氨冷器被冷卻介質(zhì)出口溫度液位超馳控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)

1、氨冷器被冷卻介質(zhì)出口溫度-液位超馳控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)摘要氨冷器主要的作用是為了使醋酸銅氨液再生以便循環(huán)使用。為了達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)的要求，在簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上疊加一個(gè)液位超馳系統(tǒng)，即溫度-液位超馳控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)中需要用到溫度及液位調(diào)節(jié)器，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器采用DDZ-型電動(dòng)組合儀表，而隨著單片機(jī)在控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用, 利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)控制算法, 具有更大的靈活性、可靠性和更好的控制效果。因此，本論文主要設(shè)計(jì)智能化的溫度-液位超馳控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為主控單元，采用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度采集，使用液位變送器采集液位信號(hào)，使用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)化器，具

2、有溫度和液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，采用LCD12864液晶模塊進(jìn)行數(shù)字顯示。同時(shí)，本文還詳細(xì)的給出了部分相關(guān)的硬件電路圖和軟件流程圖，并編制了匯編程序。關(guān)鍵詞：超馳控制系統(tǒng)，89C51單片機(jī)，DS18B20，A/D轉(zhuǎn)化器，LCD顯示THE INTELLIGENT DESIGN OF AMMONIA COOLER OVERRIDE CONTROL SYSTEM BYTHE COOLING MEDIUM OUTLET TEMPERATURE-FLUID POSITIONABSTRACTAmmonial main role is to make renewable liquid ammonia coppe

3、r acetate for recycling. In order to achievetheproductioncontrolsystemrequirements, superposition a solution on thebasis of simpletemperaturecontrolsystemforsuperrelaxationsystem, that is, temperature - leveloverridecontrolsystem. Theneed to controlsystem of temperatureandLiquidLevelregulatorregulat

4、orDDZ-typeelectriccombination of traditionalinstruments, butwiththewideapplication of SingleChipComputer in controlfield, usingcomputersoftwarerealization of controlalgorithmwithgreaterflexibility, reliability, andbettercontrol. therefore, ThispapermainlytheDesign of IntelligentTemperature - levelov

5、erridecontrolsystem, thesystem of AT89C51 Single - ChipMicrocomputerformaincontrolunit, Temperature Sensor DS18B20 temperature collection, using liquid liquid level sensor collecting signalusingADC 0809 as the AD converter, withtemperatureandliquidlevel automatic adjustmentfunctions, use LCD12864 LC

6、Ddigitaldisplay. meanwhile, It alsogivessome of themorerelevantsoftwareandhardwarecircuitdiagram a flowchart, andcompilingtheassembler.KEYWORDS:override control system,c51monolithic, ds18b20,ad converters,lcd display目錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 研究背景及意義1氨冷器溫度-液位超馳控制系統(tǒng)概述1智能化設(shè)計(jì)背景及優(yōu)點(diǎn)21.2 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)和要實(shí)現(xiàn)的功能21.3 主要研究

7、內(nèi)容32 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案32.1 系統(tǒng)工作原理32.2 總體設(shè)計(jì)方案42.2.1 溫度采集方案的選擇42.2.2 顯示電路方案的選擇42.2.3 聲光報(bào)警電路方案的選擇52.2.4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)53 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)63.1 核心控制模塊的設(shè)計(jì)6AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介6 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)83.2 溫度采集模塊的設(shè)計(jì)93.2.1 溫度傳感器DS18B209DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路123.3 液位采集模塊的設(shè)計(jì)14液位變送器的選擇14液位采集電路153.4 AD和DA轉(zhuǎn)換器163.4.1 ADC0809芯片16 DAC0832芯片193.5 執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)223

8、.6 設(shè)定模塊的結(jié)構(gòu)及功能233.7 顯示模塊的設(shè)計(jì)243.8 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)253.9 電源模塊的設(shè)計(jì)254 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)264.1主程序的設(shè)計(jì)264.1.1 T0中斷模塊264.2 PID算法的設(shè)計(jì)274.3 各功能模塊子程序的設(shè)計(jì)29溫度處理程序30A/D轉(zhuǎn)換子程序31顯示程序32鍵盤(pán)子程序32總結(jié)33參考文獻(xiàn)34附錄A 程序清單35致謝421緒論1.1研究背景及意義氨冷器溫度-液位超馳控制系統(tǒng)概述氨氣在合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，采用醋酸銅氨液吸收變化氣體中的一氧化碳和二氧化碳，吸收是一個(gè)放熱反應(yīng)，吸收一氧化碳與二氧化碳的醋酸銅氨液溫度高達(dá)80以上，為了使醋酸銅氨液再生以便循環(huán)使用。其關(guān)鍵性的

9、一個(gè)步驟就是將飽和的醋酸銅氨液冷卻到810，其冷卻過(guò)程主要是借助于氨冷器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸銅氨液的熱量，使銅氨液的溫度下降這一原理進(jìn)行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的時(shí)間，氨冷器在某一個(gè)液位高度上汽化面積為最大，因此，當(dāng)液氨高度超過(guò)最大的汽化面積高度后，液位越高汽化面積越小，調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)反常現(xiàn)象，這是氨冷器調(diào)節(jié)的一個(gè)重要特點(diǎn)。為了達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)的要求，在簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上疊加上一個(gè)液位超馳調(diào)節(jié)系統(tǒng)。如圖1-1所示。圖1-1氨冷器溫度-液位超馳控制系統(tǒng)正常工況下，如果溫度升高，溫度控制器輸出控制液氨流量。增加液氨量，經(jīng)液氨的蒸發(fā)，使出口溫度下降。如果液位上升到

10、軟限液位設(shè)定仍不能降低溫度，由液位控制器取代溫度控制器，根據(jù)液位控制進(jìn)氨量，保護(hù)了后續(xù)設(shè)備，一旦溫度下降，溫度控制器輸出與液位控制器輸出相等，并繼續(xù)下降時(shí)，溫度控制器就自動(dòng)取代液位控制器，工藝操作恢復(fù)到正常工況。在該控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器既可安裝在液氨管線(xiàn)上，也可安裝在氨氣管線(xiàn)上，調(diào)節(jié)閥安裝在氨氣管線(xiàn)上對(duì)象遲后較小，反應(yīng)比較靈敏，但缺點(diǎn)是需要用一個(gè)較大管徑耐高壓的氣體閥門(mén)，這種閥門(mén)成本比較高，而且受氨氣的腐蝕比液氨嚴(yán)重得多，所以調(diào)節(jié)閥一般是安裝在液氨管線(xiàn)上。無(wú)論在正常工況下，還是在異常工況下，總是有調(diào)節(jié)器處于開(kāi)環(huán)待命狀態(tài)。對(duì)于處于開(kāi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，其偏差長(zhǎng)時(shí)間存在，如果有積分控制作用，其輸出將進(jìn)入深度

11、飽和狀態(tài)。一旦選擇器選中這個(gè)調(diào)節(jié)器工作，調(diào)節(jié)器因處于飽和狀態(tài)而失去控制能力，只能等到退出飽和以后才能正常工作。所以在超馳控制系統(tǒng)中，對(duì)有積分作用的調(diào)節(jié)器必須采取抗積分飽和措施。而對(duì)于計(jì)算機(jī)在線(xiàn)運(yùn)行的控制系統(tǒng)，只要利用計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能進(jìn)行適時(shí)切換即可。智能化設(shè)計(jì)背景及優(yōu)點(diǎn)目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳

12、感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)采用的傳感器是溫度傳感器。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器多為模擬調(diào)節(jié)器, 這種調(diào)節(jié)器多用電動(dòng)或氣動(dòng)單元組合儀表來(lái)完成,隨著微機(jī)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,特別是單片機(jī)在控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用, 利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)控制算法, 具有更大的靈活性、可靠性和更好的控制效果。因此, 以單片微機(jī)為中心、采用數(shù)字算法的數(shù)字調(diào)節(jié)器正不斷代替模擬調(diào)節(jié)器。自從80年代初期數(shù)字調(diào)節(jié)器推出以來(lái),隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字調(diào)節(jié)器不斷向智能化、微型化調(diào)節(jié)器發(fā)展，調(diào)節(jié)器的功能也不斷進(jìn)步,由于數(shù)字設(shè)定、運(yùn)算功能的

13、增強(qiáng),不僅使調(diào)節(jié)器的功能大幅度提高,而且由PID自整定、多種信號(hào)制輸入、自由電源、EEPROM等新技術(shù)的使用,使用戶(hù)操作變得簡(jiǎn)單化,并且減少了庫(kù)存,方便了備品備件的管理。PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)掌握電路設(shè)計(jì)和89C51程序設(shè)計(jì)的思路與方法，掌握氨冷器控制系統(tǒng)的意義與運(yùn)用，結(jié)合單片機(jī)與傳感器技術(shù)對(duì)溫度及液位進(jìn)行

14、檢測(cè)和控制以使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短，振蕩次數(shù)減少控制，生產(chǎn)安全成為本系統(tǒng)研究的主要目的和意義。1.2設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)和要實(shí)現(xiàn)的功能1. 優(yōu)點(diǎn)1) 引入超馳系統(tǒng)防止液氨液位超過(guò)最大汽化面積高度。本系統(tǒng)的控制目標(biāo)是維持溫度在給定值附近（810)，液位僅作為系統(tǒng)的一個(gè)參考信號(hào)，在正常工況下，液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)液氨調(diào)節(jié)閥不起作用，只是在當(dāng)液位超過(guò)時(shí)才切斷溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，有液位調(diào)節(jié)器取代溫度調(diào)節(jié)器對(duì)液氨調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，不使超過(guò),當(dāng)信號(hào)低于時(shí)，又重新由溫度調(diào)節(jié)器對(duì)液氨調(diào)節(jié)法進(jìn)行控制。保證自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用安全。2) 智能調(diào)節(jié)器包含四個(gè)獨(dú)立程序，即溫度控制程序、液位控制程序、低選程序、報(bào)警輸出功

15、能。溫度控制程序用來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制；液位控制程序用來(lái)控制液位；低選程序即在單片機(jī)中設(shè)定門(mén)限值程序，根據(jù)數(shù)字溫度和液位調(diào)節(jié)器的輸出，來(lái)進(jìn)行適時(shí)切換。報(bào)警輸出功能即當(dāng)溫度和液位超過(guò)限定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。總的來(lái)說(shuō)，氨冷器控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)，可以在線(xiàn)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)和程序的修改，使控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間縮短，振蕩次數(shù)減少等優(yōu)點(diǎn)。2. 要實(shí)現(xiàn)的功能(1) 完成基于PID的超馳調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；(2) 實(shí)現(xiàn)溫度環(huán)和液位環(huán)的自動(dòng)控制及切換；(3) 具有溫度液位顯示功能；(4) 具有鍵盤(pán)設(shè)定PID控制參數(shù)功能；(5) 當(dāng)超過(guò)報(bào)警范圍時(shí)能通過(guò)聲光報(bào)警。1.3主要研究?jī)?nèi)容本文主要以AT89C5

16、1單片機(jī)為核心，結(jié)合傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超馳控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)，主要研究其基本工作原理，硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，其中硬件部分包括核心控制模塊AT89C51單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)；軟件部分包括系統(tǒng)程序控制流程圖以及主程序及各功能模塊程序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要涉及到如下工作：(1) 研究與分析PID控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出本設(shè)計(jì)的最終方案。(2) 選擇以單片機(jī)為核心的中央處理器。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，熟悉AT89C51單片機(jī)匯 編語(yǔ)言的設(shè)計(jì)流程和開(kāi)發(fā)環(huán)境。同時(shí)對(duì)各功能模塊進(jìn)行軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。(3) 在學(xué)習(xí)單片機(jī)的基礎(chǔ)上，完成硬件電路各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫(xiě)，以及電

17、路仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)工作原理在溫控部分，用89C51單片機(jī)為中央處理器，通過(guò)溫度傳感器DS18B20采集溫度信號(hào)，ADC0809將采集到的溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制顯示器，并進(jìn)行PID處理，然后經(jīng)DAC0832輸出模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電氣轉(zhuǎn)換器QZD-1000，繼而控制液氨調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)液氨的進(jìn)出量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。在液位控制部分，當(dāng)液位低于最大汽化面積高度時(shí)，液位變送器的輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)僅控制顯示器顯示此時(shí)的液位；當(dāng)液位超過(guò)最大汽化面積高度時(shí)，單片機(jī)中的門(mén)限值判斷程序會(huì)做出相應(yīng)動(dòng)作，此時(shí)切斷溫度調(diào)節(jié)程序，由液位調(diào)節(jié)

18、程序取代，控制液氨調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)液氨的進(jìn)出量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，不使超過(guò)，當(dāng)信號(hào)低于時(shí)，又重新由溫度調(diào)節(jié)程序?qū)σ喊闭{(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。在溫度和液位超出限定值時(shí)，會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警。2.2總體設(shè)計(jì)方案超馳控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)溫度液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，維持溫度在給定值附近，系統(tǒng)安全運(yùn)行。本設(shè)計(jì)的基本系統(tǒng)構(gòu)成主要包括單片機(jī)核心控制模塊、溫度液位采集模塊、執(zhí)行模塊、報(bào)警模塊等。溫度采集方案的選擇方案一：采用傳統(tǒng)的熱電阻傳感器測(cè)量溫度值，再將信號(hào)送入溫度變送器，輸出標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)。成本簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，涉及多個(gè)元器件。方案二：采用集成溫度傳感器DS18B20，DS18

19、B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。獨(dú)特的單線(xiàn)接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信，不需經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換再送入單片機(jī)中綜合各項(xiàng)因素，選擇方案二。顯示電路方案的選擇方案一：顯示電路采用4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，從P3口RXD,TXD串口輸出段碼。顯示電路是使用的串口顯示，最大的優(yōu)點(diǎn)就是使用口資源比較少，該顯示電路只使用單片機(jī)的3個(gè)端口P1.7，P3.0,P3.1。并配以4片串入并出移位寄存器74LS164（LED驅(qū)動(dòng)）四只數(shù)碼管采用74LS164右移

20、寄存器驅(qū)動(dòng)，顯示比較清晰。但結(jié)構(gòu)為復(fù)雜。方案二：采用LCD12864作為顯示信息器件，與用戶(hù)進(jìn)行友好交互。LCD12864是專(zhuān)門(mén)用于顯示漢字、字母、數(shù)字、符號(hào)的顯示模塊，具有功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富等諸多優(yōu)點(diǎn)，在低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到很廣泛。LCD12864，即像素為128*64的顯示液晶。其每一行最多可以顯示8個(gè)中文，16個(gè)半寬字體。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類(lèi)型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多。綜合考慮，選用方案二。聲光報(bào)警電路方案的選擇方案一：采用蜂鳴器和高亮發(fā)光二極管組成聲光報(bào)警電路。它是高電平報(bào)警，一旦監(jiān)測(cè)到溫度、液位值達(dá)到報(bào)警限時(shí)，就發(fā)出報(bào)警

21、。該電路簡(jiǎn)單、可靠。方案二：采用語(yǔ)音芯片，在超過(guò)上下限時(shí)能夠通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行報(bào)警，其人機(jī)交互友好，但控制復(fù)雜，成本較高。綜合考慮，選用方案一。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過(guò)溫度采集模塊對(duì)氨冷器出口溫度信號(hào)進(jìn)行采樣，同時(shí)液位采集模塊也對(duì)氨冷器中液氨高度進(jìn)行采樣，將采集到的信號(hào)送到89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)在正常工況時(shí)，采用溫度調(diào)節(jié)程序，最后單片機(jī)將處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出，驅(qū)動(dòng)電氣轉(zhuǎn)換器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)氣壓信號(hào)，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制液氨的進(jìn)入量，從而實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)；在液位超過(guò)最大汽化面積高度時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向液位調(diào)節(jié)程序，使液位高度恢復(fù)正常值，又重新由溫度調(diào)節(jié)程序?qū)σ喊闭{(diào)節(jié)閥進(jìn)行控

22、制。另外，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前溫度值和液位值超限的報(bào)警等功能?？傮w方案如圖2-1。圖2-1總體設(shè)計(jì)方案框圖3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1核心控制模塊的設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） ，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。其管腳圖如

23、圖3-1所示。圖3-1 AT89C51管腳圖1. 主要性能參數(shù)u 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容u 4k字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器 u 1000次擦寫(xiě)周期u 全靜態(tài)操作：0Hz24MHzu 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器u 128×8字節(jié)內(nèi)部RAMu 32個(gè)可編程IO口線(xiàn) u 2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器u 6個(gè)中斷源u 可編程串行UART通道u 低功耗空閑和掉電模式2. 功能特性概述AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè) IO口線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51

24、可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3. 引腳功能說(shuō)明(1) VCC為電源電壓，GND為地。(2) P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向 IO 口，也即地址數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在FIash編程時(shí)，P

25、0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。(3) P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVXRI 指令）時(shí)，P2 口線(xiàn)上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容

26、），在整個(gè)訪(fǎng)問(wèn)期間不改變。 Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。(4) P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL輯門(mén)電路。對(duì) P3 口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用拉電阻輸出電流（IIL）。 P3口除了作為一般的IO口線(xiàn)外，更重要的用途是它的第二功能。如表3-1所示：表3-1第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)計(jì)數(shù)器0外部輸入）P3.

27、5T1（定時(shí)計(jì)數(shù)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。(5) RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。(6) ALEPROG：當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 l6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。

28、 如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH單元的DO位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。(7) PSEN程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。(8) EAVPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編

29、程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。 如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。(9) XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。(10) XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)89C51單片機(jī)有4KEPROM,所以不需外擴(kuò)EPROM，所以我們將AT89C51芯片的第31腳（/VPP）固定接高電平。單片機(jī)的時(shí)鐘電路有一個(gè)12M的晶振和兩個(gè)30P的小電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為1微秒。復(fù)位電路由22UF的電容

30、和1K的電阻及IN4148二極管組成，以前教科書(shū)上常推薦用10UF電容和10K電阻組成復(fù)位電路，這里我們根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選用22UF的電容和1K的電阻，其好處是在滿(mǎn)足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。二極管的作用是起快速泄放電容電量的功能，滿(mǎn)足短時(shí)間多次復(fù)位都能成功。如圖3-2所示。圖3-2 AT89C51最小系統(tǒng)電路圖3.2溫度采集模塊的設(shè)計(jì)溫度傳感器DS18B20DS18B20溫度傳感器是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9

31、12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。T092封裝的DS18B20的引腳排列見(jiàn)圖3-3。圖3-3 DS18B20（底視圖）其引腳功能描述見(jiàn)表3-2。表3-2引腳功能序號(hào)名稱(chēng)引腳功能描述1GND地信號(hào)2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開(kāi)漏單總線(xiàn)接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：u 獨(dú)特的單線(xiàn)接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；u 多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；u 無(wú)須外部器件；u 可通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)供電，電壓范圍為3.05.5V；u 零待機(jī)功耗u 溫度以9或12位數(shù)字顯示；u 用戶(hù)可定

32、義報(bào)警設(shè)置，報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；u 負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；u 檢測(cè)溫度范圍為55+125 (67+257)；u 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3-4所示。64位ROM單線(xiàn)端口存儲(chǔ)器與控制邏輯CVDD溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器I/O高速緩存圖3-4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖64位ROM的結(jié)構(gòu)開(kāi)始8位是產(chǎn)品類(lèi)型的編號(hào)，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗(yàn)碼，這也是多個(gè)DS18B

33、20可以采用一線(xiàn)進(jìn)行通信的原因。溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可通過(guò)軟件寫(xiě)入戶(hù)報(bào)警上下限。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第5個(gè)字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3-5所示。低5位一直為，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，DS18B20出廠(chǎng)時(shí)該位

34、被設(shè)置為0，用戶(hù)要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)置分辨率。溫度LSB溫度MSBTH用戶(hù)字節(jié)1TL用戶(hù)字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC圖3-5 DS18B20字節(jié)定義由表3-3知DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時(shí)間比較長(zhǎng)，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間權(quán)衡考慮。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字

35、節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線(xiàn)接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。當(dāng)符號(hào)位S0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值，要先將補(bǔ)碼變成原碼，再計(jì)算十進(jìn)制數(shù)值。表3-3是一部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。表3-3 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms00993.750110187.510113751112750DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若TTH或TTL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出

36、響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行報(bào)警搜索。在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼（CRC）。主機(jī)ROM的前56位來(lái)計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。DS18B20的測(cè)溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個(gè)計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定

37、，每次測(cè)量前，首先將55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1、溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值就是所測(cè)溫度值。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。表3-4為一部分溫度對(duì)應(yīng)值表。表3-4溫度對(duì)應(yīng)值表溫度/二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表

38、示+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000100A2H+0.50000 0000 0000 00100008H00000 0000 0000 10000000H-0.51111 1111 1111 0000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001 0000FC90H另外，由于DS18B

39、20單線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，它有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統(tǒng)對(duì)DS18B20的各種操作按協(xié)議進(jìn)行。操作協(xié)議為：初使化DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。DS18B20溫度傳感器與單片機(jī)的接口電路DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1腳接地，2腳作為信號(hào)線(xiàn)，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3-6 所示單片機(jī)端口接單線(xiàn)總線(xiàn)，為保證在有效的DS18B20時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET管來(lái)完成對(duì)總線(xiàn)的上拉。GND圖3-6 DS18B20與單片機(jī)的接口電路當(dāng)DS18B20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作

40、和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線(xiàn)上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10us。采用寄生電源供電方式時(shí)VDD端接地。由于單線(xiàn)制只有一根線(xiàn)，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。由于DS18B20是在一根I/O線(xiàn)上讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線(xiàn)器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線(xiàn)器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的復(fù)位時(shí)序

41、 DS18B20的讀時(shí)序?qū)τ贒S18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線(xiàn)拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線(xiàn)，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€(xiàn)上。DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要60us才能完成。DS18B20的寫(xiě)時(shí)序?qū)τ贒S18B20的寫(xiě)時(shí)序仍然分為寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20寫(xiě)0時(shí)序和寫(xiě)1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫(xiě)0時(shí)序時(shí)，單總線(xiàn)要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線(xiàn)上的“0”電平，當(dāng)要寫(xiě)1時(shí)序時(shí)，單總線(xiàn)被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線(xiàn)。3.3 液位

42、采集模塊的設(shè)計(jì)液位變送器的選擇在本系統(tǒng)中液位作為一個(gè)參考信號(hào)，異常工況下，調(diào)節(jié)液位高度使其恢復(fù)到正常工況。本系統(tǒng)選用靜壓式液位變送器進(jìn)行液位采集，該變送器利用液體靜壓力的測(cè)量原理工作。它一般選用硅壓力測(cè)壓傳感器將測(cè)量到的壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大電路放大和補(bǔ)償電路補(bǔ)償，最后以420mA或010mA電流方式輸出。PT311型靜壓式液位變送器選用進(jìn)口帶防腐膜片敏感組件，將芯體裝入一個(gè)不銹鋼或聚四氟乙烯殼體內(nèi)，頂部鋼帽既能保護(hù)傳感器膜片，又能使液體順暢地接觸到膜片；該產(chǎn)品測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，并具有良好的密封和防腐性能。其有三種安裝方式可供用戶(hù)選擇：投入式、法蘭式和鎧裝式。該產(chǎn)品廣泛用于化工、自來(lái)水、

43、石油、釀酒、電力、治金等領(lǐng)域。技術(shù)指標(biāo)u 量程：0-0.2100mH2Ou 輸出選擇：4-20mA、0-5V、0-l0mA、1-5Vu 工作溫度：-2085u 過(guò) 載：1.5倍u 測(cè)量介質(zhì)：與不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）或PVC兼容的介質(zhì)u 準(zhǔn)確度：0.1 、0.25 、0.5u 電源：24VDCu 防護(hù)等級(jí)：IP68u 穩(wěn)定性：0.2%FS/年其結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-7所示圖3-7 PT311結(jié)構(gòu)尺寸液位采集電路液位變送器采集到的信號(hào)不能直接與單片機(jī)相連，需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理。本次A/D轉(zhuǎn)換器采用的是ADC0809轉(zhuǎn)換器。如圖3-8所示。圖3-8 液位

44、采集電路3.4 AD和DA轉(zhuǎn)換器液位變送器采集到的信號(hào)需經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，而由單片機(jī)處理過(guò)的數(shù)字信號(hào)，需經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換送入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)液氨的流量。本系統(tǒng)分別采用ADC0809和DAC0832作為模數(shù)轉(zhuǎn)化器。它們都是較為通用的轉(zhuǎn)換器，性能穩(wěn)定。ADC0809芯片ADC0809是8位8通路逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在(05)V，最大不可調(diào)誤差小±1LSB，它具有高速、高精度、溫度依賴(lài)度低以及在長(zhǎng)期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-9所示圖3-9 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由圖3-9可看芯片主要是由一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路模擬輸入選通開(kāi)關(guān)、地址鎖存及譯

45、碼電路工作和三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器組成。多路開(kāi)關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V ，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。為實(shí)現(xiàn)8路模擬通道能有條不紊地工作，首先通過(guò)地址譯碼鎖存器選通所要開(kāi)通的8路模擬通道中的一路開(kāi)關(guān)，將模擬信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)放到三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器中等待CPU來(lái)取，取后由C

46、PU啟動(dòng)新一次的地址譯碼，重復(fù)以上完成新一次的A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809芯片提供了高轉(zhuǎn)換速度、高精密度、環(huán)境影響小和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開(kāi)關(guān)以及與微型計(jì)算機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。在A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有一個(gè)高阻抗斬波穩(wěn)定比較器，一個(gè)帶有模擬開(kāi)關(guān)樹(shù)組的256電阻分壓器，以及一個(gè)逐次逼近型寄存器。8路的模擬開(kāi)關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)通道的模擬信號(hào)。由于多路開(kāi)關(guān)的地址輸入部分能夠進(jìn)行鎖存和譯碼，而且三態(tài)TTL輸出也可以鎖存，所以它易于與微型計(jì)算機(jī)接口。2. 引腳結(jié)構(gòu)如圖3-

47、10所示· 圖3-10 ADC0809引腳圖ADC0809各腳功能如下：u D7-D0 ：8位數(shù)字量輸出引腳u IN0-IN7 ：8位模擬量輸入引腳u VCC ：+5V 工作電壓u GND ：地u REF（+）：參考電壓正端u REF（-）：參考電壓負(fù)端u START ：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端u ALE ：地址鎖存允許信號(hào)輸入端（START和ALE兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，通常接在一起）u EOC ：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。u OE ：輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。u CLK ：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為 500KHz ）。3.

48、地址輸入和控制線(xiàn)：4條ALE為地址鎖存允許輸入線(xiàn)，高電平有效。當(dāng)ALE線(xiàn)為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A ，B ，C 三條地址線(xiàn)的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A ，B 和C為地址輸入線(xiàn)，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表3-5所示。表3-5地址信號(hào)與選中通道的關(guān)系地址選中通道ADDCADDBADDA000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN74. 工作時(shí)序與使用說(shuō)明：ADC0809的工作時(shí)序如圖3-11所示。當(dāng)通道選擇地址有效時(shí)，ALE信號(hào)一出現(xiàn)，地址便馬上被鎖存，這時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)緊

49、隨ALE之后（或與ALE同時(shí)）出現(xiàn)。START的上升沿將逐次逼近寄存器SAR復(fù)位，在該上升沿之后的2us加8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（不定），EOC信號(hào)將變低電平，以指示轉(zhuǎn)換操作正在進(jìn)行中，直到轉(zhuǎn)換完成后EOC再變高電平。微處理器收到變?yōu)楦唠娖降腅OC信號(hào)后，便立即送出OE信號(hào)，打開(kāi)三態(tài)門(mén)，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖3-11 ADC0809工作時(shí)序模擬輸入通道的選擇可以相對(duì)于轉(zhuǎn)換開(kāi)始操作獨(dú)立地進(jìn)行(當(dāng)然，不能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行)，然而通常是把通道選擇和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)合起來(lái)完成（因?yàn)锳DC0809的時(shí)間特性允許這樣做）。這樣可以用一條寫(xiě)指令既選擇模擬通道又啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在與微機(jī)接口時(shí)，輸入通道的選擇可有兩種方法，一種是通過(guò)地址

50、總線(xiàn)選擇，一種是通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)選擇。如用EOC信號(hào)去產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，要特別注意EOC的變低相對(duì)于啟動(dòng)信號(hào)有2s+8個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，要設(shè)法使它不致產(chǎn)生虛假的中斷請(qǐng)求。為此，最好利用EOC上升沿產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，而不是靠高電平產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。DAC0832芯片DAC0832是美國(guó)資料公司研制的8位雙緩沖器D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)帶有資料鎖存器，可與數(shù)據(jù)總線(xiàn)直接相連。電路有極好的溫度跟隨性，使用了COMS電流開(kāi)關(guān)和控制邏輯而獲得低功耗、低輸出的泄漏電流誤差。芯片采用R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)，對(duì)參考電流進(jìn)行分流完成D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果以一組差動(dòng)電流IOUT1和IOUT2輸出。DAC0832主要性能參數(shù)：分辨率8位；轉(zhuǎn)

51、換時(shí)間1s；參考電壓±10V；單電源+5V+15V；功耗20mW。1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-12所示。圖3-12內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DAC0832中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱(chēng)為輸入寄存器，它的鎖存信號(hào)為ILE；第二級(jí)鎖存器稱(chēng)為DAC寄存器，它的鎖存信號(hào)為傳輸控制信號(hào)。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，DAC0832可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)采集下一個(gè)數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。此外，兩級(jí)鎖存器還可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)換器同步輸出。圖3-12中LE為高電平、和為低電平時(shí)，為高電平，輸入寄存器的輸出跟隨輸入而變化；此后，當(dāng)由低變高時(shí)，為低電平，資料

52、被鎖存到輸入寄存器中，這時(shí)的輸入寄存器的輸出端不再跟隨輸入資料的變化而變化。對(duì)第二級(jí)鎖存器來(lái)說(shuō)，和同時(shí)為低電平時(shí)，為高電平，DAC寄存器的輸出跟隨其輸入而變化；此后，當(dāng)由低變高時(shí)，變?yōu)榈碗娖剑瑢⑤斎爰拇嫫鞯馁Y料鎖存到DAC寄存器中。2. 引腳結(jié)構(gòu)如圖3-13所示圖3-13 引腳結(jié)構(gòu)圖DAC0832是20引腳的雙列直插式芯片。各引腳的特性如下：u 片選信號(hào)，和允許鎖存信號(hào)ILE組合來(lái)決定是否起作用。u ILE允許鎖存信號(hào)。u 寫(xiě)信號(hào)1，作為第一級(jí)鎖存信號(hào)，將輸入資料鎖存到輸入寄存器（此時(shí)必須和、ILE同時(shí)有效）。u 寫(xiě)信號(hào)2，將鎖存在輸入寄存器中的資料送到DAC寄存器中進(jìn)行鎖存（此時(shí)，傳輸控制信

53、號(hào)必須有效）。u 傳輸控制信號(hào)，用來(lái)控制。u DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入端。u IOUT1模擬電流輸出端1。當(dāng)DAC寄存器中全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng)DAC寄存器中全為0時(shí)，輸出電流為0。u IOUT2模擬電流輸出端2。IOUT1+IOUT2=常數(shù)。u RFB反饋電阻引出端。DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以，RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端。相當(dāng)于將反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間。u VREF參考電壓輸入端?？山与妷悍秶鸀?#177;10V。外部標(biāo)準(zhǔn)電壓通過(guò)VREF與T型電阻網(wǎng)絡(luò)相連。u VCC芯片供電電壓端。范圍為+5V+15V，最佳工作狀態(tài)是+15V。u AGND

54、模擬地，即模擬電路接地端。u DGND數(shù)字地，即數(shù)字電路接地端。3. 工作方式第一種方法是使輸入寄存器工作在鎖存狀態(tài)，而DAC寄存器工作在直通狀態(tài)。具體地說(shuō)，就是使和都為低電平，DAC寄存器的鎖存選通端得不到有效電平而直通；此外，使輸入寄存器的控制信號(hào)ILE處于高電平、處于低電平，這樣，當(dāng)端來(lái)一個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，就可以完成1次轉(zhuǎn)換。第二種方法是使輸入寄存器工作在直通狀態(tài)，而DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)。就是使和為低電平，ILE為高電平，這樣，輸入寄存器的鎖存選通信號(hào)處于無(wú)效狀態(tài)而直通；當(dāng)和端輸入1個(gè)負(fù)脈沖時(shí)，使得DAC寄存器工作在鎖存狀態(tài)，提供鎖存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)上述對(duì)DAC0832的輸入寄存器和D

55、AC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3種工作方式：(1) 單緩沖方式。單緩沖方式是控制輸入寄存器和DAC寄存器同時(shí)接收資料，或者只用輸入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式適用只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。(2) 雙緩沖方式。雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料，再控制輸入寄存器的輸出資料到DAC寄存器，即分兩次鎖存輸入資料。此方式適用于多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換同步輸出的情節(jié)。(3) 直通方式。直通方式是資料不經(jīng)兩級(jí)鎖存器鎖存，即，均接地，ILE接高電平。此方式適用于連續(xù)反饋控制線(xiàn)路，不過(guò)在使用時(shí)，必須通過(guò)另加I/O接口與CPU連接，以匹配CPU與D/A轉(zhuǎn)換。4. DAC0

56、832的外部連接應(yīng)用圖3-14為單片機(jī)和DAC0832直通方式輸出連接圖。運(yùn)放輸出電路輸出電壓為 UOUT(D/256)*VREF, 例如圖中向DAC0832傳送的8位數(shù)據(jù)量40H(01000000B), 則輸出電壓如所示。UOUT=(64/256)*5V=1.25V，其輸出過(guò)程可用MOV P1 , #40H一條指令完成。圖3-14單片機(jī)和DAC0832直通方式輸出連接圖3.5 執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這是由于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥能用于易燃易爆現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還不能被電動(dòng)調(diào)節(jié)閥所取代。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥）兩部分組裝而成。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥有氣開(kāi)式與氣關(guān)式兩種形式。氣開(kāi)、氣關(guān)的選擇原則是：從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號(hào)中斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)應(yīng)能保證工藝設(shè)備和操作人員的安全。如果控制信號(hào)中斷時(shí)，閥處于打開(kāi)位置危害性小，則應(yīng)選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥：反之，若調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉位置時(shí)危害性小，則應(yīng)選用氣開(kāi)閥。根據(jù)本系統(tǒng)工藝，我們采用氣開(kāi)型。為了使氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥能夠接收電動(dòng)調(diào)節(jié)器