偏差3MM31518000允许偏差5MM第三章硬件电路设计31控制器的设计通过前面的论证，我们选择了基于单片机的PID温度控制系统来控制精馏塔内部的温度。在选择了适合的单片机，配以放大滤波电路，采样保持电路，A/D转换器，D/A转换器，按键模块，显示电路，时钟电路，报警电路等组成整个控制系统。系统原理框图如图31所示。放大滤波采样保持A/D转换输出控制制D/A转换单片机显示电路按键模块电源驱动电路报警电路时钟电路ROM扩展多路模拟开关图31控制器总体设计框图由系统原理框图可以看出，基于单片机的精馏无水乙醇温度控制系统的工作原理为首先，通过传感器将各个测量信号检测出来送到多路模拟开关，经过模拟开关的选择，将信号进行放大滤波和采样保持，经电桥电路变换成微弱的电压信号，在精密放大电路中完成调零及放大信号的功能，以满足A/D电路的要求，然后经A/D电路送到单片机。单片机对接收到的信号与设定信号进行比较，采用模糊控制的方法，输出一个控制量，经D/A变换后控制执行阀以实现对温度的连续控制。当设置温度低于满足要求值时，单片机输出一个开关量信号，使蒸汽量增大提高炉内温度，当温度过高时，单片机输出一个开关量信号，增大循环冷却回流量。同时用LED显示当前温度。当进入稳定状态后，电路发出提示信号。32单片机的选择与设计321单片机型号的选择本系统的设计是基于单片机的温度控制系统，因此单片机的选择很重要，在本次设计中，为达到数据传输和信息通讯选用AT89S52单片机。AT89S52单片机的引脚图如32所示。图32AT89C52单片机的引脚VSS20脚接5V电源地端。VCC（40脚）接5V电源正端。XTAL1（19脚）接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于HMOS单片机，该端引脚必须接地；对于CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。RESET（9脚）单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）。（29脚）在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器PSEN123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE10APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89S52读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别89S52是否在工作。ALE/（30脚）在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效PSEN信号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN、ALE和XTAL2输出端是否有信号输出，可以判别89S52是否在工作。EA/VPP（31脚）当EA端输入高电平时，CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。在对89S52EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压VPP。P0口（3239脚）P00P07统称P0口，P07为最高位，P0口的8条引脚可使用于两种不同的情况，在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，可作为准双向口，用于传输用户输入输出的数据，在接有片外存储器或扩展I/O接口时，在CPU访问外部存储器时先传输片外存储器低8位地址，后传送CPU对片外存储器的读写数据，此时P0口为地址/数据分时复用。P1口（18脚）P10P17统称P1口，P17为最高位，可作为准双向I/O接口使用，对于MCS52子系列单片机，P10与P11还有第二功能，P10可作为定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P11可作为定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2口（2128脚）P20P27统称P2口，P27为最高位。这组因脚也具有两种功能，一种是可作为准双向I/O口使用。此时同上述两个口的第一功能，另一种功能与P0口配合，在接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256B时，P2口用于传输片外存储器高8位。P3口（1017脚）P30P37统称P3口。除作为准双向I/O接口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能下的输入输出或第二功能。P3口的第二功能如表31所示。综上所述，89S52单片机的引脚具有以下特点单片机功能多但引脚少，I/O接口线不是全部用于用户的I/O接口线，许多引脚都具有双重功能。这种双重功能的设置为单片机实现系统扩展奠定了基础。这也是在精馏塔温度控制系统设计中选用它的主要原因。第2功能引脚功能代号作用P30RXD串行接口输入端P31TXD串行接口输出端P32INT0外部中断0请求输入端，低电平有效P33INT1外部中断1请求输入端，低电平有效P34T0定时器/计数器0计数脉冲输入端P35T1定时器/计数器1计数脉冲输入端P36WR外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效P37RD外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效表31P3口第2功能322单片机最小系统的设计单片机最小系统“最小”就是指一个单片机能开始独立工作所需的最基本的外部电路连接。具体是指VCC脚接电源，GND接地，接好时钟电路，连上复位电路。具体设计电路如图33（已包含按键电路和显示电路）。1时钟电路AT89S52内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。本设计选用外接晶体谐振器，C1和C2约为30PF。C1、C2对频率有微调作用，振荡频率范围是1212MHZ。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。2复位电路单片机的复位电路都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10MS以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行。图33单片机最小系统3按键电路在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，因此应用系统中应设有键盘，这些键包括数字键、功能键和组合控制键等。这些按键或键盘都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。但是，这些开关绝不仅仅是简单的电平输入。图33中采用的是独立式按键结构中断方式，通常按键输入都采用低电平123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE23APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20AT89S52C130PFC230PFYSSWPBR1200KVCCC22UFR21KVCCVCCRA4KRB4KRC4KRD4K5S1S2S3S4ANDINT0INT0ABFCGDE117421105ABCDEFG3DPDPABFCGDEDPABFCGDEDPABFCGDEDPLG3641COM112COM29COM38COM46VCC2GND15RST16DIN5DCLK6LOAD4DOUT3SEG018SEG119SEG220SEG321SEG422SEG523SEG624SEG71DIG014DIG113DIG311DIG410DIG59DIG68DIG77DIG212CH451R8R9R10R11R12R13R15R14C12150PFC1110UFVCCP20P21P22有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。4显示电路在图33中，数码管驱动部分采用CH451典型电路连接方式，8个200电路为数码管的限流电阻，防止因电流过大造成数码管过热而烧坏，CH451通过P1口与单片机进行连接。这里使用的是4为数码管。33I/V转换电路的设计变送器被广泛地应用于检测及过程控制系统中，变送器实质上说一种能输出标准信号的传感器。在进行信号转换时，为了保证一定的转换精度和较大的适应范围，要求I/V转换器有低的输入阻抗及输出阻抗。有时输出信号为电流信号420MA，在进行放大前，需要把电流信号转换为电压信号，这时需设计I/V转换电路，具体电路图如图27所示。由节点方程可知NPSUIR015/NFFURU故有5FFSFFI若取R200，R118K，R543K，RF714K，调整电位器RP，使UF753V，则当IS420MA时，可求得U005V。图27420MA/05V转换电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE9APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYR2R1R3R5RR4R6CVSRFRPN15VU0ISUPUNUF34放大电路的设计放大电路设计如图28所示。它是三运放高共模抑制比放大电路。它由三个集成运算放大器组成，其中N1、N2为两个性能一致的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，N3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制N1、N2的共模信号，并适应接地负载的需要。由输入级电路可写出流过R1、R0和R2的电流IR为2210/ROIIOIIIUUU由此得出1I10I210/UO2I2IR/由此得出O153U/图28放大电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE24APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYN1N2N3R1R2R3R4R7R8R0RPGNDR5R6U0UI1UI2UO1UO2IR35滤波电路的设计目前在一般的测控系统中，RC滤波电路，特别是由各种形式一阶与二阶有源电路构成的滤波器应用最为广泛。他们结构简单，调整方便，也易于集成化。对于把传感器的信号放大后，需要进行滤波，电路如图29。图29任意增益反相一阶有源RC低通滤波电路图29是具有一定增益的反相一阶有源RC滤波器，由于运放输入端没有共模电压作用，因此应用更为普遍。参数为增益0/PKR固有频率1WC36采样保持电路的设计采样保持电路简称S/H；它用在模拟/数字（A/D）转换系统中的一种电路，作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在模数转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。通过分析比较，选用AD582作为采样保持器，它的内部结构图如图210。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE10APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYNR0CUITU0TR图210AD582实用电路图图211AD582引脚图37A/D转换器的选择A/D转换电路是数据采集系统前向通道中一个重要的环节。数据采集是在模拟信号源中采集信号，并将之转换为数字信号送计算机的过程。在前向通道中，被测物理量经传感器转换成电信号，而每一种传感器都有与之配套的接口电路，接口电路再将这一点信号转换成电压信号。多路转换开关用来完成多路模拟信号的切换，信号调节则是将信号转换成满足A/D转换器需要的电平信号。为了减少动态数据采集的孔径误差，需要加入采样/保持电路。因此，数据采集电路的设计不仅仅限于是单纯A/D转换芯片的接口设计，还必须综合考虑传感器到CPU的全过程。通过分析，A/D转换器选用常用的ADC0809，ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。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。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYVS10IN12IN14NULL3VS5717OUT8IN9CH6IN1NULL4AD5821ADC0809的主要特性18路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。2具有转换起停控制端。3转换时间为100S。4单个5V电源供电。5模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。6工作温度范围为4085摄氏度。7低功耗，约15MW。2内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。3ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。图212ADC0809与AT89S52的连接38D/A转换器的选择传感器输出的信号多为模拟信号，在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，为此要使用模数转换器。相反，经过计算机处理后的信号常需要反馈给模拟执行机构等，因此还需要数模转换器将数字量转换成相应的模拟信号。因此，D/A转换电路是123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89S52123U2A74ALS02123U3A74ALS02123U1A74ALS02VCCP20P21P22RDP27WRIN026MSB21212220IN12723192418IN2282582615IN312714LSB2817IN42EOC7IN53ADDA25IN64ADDB24ADDC23IN75ALE22REF16ENABLE9START6REF12CLOCK10ADC0809P20P21P22RDWRP27微型计算机与输入输出装置之间的接口，是数字化测控系统中的重要组成部分。经过分析，本控制系统选用DAC0832作为D/A转换器。DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的主要特性参数为分辨率为8位；电流稳定时间1US；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（5V15V）；低功耗，200MW。根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。图213DAC0832与AT89S52的连接图39报警电路的设计123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE11APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10IC1AT89S5232184IC3ATL082VCC20IOUT111LSBDI07IOUT212DI16DI25RFB9DI34DI416VREF8DI515DI614MSBDI713ILE19WR218CS1WR12XFER17IC2DAC0832VCCVCCVCC12V12V123456789R147K8蜂鸣电路310多路模拟开关模拟开关是通过数字量来控制传输门（TG）的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开关。它具有功耗低、速度快、体积小、无机械触点及使用寿命长等优点，因此在一定程度上可以用来代替继电器。它的缺点是导通电阻不够小（几十至几百欧），断开时仍有泄露电流（约01UA），且通过的电流一般为毫安级。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE24APR2010SHEETOFFILEEXPSOFTWAREPROTEL99EXAMPLESADDDBDRAWNBYR10KLSSPEAKERVCCP37T1C8550第三章整体系统的软件设计系统程序框图如图31所示。系统程序如附录2所示。图31系统主程序流程框图读取A/D数据将A/D数据的二进制转化为十进制判断A/D数据是否大于某一值控制塔顶回流量增大Y判断A/D是否小于某一值N再沸器蒸汽增大YN调用显示子程序开始（初始化端口并定义宏变量）结束第四章精馏塔控制要求及主要干扰的分析41精馏塔的控制要求为例保证精馏生产过程安全、高效地连续进行，精馏塔自动控制系统应当满足一下几方面的要求1保证产品质量对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度；另一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或塔底一种产品的纯度作为质量参数进行控制，这样的控制系统成为质量控制系统。质量控制需要能直接测出产品成分的分析仪表。由于目前还不能生产出测量滞后小、精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大多数情况下，精