煤矿瓦斯的检查毕业设计

1、随着我国经济的快速发展，齐行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发 生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。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。在文章里，我针对瓦斯的特点，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。同时采用声光报警系统，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。设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。该传感器以at89s52单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠, 经久耐用，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

2、成本， 提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。关键词：瓦斯；at89s52； pid控制器abstractwith the rapid development of chinafs economy, various industries on the sharp increase in the demand for coal, but each kind of mining accidents occurrence, causes the coal safety in production faced with the stem challenge. this piece of articl

3、e aims at the gas to carry on the monitoring to design.in the article, i in view of the gas characteristic, design simultaneously monitor the height density the gas system, all-weather unintemipted carries on the monitor to the mine shaft gas density. simultaneously uses the acousto-optics alarm sys

4、tem, once gas exceeding the allowed figure, the system reminds the downhole operation worker to evacuate urgently immediately, avoids the personnel casualty. also put to use infrared remote-control system carry through long-distence supur risory control. design this intelligent sensor adopt close-cy

5、cle control insure sampling placidity.this system take at89s52 monolithic integrated circuit as a core, realizes to the gas examination, the warning and the control, safe reliable, durable, suits each kind of coal mine gas the monitoring, may reduce coal mining accident's occurrence greatly, red

6、uces the private costs, raises the coal recovery ratio, makes the contribution for our country coal enterprise.keywords： gas； at89s52； pid controller目录摘要iabstractii1绪论11.1系统概述11.1工作原理21.1.2系统框图21.2煤矿气体监测系统的国内外发展状况 22系统的硬件电路设计32系统原理框图32.2单片机的选用32.2.1at89s52的引脚说明42.2.2单片机的i/o 口扩展器件62.3 adc0809的内部结构82.

7、3.1信号弓i脚92.3.2 mcs-51 单片机与 adc0809 的接口102.3.3a/d转换应用举例122.4 lcd显示器13241 lcd显示器的工作原理 152.5 pid 控制16251 pid控制器介绍162.5.2 pid控制实现213系统的软件设计243.1主程序243.2 了程序263.2.1中断了程序263.2.2显示子程序的设计263.2.3声光报警了程序273.2.4 a/d转换控制程序设计流程图293.3总程序29结论35致谢36参考文献37附录381绪论1.1系统概述随着超大规模数字集成电路、单片机技术的飞速发展，利用单片机及其它外围芯片 实现对瓦斯的监测成为

8、一种可能，并且成为一种发展趋势。它具有体积小、操作简单、 携带方便、功能较齐全等优点，而且性能价格比也很高，应用前景非常广泛。因此此次 设计整体上是基于at89s52单片机來实现煤矿瓦斯浓度监测报警。在这里我们运用到的 气敏传感器是mq-4,它是用来检测外部瓦斯的浓度（其检测到的浓度值为模拟量），并 将检测到的模拟信号转化为电压信号输出出来。然后再将电压信号输入到ad7109进行 a/d转换变换成数字信号，并在51单片机的控制下将其输入，然后在内部软件编程下 进行数值变换处理。在单片机进行完数据处理后就将其结果输出显示，从而显示出瓦斯 气体的浓度，其中显示部分我们采用四位的led数码管，用于显

9、示瓦斯浓度值。若实 际瓦斯浓度超限（浓度超限预警值可键盘控制输入）则在单片机的控制下进行声光报警。 提醒生产人员离开，避免生产事故。1.1.1工作原理在这里我们用甲烷传感器mq-4来对煤矿瓦斯浓度进行检测，由于其检测所得数据 模拟电压量而单片机只能对数字信号进行处理，所以在送入单片机屮进行处理z前需先 送入模数转换器icl7109中进行模数转换，然后才能将转换所得数据送入单片at89s52 中处理，这里的处理主要是指将输入进来的数据与我们设置的瓦斯爆炸预警值进行比 较，在这里我们的预警值可通过键盘进行设置，显示其瓦斯浓度值。1丄2系统框图1.1.2系统原理框图1.2煤矿气体监测系统的国内外发展

10、状况伴随气体传感器的发展，气体监测仪器不断更新。英类型根据监测对彖可分为可燃 性气体监测仪、毒性气体监测仪和氧气监测仪等;从仪器结构和方法上分为袖珍式、便携 式和固定式。袖珍式仪器的采样方法为扩散式，用于在危险环境中的工作人员随身携 带:便携式仪器用泵吸式采样，用丁监测人员定期安检;固定式仪器用于煤矿井下固定地 点气休监测。世界各国也均有煤矿瓦斯气体监测的系统，如波兰的dan640o、法国的tf200、 徳国的minos和英国的senturion-200等，其屮全矿井综合监测控制系统冇代表性的产 品有美国msa公司生产的系统，徳国bebro公司promos系统。但是这两种系统只 是基于井下监测

11、，并无数据上传，不能实现智能化监控。我国监测监控技术应用较晚，80年代初，从波兰、法国、徳国英国和美国等引进了 一批安全监测系统，装备了部分煤矿;在引进的同时，通过消化、吸收并结合我国煤矿的 实际情况，先后由重庆煤科院、辽宁抚顺煤科院等国内知名煤矿科学研究所研制出kj2、 kj4、kjs、kj10、kj13、kj19、kj38、kj66、kj75、kj80、kj92、kj95、kj101 等煤 矿有害气体监测系统，在我国煤矿己有大量使用，但其屮很大一部分仪表的传输数据是 模拟方式，将气体浓度转化为脉冲量，易受矿井下强电磁设备干扰，造成监测结果不准 确，易出现误报警等现彖。2系统的硬件电路设计2

12、.1系统原理框图此次设计的煤矿瓦斯监测报警器的系统框图如下所示：主要由气体传感器mq4、 a/d转换器icl7109、单片机at89s52、led显示电路、键盘控制电路、声光报警装置 和附件电路组成。led显示at89s52声光报警nr-a/d7109电 源瓦斯探测器(mq-4)图2-1系统框图出图口j以看出煤矿瓦斯监测报警器的駛件部分设计是以单片机系统为核心，用于整 个设计的数据处理、声光报警电路等正常工作。在这里我们选用atmel公司生产的8 位单片机at89s52,该种单片机与以往所采用的at89s52相比新增加了很多功能，性 能冇了较大提升，片内4k的flash存储空间也能满足我们设计

13、的要求，价格较之 at89s52基木不变甚至更低。甲烷传感器采用mq4气敏传感器，用于探测采集瓦斯的浓度。rtr丁该传感器的输 出信号为模拟电压信号，要想将采集到的数据送至单片机系统进行数据处理则需要将模 拟信号转换成数字信号，所以在这里我们还要选用icl7109芯片进行模数转换处理。这 里的icl7109是一种双积分的12位a/d转换器，其性能价格比很高，是一种高精度、 低噪声、低漂移a/d转换器。瓦斯浓度显示部分采用四位的led数码管显示，在这里我们采用动态扫描方法来 显示各种参数。2.2单片机的选用经综合分析选用单片机at89s52适合。at89s52是一种低功耗高性能的8位单片 机,片

14、内带有一个4kb的flash在线可编擦除只读存储器,它采用cmos工艺和atmel 公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。 片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有 三级程序存储器保密的性能。在众多51系列单片机中，要算atmel公司的at89s52 更实用，因为它不仅和mcu-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用cpu 和在线可编程flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间 也大大缩短。2.2.1 at89s52的引脚说明at89s52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外

15、部双向输入/输出（i/o） 端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口， at89s52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。p1. 0 匸p1. 1 cp1. 2 匸p1. 3 匸p1.4 匸p1. 5 匸p1.6 匸p1. 7 匸reset lrxd/p3. 0 c txd/p3, 1 匸 iht0/p3, 2 匸 inti/p3. 3 c t0/p3. 4 匸 t1/p3. 5 匸 /p3. 6 匸 rd/p3. 7 匸ktal2 cxtal1

16、匸 pdip vee 匸3 vcc3 po. o/ado3 po. 1/ah12 po. 2/ad2po. 3/ad32 po. 4/ad43 pci. 5/ad52 po. 6/ad62 po. 7/ad7u ea/vpp2 ale/progpsend p2. 7/ad153 p2.6/ad143 p2. 5/ad132 p2. 4/ad122 p2. 3/ah 11d p2. 2/ad 103 p2. 1/ad9d p2. 0/ad8图2-2 at89s52引脚图vcc（40脚）：供电电压。gnd（20脚）：接地。p0 口（32脚39脚）：p0 口为一个8位漏级开路双向i/o 口，每脚可吸

17、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进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1 口（1脚8脚）：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 f电流。p1 口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 】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。p2 口（21脚28脚）：p2 口为一个内部上拉电阻的8位

18、双向i/o 口，p2 口缓冲器可 接收，输出4个ttl f j电流，当p2 口被写t”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 i i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。p3 口（10脚17脚）：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

19、f j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 口将输岀电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3 口也可作为at89s52的一些特殊功能口，p3 口管脚备选功能如卜表所示：表2-3 p3 口第二功能引脚第2功能p3.0rxd （串行口输入端）p3.1txd （串行口输出端）p3.2/into （外部中断0请求输入端，低电平有效）p3.3/int1 （外部中断1请求输入端，低电平有效）p3.4t0 （定时器/计数器0计数脉冲输入端）p3.5t1 （定时器/计数器1计数脉冲输入端）p3.6/wr （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平

20、有效）p3.7/rd （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）p3 i同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst （9脚）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高 电平时间。ale/prog （30脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不 变的频率周期输出止脉冲信号，此频率为振荡器频率的l/6o因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ale脉冲。如想禁止ale的输岀可在sfr8eh地址上置0。此时，al

21、e只有在执行 movx, movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外 部执行状态ale禁止，置位无效。/psen (29脚)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将 不出现。/ea/vpp (31脚)：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000h- ffffh),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset； 当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施 加12v编程电源(vpp)oxt

22、al1 (19脚)：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2 (18脚)：來口反向振荡器的输出。2.2.2单片机的i/o口扩展器件由于单片机本身只有4个8位并行输入输出i/o接口，1个串行i/o接口，非常有 限，所以当i/o 口不能满足设计需求时则需要我们进行i/o 口的扩展。其扩展方法为根 据需要在串行口上外接1个或多个移位寄存器。由电路原理图我们可以看到此次我们单片机89s52的i/o 口分配如下：pod： a/d转换器icl7109转换后的数据的输入接口p1 :其中p1.0接+5v的直流蜂鸣器当p 1.0=0时蜂鸣器蜂鸣p1.1接发光二极管led,当pl.l=l时发光二极

23、管发光，其和蜂鸣器结合就是我们所 要实现的声光报警。p1.2接排风扇的继电器部分p1.3p1.6作为数码管显示部分的位选p1.7作为7109的片选p2 口我们仅用了 p2.6和p2.7作为7109的数据选通端p3： p3.0 (rxd)和 p3.1 (txd)用于 i/o 口的扩展所以很显然我们要对单片机进行扩展i/o 口，卜图所示为用吊行口扩展i/o 口的电 路：图2-4 i/o 口扩展电路其中芯片74ls164为带清零端的串行输入并行输出移位寄存器（8位），其管脚图 和功能表如下1avcc142bqh133qaqg124qf11qb5qe106qdclr97gndclk874ls164图2

24、-5 74ls164的管脚图表2-6 74ls164功能表数据在a,b端准备好，在clk端产一上升沿，则一位数据移至最低位qa;再将下一位 数据准备好后，在clk端产生下一上升沿，则下一位数据移至次低位qb,其余位顺次 从低位到高位移动，这种时序符合串行器件特性，即把164当成一典型串行外设，可以 用普通i/o 口模拟其时序将数据移入。2.3 adc0809的内部结构adc0809的内部逻辑结构图卜图所示：rel rel+. .start clkoe图2-7 adc0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个a/d转换 器进行转换，这是一种经济的多路数据

25、采集方法。地址锁存与译码屯路完成对a、b、 c3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁 存器存放、输出，因此口j以直接与系统数据总线相连。表2-8为通道选择表cba被选择的通道0 0 0in00 0 1in10 1 0in20 1 1时31 0 0in41 0 1in51 1 0tm61 1 1in72.3.1信号引脚adc0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图对adc0809主要信号引脚的功能说明如下：in?in。模拟量输入通道ale地址锁存允许信号。对应ale上跳沿，a、b、c地址状态送入地址锁存 器中。start转换启动信号。start

26、±升沿时，复位adc0809； start下降沿时 启动芯片，开始进行a/d转换；在a/d转换期间，start应保持低电平。木信号有时 简写为st.a、b、c地址线。通道端口选择线，a为低地址，c为高地址，引脚图中为 adda, addb和addc。其地址状态与通道对应关系见表clk时钟信号。adc0809的内部没有时钟电路，所需时钊信号由外界提供， 因此有时钊信号引脚。通常使用频率为500khz的时钟信号eoc转换结朿信号。eoc=0,ie在进行转换；eoc=1,转换结束。使用中该状态 信号即可作为查询的状态标志，乂可作为中断请求信号使用。d?do数据输出线。为三态缓冲输出形式，可

27、以和单片机的数据线直接相连。 do为最低位，d?为最高oe输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 oe=0,输出数据线呈高阻；oe=1,输出转换得到的数拯。vcc+5v电源。vref参考电源参考电压用來与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基 准。其典型值为+5v（v ref（+）=+5v, v ref（_）=-5v）.2.3.2mcs-51 单片机与 adc0809 的接口电路连接主要涉及两个问题；一是8路模拟信号通道的选择，二是a/d转换完成后 转换数据的传送。8路模拟通道选择图 2-9 adc0809 与 mcs-51 的连接如图所示模拟通道选择信号a、b、c

28、分别接最低三位地址a。、a】、a?即（p（）.o、p（）.、 p0.2），而地址锁存允许信号ale由p2.0控制，则8路模拟通道的地址为0fef8hofeffh. 此外，通道地址选择以顾作写选通信号。由于它的价格便宜、使用简单、在电器，特别是家电领域应用极为广泛，空调、热 水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏和荧光屏。a血-bcalestart图2-10 adc0809的部分信号连接wr地址所存alea/d启动start寄存器清“0”图211信号的吋间配合从图中可以看到，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

29、其后沿就启动转换。启动a/d转换只需耍一条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in。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。）注意：此处的a与a/d转换无关，可为任意值。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转换其來说，转换时间

30、作为一项技术指标是已知的和固定的。例如 adc0809转换时间为128|is,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，以屮断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只耍一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首 先送出口地址并以融信号

31、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。2.3.3a/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 0a0h 0a7h单元屮，按图所示的接口电路，adc0809的8个通道地址为0fef8hofeffh.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：movro, #0a0h;数据存储区首地址movr2, #08h;8路计数器setbit1;边沿触发方式setbea;中断允许setbexi;允许外部中断1中断movdptr,#0fef8h；d/a转换器地址loop:movxdptr,a；启动 a/d 转换her

32、e:sjmphere:等待中断中断服务程序:djnzr2,adendmovxa,dptr;数据采样movxr0,a;存数incdptr;指向下一模拟通道incro:指向数据存储器下一单元movxdptr,aadend:reti2.4 led的显示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-块（-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gndo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

33、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 （般是8个），那它就是共阴的了。共阴l ik a 11 jbcdefgdp10 ,52-12共阴极3, 8相反用vcc不动，gnd逐个碰剩下的脚，如果有多个led （般是8个）,那它 就是共阳的了。共阳10 5图2-13共阳极为了使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z为段码（或称为字型码）7段发光二极管，再加

34、上一个小数点，共计8段。因此捉供给led显示器的段码（或 称之为字型码）正好是一个字节。各段与字节各位对应关系如下：代码位d7表2d614各段d5j字节对7d4刃位d3d2dido显示段dpgfedcba按照上述格式，8段led的段码如表214所示表215 led段码显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03fhc0hc39hc6h106hf9hd5eha1h25bha4he79h86h34fhb0hf71h8eh466h99hp73h8ch56dh92hu3ehc1h67dh82ht31hceh707hf8hy6eh91h87fh80hh76h89h96fh90hl38hc

35、7ha77h88h“灭”00hffhb7ch83h 2.4.1 lcd显示器的工作原理从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的lcd显 示屏都是由不同部分组成的分层结构。lcd由两块玻璃板构成，厚约1 mm,其间 由包含有液晶材料的5pni均匀间隔隔开。因为液晶材料木身并不发光，所以在显 示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏育面有一块背光板（或称匀光 板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均 匀的背景光源。背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴 的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个

36、单元格 构成屏幕上的一个像索。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和 列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作 用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当 lcd屮的电极产生电场吋，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行 有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，与crt显示器和比亮度、画面均匀度、 可视角度和反应吋间上都存在明显的差距。其屮反应时间和可视角度均取决于液 晶面板的质量，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。对于液晶显示器來说，亮度往往和他的背板光源有关。背

37、板光源越亮，整个 液晶显示器的亮度也会随z提高。而在早期的液晶显示器屮，因为只使用2个冷 光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。一直到后来 使用4个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。实际上就是指的液晶 单元从一种分了排列状态转变成另外一种分了排列状态所需耍的时间，响应时间 愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由喑转 亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽 的感觉。有些厂商会通过将液晶体内的导电离了浓度降低来实现信号的快速响应, 但其色彩饱和度、亮度、对比度就会产

38、生相应的降低，甚至产生偏色的现象。这 样信号反应时间上去了，但却牺牲了液晶显示器的显示效果。有些厂商采用的是 在显示电路中加入了一片ic图像输出控制芯片，专门对显示信号进行处理的方法 来实现的。ic芯片可以根据vga输出显卡信号频率，调整信号响应时间。由于没 有改变液晶体的物理性质，因此对其亮度、对比度、色彩饱和度都没有影响，这 种方法的制造成木也相对较高。由上便可看出，液晶面板的质量并不能完全代表液晶显示器的品质，没有出 色的显示电路配合，再好的而板也不能做出性能优异的液晶显示器。随着lcd产 品产量的增加、成本的下降，液晶显示器会大量普及。2.5 pid控制2.5.1 pid控制器介绍当今

39、的口动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的耍素包括三个部分： 测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控 制系统的响应。这个理论和应用白动控制的关键是，做出止确的测量和比较后，如何才能更 好地纠止系统。pid （比例积分微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现 在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid控制器简单易懂，使用中不需精确的系统 模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。pid控制器由比例单元（p）、积分单元（i）和微分单元（d）组成。其输入 e（t）与输出u（t）的关系为w（o -心（*（）+* 卜力+td "丫）因此它的传递函

40、数为：=其中为比例系数；7；为积分时间常数；厶为微分时间常数它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（kp, ti和td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其屮的一到 两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，pid应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简 化可以变成基木线性和动态特性不随时间变化的系统，这样pid就可控制了。其次，pid参数较易整定。也就是，pid参数kp, ti和td可以根据过程的动 态特性及吋整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动 态特性变化，pid参数就可以重新整定。第三，pid控制器在

41、实践屮也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处丁手动状态，原因是很难让过程在“自动" 模式下平稳工作。由于这些不足，采用pid的工业控制系统总是受产品质量、安 全、产量和能源浪费等问题的困扰。pid参数自整定就是为了处理pid参数整定 这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的pid控制器已是商业单回路控 制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的pid控制器控制得很好，但它们仍存在 一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 pid参数的重新整定在线寻找和保持好过 程模型是较难的。闭环工作吋，要求在过程屮插入一个测试信号。这个

42、方法会引 起扰动，所以基于模型的pid参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态 特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一 个不必耍的自适应转换。另外，市于基丁控制律的系统没有成熟的稳定性分析方 法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的pid控制器经常工作在自动整定模式而不是连续 的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算 pid参数。pid在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不 是太好。最重耍的是，如果pid控制器不能控制复朵过程，无论怎

43、么调参数都没 用。虽然有这些缺点，pid控制器是最简单的有时却是最好的控制器。目而工业口动化水平已成为衡量齐行各业现代化水平的一个重要标志。同时, 控制理论的发展也经历了占典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统 和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入 输出接i。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统 的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统， 其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统耍采用压力传感器。 电加热控制系统的

44、传感器是温度传感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid 控制器(仪表)已经很多，产品已在工程实际小得到了广泛的应用，有齐种各样 的pid控制器产品，各大公司均开发了具有pid参数口整定功能的智能调节器 (intelligent regulator),其中pid控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校 正、自适应算法来实现。有利用pid控制实现的压力、温度、流量、液位控制器, 能实现pid控制功能的可编程控制器(plc),还有可实现pid控制的pc系统等等。 可编程控制器(plc)是利用其闭环控制模块来实现pid控制，而可编程控制器 (plc)可以直接与controlnct相连，如rock

45、well的plc-5等。述有可以实现pid 控制功能的控制器，如rockwell的logix产品系列，它可以直接与controlnet相 连，利用网络來实现其远程控制功能。1、开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控 制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回來以 形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控 制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反 馈和负反馈，若

46、反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈(negative feedback),若极性相同，则称为止反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称 负反馈控制系统。闭坏控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环 控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各 种止确的动作。如果没有眼晴，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。 另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净z后 能门动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入(step function)加到系统上时，系统的输出。 稳态误差是指系统的响应进入稳态

47、后，系统的期望输出与实际输出z差。控制系 统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability), 一个 系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指 控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态谋差fc(steady-state error)描述，它表示 系统输出稳态值与期望值z差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间 来定量描述。4、pid控制的原理和特点在工程实际中，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 构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成

48、为工业控制的主要技术z-o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來获得系统参数时，最适合用pid控制技术。pid控制, 实际屮也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的谋差，利用比例、积分、 微分计算出控制量进行控制的。比例(p)控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误弟(steady-state error)。积

49、分(i)控制在积分控制小，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差 的或简称有差系统(system with steady-state error)。为了消除稳态误差,在控制 器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分 项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控 制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制 器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。微分(d)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率

50、)成 正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其 原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，貝有抑制误差的作 用，其变化总是落后于谋羌的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”, 即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器小仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而门前需要增加的是 “微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提 前使抑制误茅的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(pd)控制器能改善系统

51、在调节过 程中的动态特性。5、pid控制器的参数整定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

52、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 实际运行小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厂(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。参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，

53、积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降卜来 动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波,前高后低4比1一看二调多分析,调节质量不会低2.5.2 pid控制实现1 . pid的反馈逻辑各种变频器的反馈逻辑称谓齐不相同，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 屮，用回水温度控制调节变频器的输岀频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如 杲回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，耍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，如杲回水温度偏低

54、，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，但耍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。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h48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 o二是由变频器的外接多功能端了的状态决定。例如安川 cimr-g 7a系列变频器，如图所示，在多功能输入端了 s1-s

55、10中任选一个，将 功能码hl01hl10（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，该端了与公共端了 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 频器只有其小的一种方式。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. 口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，并根据比较结杲来实时地调整输出 频率和电动机的转速。所以，变频器的pid

56、控制至少需要两种控制信号：口标信 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。图小有一个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口标值给定如表小的 安川cimr-g 7a与富士 p11s变频器。二是通道选择法，如表中的康沃 cvf-g2、森