基于AT89C52單片機(jī)的流量控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告(仿真和實(shí)物實(shí)現(xiàn))

過(guò)程控制儀表課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目 指導(dǎo)老師 設(shè)計(jì)者 專業(yè)班級(jí) 設(shè)計(jì)日期 目 錄第一章 流量控制系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)部分）12.1 控制系統(tǒng)工藝流程12.2 控制系統(tǒng)的控制要求52.3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試7第二章 流量控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求92.1 控制系統(tǒng)工藝流程92.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求10第三章 總體設(shè)計(jì)方案113.1 設(shè)計(jì)思想12 3.2 總體設(shè)計(jì)流程圖13第四章 硬件設(shè)計(jì)14 4.1 硬件設(shè)計(jì)概要144.2 硬件選型154.3 硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖及其說(shuō)明16第五章 軟件設(shè)計(jì)175.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖及其說(shuō)明175.2 源程序及其說(shuō)明18第六章 系統(tǒng)調(diào)試及使用說(shuō)明20第七章 收獲、體會(huì)21參考文獻(xiàn)22 設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)為流量傳感器,單片機(jī)為核心流量控制系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用C51系列的89S52單片機(jī)為核心,通過(guò)設(shè)置89S52單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波【2】,對(duì)閥門(mén)電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行調(diào)制,實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度的變化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體流量的控制。單片機(jī)通過(guò)電磁流量計(jì)采集實(shí)際流量信號(hào),根據(jù)該信號(hào)對(duì)其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對(duì)PWM變量的值進(jìn)行修改,從而達(dá)到對(duì)流量的閉環(huán)精確控1、設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)為流量傳感器，單片機(jī)為核心流量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由水泵、水泵電機(jī)、流量傳感器、電動(dòng)閥門(mén)、閥門(mén)電機(jī)、單片機(jī)控制系統(tǒng)等組成。2、寫(xiě)出流量控制過(guò)程，繪制控制系統(tǒng)組成框圖3、利用單片機(jī)對(duì)流量進(jìn)行控制 （1）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)采用89S52；設(shè)計(jì)鍵盤(pán)及顯示電路，電機(jī)控制電路（可控硅，光電耦合器）。 （2）編制流量控制程序一 ，流量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義工業(yè)生產(chǎn)中過(guò)程控制是流量測(cè)量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過(guò)程控制中的四大參數(shù)，人們通過(guò)這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視與控制。對(duì)流體流量進(jìn)行正確測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過(guò)程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。流量的檢測(cè)和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?！?】在天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展的現(xiàn)在，天然氣的計(jì)量引起了人們的特別關(guān)注，因?yàn)樵谔烊粴獾牟杉?、處理、?chǔ)存、運(yùn)輸和分配過(guò)程中，需要數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的流量計(jì)，其中有些流量計(jì)涉及到的結(jié)算金額數(shù)字巨大，對(duì)測(cè)量和控制準(zhǔn)確度和可靠性要求特別高。此外， 在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，流量測(cè)量?jī)x表也扮演著重要角色。人們?yōu)榱丝刂拼髿馕廴?，必須?duì)污染大氣的煙氣以及其他溫室氣體排放量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；廢液和污水的排放，使地表水源和地下水源受到污染，人們必須對(duì)廢液和污水進(jìn)行處理，對(duì)排放量進(jìn)行控制。于是數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的煙氣排放點(diǎn)和污水排放口都成了流量測(cè)量對(duì)象。同時(shí)在科學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域，需要大量的流量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真與試驗(yàn)。流量計(jì)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、水利建設(shè)、生物工程、管道輸送、航天航空、軍事領(lǐng)域等也都有廣泛的應(yīng)用。二，系統(tǒng)方案1、方案整體思路液體流量控制通常采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)，近年來(lái)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變化， 隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控制的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（pulse width modulation ,簡(jiǎn)稱PWM）控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。這種控制方式很容易在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)，從而為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制數(shù)字化提供了基礎(chǔ)。將 偏差的比例（proportion）、積分（integral）、微分（differential）通過(guò)線性組合構(gòu)成數(shù)字控制量，構(gòu)成數(shù)字PID控制器，它具有非常強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到更好的控制性能。本系統(tǒng)采用C51系列的89S52單片機(jī)為核心，通過(guò)設(shè)置89S52單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM波【2】，對(duì)閥門(mén)電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體流量的控制。單片機(jī)通過(guò)電磁流量計(jì)采集實(shí)際流量信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)對(duì)其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對(duì)PWM變量的值進(jìn)行修改，從而達(dá)到對(duì)流量的閉環(huán)精確控制。2、實(shí)現(xiàn)流程流量控制系統(tǒng)是一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須明確它的組成部分。過(guò)程控制系統(tǒng)的組成部分有：控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象和測(cè)量變送單元，其框圖如圖1所示。 閥門(mén)設(shè)定值流量輸出圖1 流量過(guò)程控制組成框圖電磁流量計(jì)：對(duì)輸出流量進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)定值比較，差值作為控制器的輸入。PID控制器：對(duì)差值進(jìn)行P 、I、D運(yùn)算，輸出對(duì)應(yīng)得模擬量控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)：根據(jù)控制器輸出正反轉(zhuǎn)，控制閥門(mén)開(kāi)度增大或減小。閥門(mén)：直接控制流量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所以，在這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要設(shè)計(jì)以上幾個(gè)部分。除此之外，根據(jù)題目要求，還要選取合適的控制算法來(lái)達(dá)到滿足系統(tǒng)參數(shù)的要求。具體就是確定控制器的算法和如何控制閥門(mén)開(kāi)度，因?yàn)檫@兩部分是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)控制目的的關(guān)鍵。它們選取的好壞將直接影響著整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的優(yōu)劣。3、控制器算法與PWM波形輸出流量是一個(gè)普通而又重要的物理量，在許多領(lǐng)域里人們需對(duì)它進(jìn)行測(cè)量和控制。本系對(duì)流量控制采用PID算法，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于理解和實(shí)現(xiàn)，且一些高級(jí)控制都是以PID為基礎(chǔ)改進(jìn)的。在工業(yè)過(guò)程控制中90%以上的控制系統(tǒng)回路具有PID結(jié)構(gòu)，圖2 PID控制原理框圖PID調(diào)節(jié)器的離散化表達(dá)式為比例調(diào)節(jié)的作用是使調(diào)節(jié)過(guò)程趨于穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差;積分作用可消除被調(diào)量的穩(wěn)態(tài)誤差，但可能會(huì)使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效的減小動(dòng)態(tài)偏差。PWM波形輸出：用89S52單片機(jī)的定時(shí)器0和定時(shí)器1交替工作，產(chǎn)生連續(xù)的與偏差大小有關(guān)的占空比可調(diào)的PWM波形。首先，定時(shí)器0定時(shí)時(shí)間到，產(chǎn)生中斷，置位PWM輸出口并開(kāi)啟定時(shí)器1，定時(shí)器1定時(shí)期間PWM輸出高電平，且定時(shí)器1的定時(shí)時(shí)間可調(diào)，與偏差的PID運(yùn)算結(jié)果有關(guān)，所以能輸出占空比變化的PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制閥門(mén)開(kāi)度和流量。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、總體設(shè)計(jì)框圖及說(shuō)明本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)測(cè)量和控制，采用了89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，由數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)到的流量信號(hào)傳入單片機(jī)，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和控制運(yùn)算，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存，以便與下一次采樣值進(jìn)行比較，根據(jù)系統(tǒng)程序控制，進(jìn)行PID運(yùn)算以及PWM輸出控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終由CPU控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。系統(tǒng)還具有鍵盤(pán)設(shè)定模塊，便于用戶與系統(tǒng)之間的對(duì)話。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，由若干個(gè)功能模塊組成。具體結(jié)構(gòu)圖圖3及說(shuō)明如下， 89S52單片機(jī)鍵盤(pán)數(shù)據(jù)采集直流電機(jī) 閥門(mén)數(shù)據(jù)顯示圖3 功能模塊結(jié)構(gòu)圖鍵盤(pán)設(shè)定：設(shè)定控制系統(tǒng)要求的流量大小。數(shù)據(jù)采集：用滑動(dòng)變阻器分壓模擬流量大小。直流電機(jī)：接收單片機(jī)的控制信號(hào)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，帶動(dòng)閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)。2、部分外部電路設(shè)計(jì)2.1 數(shù)碼管顯示電路采用四聯(lián)排共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示，具有四位數(shù)碼管，這四個(gè)數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g分別接在一起，每一個(gè)都擁有一個(gè)共陰的位選端。P3口控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮情況。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的IO口輸出功率有限，需要使用74LS374芯片進(jìn)行鎖存。此外還用一個(gè)電阻R-PACK8來(lái)保護(hù)LED。2.2、直流電機(jī)控制電路直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。因此采用三極管構(gòu)建H橋【3】，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足各種類型直流電機(jī)需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口，可應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制。單片機(jī)的P10引腳輸出高低電平控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，P11輸出PWM波形控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 具體為： 當(dāng)P10為高電平時(shí)，三極管Q3、Q2導(dǎo)通，所以Q4導(dǎo)通，而Q2導(dǎo)通鉗制電位為0.9V，所以不論P(yáng)11是高還是低，Q1、Q7都不導(dǎo)通，即電機(jī)電流從左向右流，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 當(dāng)P10為低電平，Q3 Q2不導(dǎo)通，所以Q4不導(dǎo)通。當(dāng)P11為高電平時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)P11為低電平是，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 四系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1、程序結(jié)構(gòu)說(shuō)明任何一個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)都離不開(kāi)硬件電路的連接，所以本課題硬件設(shè)計(jì)的高度模塊化決定了軟件設(shè)計(jì)的模塊化。主要包括：主控程序模塊、鍵盤(pán)掃描及處理子程序、采樣數(shù)據(jù)處理子程序、PID算法子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制子程序和顯示等子程序幾個(gè)部分。結(jié)構(gòu)圖如下：主程序鍵盤(pán)輸入數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)采集PID運(yùn)算直流電機(jī)圖4 程序結(jié)構(gòu)圖主控程序模塊在整個(gè)結(jié)構(gòu)中充當(dāng)管理者，管理所有子程序的調(diào)用，就相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)。它主要負(fù)責(zé)初始化各個(gè)I/O口，等待鍵盤(pán)事件的發(fā)生，并作出相應(yīng)的處理。并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候調(diào)用數(shù)據(jù)采樣程序，并將采樣到的數(shù)據(jù)與鍵盤(pán)設(shè)定值比較。再通過(guò)PID計(jì)算后用以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制閥門(mén)開(kāi)度，來(lái)達(dá)到流量的準(zhǔn)確控制。2、程序流程圖及部分程序2.1 主程序說(shuō)明2.1.1 主程序流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化SW=1?？AD轉(zhuǎn)換鍵盤(pán)設(shè)定鍵盤(pán)設(shè)定鍵盤(pán)設(shè)定DR=1？電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)NYYN圖5 主程序流程圖2.1.2主程序具體程序：/*主函數(shù)*/main() /主程序 TMOD=0x21 ; /0b0010 0001 timer0模式1（16位），timer1自動(dòng)重裝載 TH0=0xfc ; /1ms延時(shí)常數(shù) 12M TL0=0x18 ; /低電平時(shí)間調(diào)節(jié) TH1=0x7f; /定時(shí)器1賦初值TL1=0 ; EA=1; ET0=1; ET1=1; /開(kāi)中斷 while(1) if(sw=1) /循環(huán)判斷開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的程序 AD_val(); /調(diào)用TCL549采集處理 display(uuu); else KB_Scan1();display(sc); PID(); /每個(gè)循環(huán)的最后執(zhí)行一次PID運(yùn)算，實(shí)時(shí)控制電機(jī) 從主程序中可以看出，在進(jìn)行一系列程序調(diào)用之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后判斷開(kāi)關(guān)狀態(tài)程序有所反應(yīng)。然后進(jìn)行一系列子程序，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和PID計(jì)算，將其結(jié)果用來(lái)控制直流電機(jī)。2.2 鍵盤(pán)程序2.2.1 鍵盤(pán)掃描及鍵值識(shí)別的原理【4】由于機(jī)械觸點(diǎn)有彈性，在按下或彈起按鍵時(shí)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經(jīng)過(guò)數(shù)毫秒的彈跳時(shí)間，如圖所示。為了保證探險(xiǎn)鍵識(shí)別的準(zhǔn)確性，必須消除抖動(dòng)。消抖處理有硬件和軟件兩種方法：硬件消抖是利用加支抖動(dòng)電路濾避免產(chǎn)生抖動(dòng)信號(hào)；軟件消抖是利用數(shù)字濾波技術(shù)來(lái)消除抖動(dòng)。我們采用軟件的方法，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時(shí)，則說(shuō)明是某鍵按下。對(duì)于鍵值識(shí)別，我們用一條switch語(yǔ)句，把按鍵的編碼和鍵值對(duì)應(yīng)起來(lái)。2.2.2 鍵盤(pán)具體程序void KB_Scan1(void) uchar tmp,line,i,flag,press; /定義局部變量if(lie1=0|lie2=0|lie3=0)return; /判斷是否有鍵按下，如有，返回。消除重鍵問(wèn)題line=0xFE; for(i=1;i=4;i+)P2=line; /依次給P2口低四位送低電平，讀高四位判斷是否有鍵按下。tmp=P2; /讀取鍵盤(pán)口數(shù)據(jù)寄存器 tmp&=0x70;if(tmp!=0x70) tmp=P2;flag=1;break;else line=(line=0) direction=1; /設(shè)定值-采集量0, 電機(jī)正轉(zhuǎn)，開(kāi)大閥門(mén)。if(e2=20) /測(cè)得偏差值與設(shè)定偏差值進(jìn)行比較，若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率正轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=10*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=du;/+out0; TR0=1; /若到達(dá)設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序，進(jìn)行有效功率轉(zhuǎn)動(dòng). else if(e20) direction=0; /設(shè)定值-采集量0, 電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)小閥門(mén)。if(e2-20) /測(cè)得偏差值與設(shè)定偏差值進(jìn)行比較，若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率反轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=10*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=-du;/+out0; TR0=1; /若到達(dá)設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序，進(jìn)行有效功率運(yùn)轉(zhuǎn). out0=out1; 五、結(jié)束語(yǔ)此次課程設(shè)計(jì)是基于過(guò)程控制系統(tǒng)的綜合課設(shè)，要求通過(guò)對(duì)工業(yè)過(guò)程量流量的測(cè)量方法、信號(hào)處理技術(shù)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握測(cè)控對(duì)象參數(shù)檢測(cè)方法、變送器的功能、測(cè)控通道技術(shù)、執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥的功能、過(guò)程控制儀表的PID控制參數(shù)整定方法。我拿到題目和要求，明確本次的重點(diǎn)是一個(gè)控制“系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)流量的控制，分析流量怎么測(cè)，怎么控。就是要完成從信號(hào)采集偏差控制執(zhí)行器對(duì)象輸出整個(gè)的設(shè)計(jì)。所以我先分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，粗略的構(gòu)思了一個(gè)單回路控制系統(tǒng)：即偏差運(yùn)算用PID，輸出PWM波形控制電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)度變化。接下來(lái)就是具體模塊的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，信號(hào)采集模塊我就面臨了選擇，是選擇并行AD轉(zhuǎn)換芯片還是串行AD芯片，再后來(lái)就是數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定，亮度不夠怎么辦，每前進(jìn)一步都是問(wèn)題，這時(shí)就借鑒別人怎么做的，他們的效果是不是比自己的好，這樣不斷的比較和思考，解決了很多問(wèn)題。最大的體會(huì)就是設(shè)計(jì)過(guò)程是解決問(wèn)題的過(guò)程，自己也對(duì)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)后面的控制器模塊、電機(jī)控制模塊，我使用了PID的理論、PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的知識(shí)和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的知識(shí)，通過(guò)大量的查閱資料，在以前純理論的基礎(chǔ)上有很大提高。這次課設(shè)使我對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)有了更深的理解，同時(shí)對(duì)模塊設(shè)計(jì)有了自己的思考和思路，對(duì)以后自己設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)有很好的鋪墊作用。參考文獻(xiàn)【1】 任彥碩等自動(dòng)控制系統(tǒng)M北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006，157【2】張家生. 電機(jī)原理與拖動(dòng)基礎(chǔ)M. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006， 136【3】 馬斌等單片機(jī)原理及應(yīng)用-C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M北京：人民郵電出版社，2009，284-290【4】王宜懷等.嵌入式系統(tǒng)M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008， 132【5】顧德英，張健，馬淑華.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006，106附頁(yè)1：流量控制系統(tǒng)總程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar out0=0x7f ; /賦初值uchar buf3=0,0,0;/全局?jǐn)?shù)組uchar pr=0x57,0x6E,0x5E,0x3E,0x6D,0x5D,0x3D,0x6B,0x5B,0x3B;uchar discode=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;int AD; /轉(zhuǎn)換結(jié)果，十六進(jìn)制int uuu,sc=0; int Int_result, /標(biāo)度變換后的結(jié)果sbit Dataout=P10; /數(shù)據(jù)線sbit cs=P11; /片選sbit sclk=P12; /io口時(shí)鐘sbit dx=P13; /斷碼顯示控制鎖存sbit wx=P14; /位控控制鎖存sbit sw=P17;sbit PWM=P15;sbit direction=P16;void delay1ms(uchar T) /單位時(shí)間1ms延時(shí) uchar time; while(T-) for(time=0;time0) wx=0; P0=0xfb; wx=1; dx=0; P0=discodeshi;/|0x80; /顯示十位 dx=1;delay1ms(1); wx=0; P0=0xfd; wx=1; dx=0; P0=discodebai; /顯示百位 dx=1;delay1ms(1); /*AD轉(zhuǎn)換程序*/AD_val() /TLC549處理 uchar i,temp=0; cs=1;/初始化，啟動(dòng) sclk=0; cs=0; _nop_(); for(i=0;i8;i+)/讀取采集數(shù)據(jù)，讀取的是上一次采集數(shù)據(jù) sclk=1; temp=temp1; if(Dataout) temp |=0x01; sclk=0; cs=1; AD=temp; for(i=0;i5;i+) /延時(shí)17us以上，進(jìn)行復(fù)位 _nop_(); Int_result=AD*100/256; /處理整數(shù) uuu=Int_result; /*鍵盤(pán)掃描程序*/void KB_Scan1()uchar tmp,line,i,j,flag,press;line=0x7E;for(i=1;i=4;i+)P3=line; tmp=P3; tmp&=0x70;if(tmp!=0x70) tmp=P3;flag=1;break;else line=(line1)|0x01;if(i=5) tmp=0xFF;flag=0;for(j=0;j=0) direction=1; /設(shè)定值-采集量0,電機(jī)正轉(zhuǎn)if(e2=20) /測(cè)得偏差值與設(shè)定偏差值進(jìn)行比較，若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=kp*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=du;/+out0; TR0=1; /若到達(dá)設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序 else if(e20) direction=0; /設(shè)定值-采集量0,電機(jī)反轉(zhuǎn)if(e2-20) /測(cè)得偏差值與設(shè)定偏差值進(jìn)行比較，若不在設(shè)定范圍內(nèi)則滿功率反轉(zhuǎn)。 TR0=0;PWM=1; else du=10*e2;/(e2-e1)+ki*e2+kd*(e2-2*e1+e0); / PID算法 out1=-du;/+out0; TR0=1; /若到達(dá)設(shè)定范圍則調(diào)用PID程序. out0=out1; /*PWM輸出程序*/*/ 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序./*/void timer0() interrupt 1 TR0=0 ; TH0=0xff ; TL0=0xdb ; TH1=0xff-out0 ;/初值等于模數(shù)減去計(jì)數(shù)個(gè)數(shù) TR1=1 ; PWM=1 ; /啟動(dòng)輸出/*/ 定時(shí)器1中斷服務(wù)程序/*/void timer1() interrupt 3 TR1=0 ; PWM=0 ; /結(jié)束輸出TR0=1;/*主函數(shù)*/main() /主程序 TMOD=0x21 ; /0b0010 0001 timer0模式1（16位）timer1自動(dòng)重裝載 TH0=0xfc ; /1ms延時(shí)常數(shù) 12M TL0=0x18 ; /頻率調(diào)節(jié) TH1=0x7f; /高電平時(shí)間調(diào)節(jié) TL1=0 ; EA=1; ET0=1; ET1=1; while(1) if(sw=1) AD_val();/調(diào)用TCL549采集處理 display(uuu); else KB_Scan1();display(sc); PID(); 目 錄第一章 過(guò)程控制儀表課程設(shè)計(jì)的目的意義11.1 設(shè)計(jì)目的11.2 課程在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用1第二章 流量控制系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)部分）22.1 控制系統(tǒng)工藝流程22.2 控制系統(tǒng)的控制要求32.3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試4第三章 HPF脫硫工藝流程及控制要求63.1 控制系統(tǒng)工藝流程63.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求7第四章 總體設(shè)計(jì)方案84.1 設(shè)計(jì)思想8 4.2 總體設(shè)計(jì)流程圖84.3 硬件設(shè)計(jì)概要84.4 硬件選型94.5 硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖及其說(shuō)明15第五章 軟件設(shè)計(jì)175.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖及其說(shuō)明17第六章 系統(tǒng)調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方法20第七章 收獲、體會(huì)23附錄1 源程序及其說(shuō)明24參考文獻(xiàn)37第一章 微控制器應(yīng)用系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的目的意義1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋菊n程設(shè)計(jì)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，使學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手對(duì)一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制對(duì)象進(jìn)行儀表設(shè)計(jì)與選型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)儀表及其理論與設(shè)計(jì)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。課程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程經(jīng)常遇到的壓力、流量、液位及溫度控制系統(tǒng)，使學(xué)生將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有效的鞏固與提高理論教學(xué)效果。1.2 課程設(shè)計(jì)在教學(xué)計(jì)劃中的地位和作用 本課程設(shè)計(jì)是為過(guò)程控制儀表課程而開(kāi)設(shè)的綜合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、過(guò)程控制儀表、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等前期課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的綜合應(yīng)用，使學(xué)生加深對(duì)過(guò)去已修課程的理解，用本課程所學(xué)的基本理論和方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，解決過(guò)程控制領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生今后從事過(guò)程控制領(lǐng)域的工作打下基礎(chǔ)。因此本課程在教學(xué)計(jì)劃中具有重要的地位和作用。第二章 流量控制系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)部分）2.1 控制系統(tǒng)工藝流程MFC1FT1VL1Q1 電加熱器MSSR圖2.1 內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)工藝流程圖說(shuō)明：FT為流量變送器，F(xiàn)C為智能調(diào)節(jié)器，VL為電動(dòng)閥，SSR為固態(tài)繼電器控制輸出，Q表示流量。圖2.3同。被控制量Q1給定量Qs偏差Qi調(diào)節(jié)器D/A電子閥流量對(duì)象內(nèi)容器擾動(dòng)f流量變送器無(wú)紙記錄儀A/D反饋Qf-+圖2.2 內(nèi)容器單閉環(huán)流量控制系統(tǒng)方塊流程圖PID智能調(diào)節(jié)器MFC1FT1VL1Q1 電加熱器MSSR圖2.3 雙閉環(huán)比值控制工藝流程圖FT2FC2KQ2給定量Qs偏差Qi調(diào)節(jié)器FC1調(diào)節(jié)閥VL1流量對(duì)象內(nèi)容器流量檢測(cè)及變送器FT1反饋Qf-+Q1乘法器K-調(diào)節(jié)器FC2調(diào)節(jié)閥VL2流量對(duì)象夾套Q2流量檢測(cè)及變送器FT1+圖2.4 雙閉環(huán)比值控制方塊流程圖2.2 控制系統(tǒng)的控制要求2.2.1 單閉環(huán)控制要求給定流量范圍為0400L/h，流量從200L/h穩(wěn)態(tài)向300L/h穩(wěn)態(tài)過(guò)渡的調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)100s，超調(diào)量不超過(guò)5%，穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)5%.2.2.2 雙閉環(huán)比值控制主回路（圖2.4中FC1調(diào)節(jié)的回路）要求如單閉環(huán)控制要求，副回路（FC2調(diào)節(jié)的回路）的比值K可在流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.51.5的比例控制，具體情況分為主回路Q1穩(wěn)定，改變比值K：副回路的調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)100S，超調(diào)量不超過(guò)5%，穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)5%比值K確定，主回路Q1隨給定Qs改變：在Q1穩(wěn)定在給定Qs后，副回路調(diào)節(jié)時(shí)間不超過(guò)50s，超調(diào)量不超過(guò)5%，穩(wěn)態(tài)誤差不超過(guò)5%2.3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試2.3.1單閉環(huán)流量控制在實(shí)驗(yàn)面板上接好線，確認(rèn)無(wú)誤后打開(kāi)實(shí)驗(yàn)機(jī)柜電源和水泵開(kāi)關(guān)；將智能調(diào)節(jié)器FC1設(shè)置為單路輸入內(nèi)給定、人工模糊自整定PID調(diào)節(jié)方式；調(diào)節(jié)PID參數(shù)：積分分離值為0，先使積分時(shí)間TI為一較大值，微分時(shí)間TD為0；調(diào)節(jié)比例帶P，使流量Q1能穩(wěn)定到給定值附近，且過(guò)渡時(shí)間不太大、超調(diào)量滿足工藝要求；再調(diào)節(jié)積分時(shí)間TI，使流量Q1的穩(wěn)態(tài)誤差減小以滿足工藝要求。若此時(shí)過(guò)渡時(shí)間也能達(dá)到工藝要求，則可以不要微分作用，若不能滿足則慢慢增加微分時(shí)間TD，使調(diào)節(jié)時(shí)間減小以滿足工藝要求。說(shuō)明：在調(diào)節(jié)比例帶P使流量能穩(wěn)定到給定值附近后，主要需解決的是減少穩(wěn)態(tài)誤差（減小TI）、減少超調(diào)量（增加比例帶P或積分時(shí)間TI）和減少過(guò)渡時(shí)間（增加微分時(shí)間TD或減小積分時(shí)間TI），P、TI、TD這3個(gè)參數(shù)主要需調(diào)節(jié)的是P和TI，觀察無(wú)紙記錄儀的響應(yīng)曲線，多試幾組參數(shù)，使流量控制達(dá)到工藝要求。2.3.2雙閉環(huán)比值控制在2.3.1中單閉環(huán)流量控制已滿足工藝要求的前提下，將其做為主回路，不需再改動(dòng)其參數(shù)。將調(diào)節(jié)器FC2設(shè)置為雙路輸入外給定、人工模糊自整定PID調(diào)節(jié)方式。將比值器設(shè)置為加法方式，比例系數(shù)A=0.5（0.51.5均可），B=0。Q1穩(wěn)定后，副回路的給定也就一定了。調(diào)節(jié)PID參數(shù)（調(diào)節(jié)方法如單閉環(huán)控制），給調(diào)節(jié)器FC2選擇合適的PID值以滿足工藝要求。特別說(shuō)明：以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的調(diào)試問(wèn)題在第七章詳細(xì)講述，此處只說(shuō)明步驟。第三章 HPF脫硫工藝流程及控制要求3.1 控制系統(tǒng)工藝流程HPF法脫硫是國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)的技術(shù),它是以氨為堿源液相催化氧化脫硫新工藝,采用的催化劑HPF是一種復(fù)合催化劑,它對(duì)脫硫和再生過(guò)程均有催化作用。所產(chǎn)廢液完全可以回兌到煉焦煤中,從而大大簡(jiǎn)化了工藝流程。脫硫、脫氰效率較高,一般可達(dá)到塔后煤氣含H2S100mg/m3，含HCN300mg/m3。HPF法脫硫的工藝流程是:鼓風(fēng)機(jī)后的煤氣進(jìn)入預(yù)冷塔與塔頂噴灑的冷卻水逆向接觸,被冷卻為30，冷卻水從塔下部用泵抽出,送外冷器被低溫水冷至28送回塔頂循環(huán)噴灑。采取部分剩余氨水更新循環(huán)冷卻水,多余循環(huán)水返回機(jī)械化氨水澄清槽。預(yù)冷后的焦?fàn)t煤氣經(jīng)過(guò)兩臺(tái)并聯(lián)的脫硫塔,從塔頂噴淋脫硫液以吸收煤氣中的H2S、HCN(同時(shí)吸收氨,以補(bǔ)充脫硫脫氰過(guò)程中消耗的氨)。脫H2S后的煤氣送入洗滌工段。兩臺(tái)并聯(lián)的脫硫塔都有自己獨(dú)立的再生系統(tǒng)，吸收了H2S、HCN的溶液從塔溜出，經(jīng)液封槽進(jìn)入各自獨(dú)立的反應(yīng)槽，再經(jīng)溶液循環(huán)泵送入再生塔。同時(shí)由空氣壓縮機(jī)送來(lái)的壓縮空氣鼓入再生塔底部,溶液在塔內(nèi)即得到再生。再生后溶液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器返回各自對(duì)應(yīng)的脫硫塔循環(huán)使用。浮于再生塔頂?shù)牧蚺菽梦徊盍魅肱菽?硫泡沫經(jīng)泡沫泵送入戈?duì)柲み^(guò)濾器分離,清液流入反應(yīng)槽,硫膏經(jīng)壓縮空氣壓榨成硫餅裝袋外銷。為避免脫硫液鹽類積累影響脫硫效果,排出少量廢液送往配煤。脫硫工藝的流程如圖3.1所示。圖中L表示液位；P表示壓力；T表示溫度；F表示流量；I表示指示；C表示控制；V表示閥門(mén)；Q表示累計(jì)。圖3.1 HPF脫硫工藝流程流程圖3.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1).循環(huán)上水的流量范圍在8001000m3/h，精度要求為5%。2).抽水高度（即預(yù)冷塔高度）約20m。第四章 總體設(shè)計(jì)方案4.1 設(shè)計(jì)思想 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于循環(huán)水的抽送、流量的檢測(cè)和控制，分別可以通過(guò)選擇合適的工業(yè)水泵、流量計(jì)、無(wú)紙記錄儀和流量積分演算智能調(diào)節(jié)器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥完成相關(guān)功能。另外，假設(shè)氨水與循環(huán)上水的流量比值有固定要求，可增加比值器實(shí)現(xiàn)流量比值控制。設(shè)循環(huán)上水的流量為主控量Q1，氨水的流量給定則為Q2s=Q1*K，二者的配比為氨水：循環(huán)上水=K：1，則可用實(shí)驗(yàn)中的流量比值控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該控制環(huán)節(jié)。4.2 總體設(shè)計(jì)流程圖循環(huán)上水給定量Q1s偏差Q1i調(diào)節(jié)器FC1調(diào)節(jié)閥VL1循環(huán)上水流量檢測(cè)及變送器FT1反饋Q1f-+Q1比值器K-調(diào)節(jié)器FC2調(diào)節(jié)閥VL2氨 水Q2流量檢測(cè)及變送器FT1+圖4.1 雙閉環(huán)比值控制方塊流程圖4.3 硬件設(shè)計(jì)概要 硬件設(shè)計(jì)主要是智能調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，可采用單片機(jī)做實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片，結(jié)合外圍電路實(shí)現(xiàn)流量信號(hào)的變換、采集、PID運(yùn)算與控制輸出等功能。為了能實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，需增加鍵盤(pán)掃描電路；為了顯示PID參數(shù)和流量的大小，需增加顯示模塊。4.4 硬件選型4.4.1 智能調(diào)節(jié)器的自行設(shè)計(jì)I/V轉(zhuǎn)換可用OP07構(gòu)成的比例放大器實(shí)現(xiàn)。由于ADC0809的轉(zhuǎn)換速度只有幾十微妙，相對(duì)流量的變化時(shí)間很小，可以不要保持器。而ADC0809與DAC0832都是八位的轉(zhuǎn)換器件，理論上的控制精度可達(dá)到1/255*100%=0.4%，足以滿足流量控制的精度要求。V/I轉(zhuǎn)換可用RCV420轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)選擇STC89C52一是CMOS工藝的單片機(jī)功耗較低；二是價(jià)格便宜；再者內(nèi)部程序存儲(chǔ)器有8KB的FLASH ROM，能滿足絕大部分工控過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的燒寫(xiě)需求。顯示部分用LCD，采用長(zhǎng)沙太陽(yáng)人電子的SMC1602a字符型液晶顯示器。鍵盤(pán)掃描可用8279加4*4矩陣鍵盤(pán)以中斷方式實(shí)現(xiàn)。4.4.2 智能調(diào)節(jié)器選型4.4.1的部分可以用虹潤(rùn)的HR-WP-XLS80智能調(diào)節(jié)器代替，其參數(shù)如下輸入信號(hào)：模 擬 量 熱電偶：B、E、J、K、S、T、WRe3-25、F2 電阻：Pt100、Pt100.1、Cu50、Cu100、BA1、BA2 電流 010mA、420mA、020mA，輸入阻抗250 電壓 05V、15V 波 形 矩形、正弦或三角波幅度 光電隔離，大于4V（或根據(jù)用戶要求任定） 頻 率 010KHz（或根據(jù)用戶要求任定）輸出信號(hào)：模擬量輸出DC 010mA（負(fù)載電阻750） DC 420mA（負(fù)載電阻500） DC 05V（負(fù)載電阻250K） DC 15V（負(fù)載電阻250K）報(bào)警輸出 繼電器控制輸出繼電器ON/OFF帶回差。AC220V/3A，DC24V/6A（阻性負(fù)載）通訊輸出 光電隔離，RS-485/RS-232C接口，波特率12009600bps可設(shè)置， 采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通信協(xié)議饋電輸出 DC241V，負(fù)載電流30mA精度： 測(cè)量顯示精度 0.5%FS或0.2%FS頻率轉(zhuǎn)換精度 1脈沖（LMS）一般優(yōu)于0.2%顯示方式： 099999瞬時(shí)流量測(cè)量值顯示0累積值顯示-1999999999溫度補(bǔ)償測(cè)量值顯示-1999999999壓力補(bǔ)償測(cè)量值顯示-1999999999流量（差壓、頻率）測(cè)量值顯示高亮度LED（數(shù)碼管）測(cè)量顯示發(fā)光二極管工作狀態(tài)顯示設(shè)定方式： 面板輕觸式按鍵數(shù)字設(shè)定參數(shù)設(shè)定值斷電后永久保存參數(shù)設(shè)定值密碼鎖定保護(hù)方式： 斷電后流量累積值時(shí)間保持大于兩年，設(shè)定參數(shù)永久性保持 電源欠壓自動(dòng)復(fù)位工作異常自動(dòng)復(fù)位（Watch Dog）使用環(huán)境： 環(huán)境溫度 050相對(duì)濕度 85%RH 避免強(qiáng)腐蝕性氣體工作電源： 常規(guī)型 AC220V%（50Hz2Hz，線性電源） 特殊型 AC90V265V開(kāi)關(guān)電源 DC24V2V開(kāi)關(guān)電源功 耗： 6W（AC220V線性電源供電） 6W（AC90265V開(kāi)關(guān)電源供電） 6W（DC24V電源供電）重 量： 500g(AC220V供電) 300g(開(kāi)關(guān)電源)除智能調(diào)節(jié)器以外的硬件選擇如下：4.4.3電動(dòng)調(diào)節(jié)閥選型采用湖南力升信息設(shè)備有限公司的LSDZ-50電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，技術(shù)指標(biāo)如下出軸力矩(N.m)：50動(dòng)作范圍：0360動(dòng)作時(shí)間（S）:20驅(qū)動(dòng)電機(jī)（W）:10控制電路選項(xiàng):4-20mA輸入位置輸出：4-20mA直流動(dòng)力電源：220VAC 50Hz精度：定位精度：0.5%，位置反饋精度：0.5%環(huán)境溫度：-25+55重量：2Kg4.4.4流量計(jì)選型采用北京尺度方圓傳感器有限公司的LWGY-250A05S，技術(shù)指標(biāo)如下精度： 0.5%R口徑： 250mm, 標(biāo)準(zhǔn)量程1201200m3/h重復(fù)性： 0.05%0.2%4.4.5比值器選型采用虹潤(rùn)的HR-WP-XQS80，技術(shù)指標(biāo)如下特性顯示方式：以雙排四位LED顯示第一路測(cè)量值（PV1）和第二路測(cè)量值（PV2），以紅色/綠色光柱進(jìn)行兩路測(cè)量值百分比的模擬顯示。顯示范圍：-19999999字。測(cè)量精度：0.2%FS或0.5%FS；0.1%FS（需特殊訂制）。分 辨 率：1字。報(bào)警方式：1-4個(gè)報(bào)警點(diǎn)控制（1AL、2AL、3AL、4AL）LED指示。報(bào)警精度：1字。保護(hù)方式