单片机在过程控制中的应用.doc

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1、 氨冷器被冷却介质出口温度-液位超驰控制系统的设计摘要氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统，即温度-液位超驰控制系统。该控制系统中需要用到温度及液位调节器，传统的调节器采用DDZ-型电动组合仪表，而随着单片机在控制领 域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果 本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能化设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核心控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；

2、软件部分包括系统程序控制流程图以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。关键词：超驰控制系统，A/D转化器， 89C51单片机，LCD显示， PID 算法THE INTELLIGENT DESIGN OF AMMONIA COOLER OVERRIDE CONTROL SYSTEM BYTHE COOLING MEDIUM OUTLET TEMPERATURE-FLUID POSITIONABSTRACTAmmonial main role is to make renewable liquid ammonia copper acetate for recycling. In order t

3、o achieve the production control system requirements, superposition a solution on the basis of simple temperature control system for super relaxation system, that is, temperature - level override control system. The need to control system of temperature and Liquid Level regulator regulator DDZ- type

4、 electric combination of traditional instruments, but with the wide application of Single Chip Computer in control field. This paper mainly AT89C51 microcontroller as the core, to override the intelligent design of control system with sensor technology, mainly studies the basic working principle, ha

5、rdware circuit and software design, the hardware part includes the design module of AT89C51 MCU and its peripheral circuit of the core control; the software part includes the system flow chart and the structure design of the main program and each the function module of the program control program et

6、c.KEYWORDS: override control system, A/D converter, 89C51 MCU, LCD display, PID algorithm目录摘要(中文)I摘要(外文)I1 绪论11.1 研究背景及意义11.1.1研究意义1 1.2主要研究内容22 系统总体设计方案32.1 系统工作原理32.2 总体设计方案32.2.1 温度采集方案的选择32.2.2 显示电路方案的选择32.2.3 声光报警电路方案的选择42.2.4 系统总体设计43 系统的硬件电路设计53.1 核心控制模块的设计53.1.1 AT89C51单片机简介53.1.2 AT89C51单片机

7、最小系统73.2 AD和DA转换器83.2.1 ADC0809芯片9 3.2.2 DAC0832芯片123.3执行模块的设计153.4显示模块的设计163.5 报警模块的设计183.6 电源模块的设计184 系统的软件设计194.1主程序的设计194.1.1 T1中断模块204.2 IPD算法的设计204.3 各功能模块子程序的设计224.3.1 A/D转换子程序234.3.2 显示程序244.3.3键盘子程序24参考文献27附录1程序清单28致谢351 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1研究意义如今，随着工业的发展和能源供求的紧张，工程技术人员对于这些过去废弃不用的余热加以重视，利用它来产

8、生压力蒸汽，以此作为供热，供气，供电和动力的辅助能源，借以提高热能的总利用率，降低燃料消耗指标，降低电耗，借以获取经济效益，因此设计一个优良的蒸汽热能回收换热器有着十分重大的意义。通过本次毕业设计对掌握电路设计和89C51程序设计的思路与方法，掌握氨冷器控制系统的意义与运用，结合单片机与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少控制，生产安全成为本系统研究的主要目的和意义1.1.2 氨冷器温度-液位超驰控制系统概述氨气在合成氨生产过程中，采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳，吸收是一个放热反应，吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸

9、铜氨液温度高达80以上，为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却到810，其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸铜氨液的热量，使铜氨液的温度下降这一原理进行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的时间，氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大，因此，当液氨高度超过最大的汽化面积高度后，液位越高汽化面积越小，调节过程会出现反常现象，这是氨冷器调节的一个重要特点。为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统的基础上叠加上一个液位超驰调节系统。如图1-1所示。图1-1氨冷器温度-液位超驰控制系统正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控

10、制液氨流量。增加液氨量，经液氨的蒸发，使出口温度下降。如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度，由液位控制器取代温度控制器，根据液位控制进氨量，保护了后续设备，一旦温度下降，温度控制器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就自动取代液位控制器，工艺操作恢复到正常工况。在该控制系统中，调节器既可安装在液氨管线上，也可安装在氨气管线上，调节阀安装在氨气管线上对象迟后较小，反应比较灵敏，但缺点是需要用一个较大管径耐高压的气体阀门，这种阀门成本比较高，而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多，所以调节阀一般是安装在液氨管线上。无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。对于处于

11、开环的调节器，其偏差长时间存在，如果有积分控制作用，其输出将进入深度饱和状态。一旦选择器选中这个调节器工作，调节器因处于饱和状态而失去控制能力，只能等到退出饱和以后才能正常工作。所以在超驰控制系统中，对有积分作用的调节器必须采取抗积分饱和措施。而对于计算机在线运行的控制系统，只要利用计算机的逻辑判断功能进行适时切换即可。1.2主要研究内容本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能化设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核心控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图以及主程序及各功能模块程序的

12、结构设计等内容。在本次毕业设计过程中，主要涉及到如下工作：(1) 研究与分析PID控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。(2) 选择以单片机为核心的中央处理器。在设计的过程中，熟悉AT89C51单片机汇 编语言的设计流程和开发环境。同时对各功能模块进行软硬件的设计与实现。(3) 在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写，以及电路仿真和调试，最终实现显示、自动调节的功能。(4) 在显示方面采用了LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗

13、应用系统中得到很广泛。2 系统总体设计方案2.1 系统工作原理在温控部分，用89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20采集温度信号，ADC0809将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并进行PID处理，然后经DAC0832输出模拟信号驱动电气转换器QZD-1000，继而控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对温度的控制。在液位控制部分，当液位低于最大汽化面积高度时，液位变送器的输出信号经A/D转换后送入单片机，单片机仅控制显示器显示此时的液位；当液位超过最大汽化面积高度时，单片机中的门限值判断程序会做出相应动作，此时切断温度调节程序，由液位调节程序取代，控制液氨

14、调节阀，调节液氨的进出量，实现对液位的控制，不使超过，当信号低于时，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。在温度和液位超出限定值时，会进行声光报警。2.2 总体设计方案超驰控制系统的智能化设计的目的是实现温度液位的自动调节，维持温度在给定值附近，系统安全运行。本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块、温度液位采集模块、执行模块、报警模块等。2.2.1 温度采集方案的选择 方案一：采用传统的热电阻传感器测量温度值，再将信号送入温度变送器，输出标准电信号，经ADC0809转化为数字信号送入单片机。成本简单，但结构较复杂，涉及多个元器件。方案二：采用集成温度传感器DS18B20，DS18B

15、20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，不需经过ADC转换再送入单片机中综合各项因素，选择方案二。2.2.2 显示电路方案的选择方案一：显示电路采用4位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。显示电路是使用的串口显示，最大的优点就是使用口资源比较少，该显示电路只使用单片机的3个端口P1.7，P3.0,P3.1。并配以4片串入并出移位寄存器74LS164（LED驱动）四只数码管采用74LS

16、164右移寄存器驱动，显示比较清晰。但结构为复杂。方案二：采用LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为128*64的显示液晶。其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。综合考虑，选用方案二。2.2.3 声光报警电路方案的选择方案一：采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。它是高电平报警，一旦监测到温度、液位值达

17、到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。方案二：采用语音芯片，在超过上下限时能够通过语音进行报警，其人机交互友好，但控制复杂，成本较高。综合考虑，选用方案一。2.2.4 系统总体设计 本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样，同时液位采集模块也对氨冷器中液氨高度进行采样，将采集到的信号送到89C51单片机进行处理，当在正常工况时，采用温度调节程序，最后单片机将处理过的数字信号通过D/A转换为模拟信号输出，驱动电气转换器，将电流信号转化为标准气压信号，推动执行机构，控制液氨的进入量，从而实现温度的调节；在液位超过最大汽化面积高度时，单片机自动转向液位调节程序，使液位高度恢复正常值，又

18、重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。另外，本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能。总体方案如图2-1。 图2-1总体设计方案框图3 系统的硬件电路设计3.1 核心控制模块的设计 3.1.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制

19、造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其管脚图如图3-1所示。 图3-1 AT89C51管脚图 1.主要特性： .与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振

20、荡器和时钟电路 2 .引脚功能说明(1) VCC为电源电压，GND为地。(2) P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收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。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在FIash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 （3）P1口：P1口

21、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门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口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。 （4）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”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

22、部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口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。 （5）P3口：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门电流。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口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能。如下所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（

23、记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 （6）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 （7）ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 l6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据

24、存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。 （8）PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。 （9）EAVPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址

25、为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。（10）XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。（11）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.2 AT89C51单片机最小系统89C51单片机有4KEPROM,所以不需外扩EPROM，所以我们将AT89C51芯片的第31脚（/VPP）固定接高电平。单片机的时钟电路有一个12

26、M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。如图3-2所示。 图3-2 AT89C51最小系统电路图3.2 AD和DA转换器 液位变送器采集到的信号需经过AD转换送入单片机中进行处理，而由单片机处理过的数字信号，需经过DA转换送

27、入执行机构，驱动调节阀调节液氨的流量。本系统分别采用ADC0809和DAC0832作为模数转化器。它们都是较为通用的转换器，性能稳定。3.2.1 ADC0809芯片 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。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。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。 1.内部结构 如图3-3所示 图3-3 内部结构图 由图3-3可看芯片主要是由一个8位A/D转换器、8路模拟输入选

28、通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。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A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V ，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待

29、CPU来取，取后由CPU启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。 2.外部结构ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。如图3-4所示 图3-4 ADC0809引脚图 引脚结构： ADC0809各脚功能如下：u D7-D0 ：8位数字量输出引脚u IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚u VCC ：+5V 工作电压u GND ：地u REF（+）：参考电压正端u REF（-）：参考电压负端u START ：A/D转换启动信号输入端u ALE