基于單片機(jī)的壓力液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究.doc

基于單片機(jī)的壓力液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究摘要本文介紹了國內(nèi)外過程控制系統(tǒng)研究的發(fā)展過程、進(jìn)展?fàn)顩r以及提高自動(dòng)化程度的若干新技術(shù)：研究了過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、控制對(duì)象以及主要特點(diǎn)；選取過程控制中的典型參數(shù)液位壓力為控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了以機(jī)為上位機(jī)、以（；單片機(jī)為下位機(jī)，并輔之以傳感器、變頻器阻及相關(guān)接口部件的二級(jí)集散控制系統(tǒng)；著重介紹了基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和基于一通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)程序模塊的設(shè)計(jì)思路、工作過程；介紹了提高系統(tǒng)抗干擾能力的看門狗電路?；趩纹瑱C(jī)的一過程控制系統(tǒng)的硬件和軟件都采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件模塊便于生產(chǎn)和維護(hù)；軟件模塊便于修改和升級(jí)。文中的數(shù)據(jù)采集與處理程序、上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信程序都使用執(zhí)行效率較高的匯編語言來完成，上位機(jī)的人機(jī)交互界面與數(shù)據(jù)輸出程序采用高級(jí)語言來開發(fā)。通過本文的研究，總結(jié)出了基于單片機(jī)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好；具有較高的性能價(jià)格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高。本文為基于單片機(jī)的過程控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程做了有益的嘗試，為提高我國過程控制自動(dòng)化水平提供了有參考價(jià)值的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：過程控制單片機(jī)數(shù)據(jù)采集串行通信程序設(shè)計(jì) -11 ， 。 ， ，： ， （一 ； ， ， ， ， ， ， ， ， 一 卜一 ， ； ， ， ， ， ， ： ；：， ： ： ： 插圖清單圖一實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖圖微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)繪的液位動(dòng)態(tài)波形圖單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)框圖圖單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖圖，引腳與芯片的接口電路圖數(shù)據(jù)采集子程序流程罔圖數(shù)據(jù)傳送子程序流程圖圖變速積分控制子程序流程圖圖圖圖串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖格式及各位的定義格式及各位的定義圖方式傳輸?shù)牡澑袷綀D計(jì)算機(jī)與終端連接方法圖上位機(jī)接收數(shù)據(jù)主程序流程圖圖上位機(jī)接收數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序流程圖圖下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)主程序流程圖圖下位機(jī)接收數(shù)據(jù)程序流程圖圖下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務(wù)程序流程圖圖圖程序流程圖與接口電路圖系統(tǒng)登陸界面圖裝置流程示意圖圖計(jì)算機(jī)控制界面圖單片機(jī)控制屏面板圖單片機(jī)控制典型液位曲線圖圖圖圖控制典型液位曲線控制的液位曲線圖時(shí)的液位曲線時(shí)的液位曲線圖， 時(shí)的液位曲線圖 ，時(shí)的液位曲線圖，時(shí)的液位曲線表格清單表控制寄存器中各位定義表通道的選擇或測(cè)試電壓的選擇表數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的選擇表輸出數(shù)據(jù)的格式】表極性的選擇表卜串行口的工作方式表系統(tǒng)參數(shù)的選取表 接口信號(hào)（）表叫電氣性能表表 引腳功能表表 控件的屬性值表一系統(tǒng)參數(shù)功能定義獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外。論文中不包含其他已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成粟，也不包含為獲得盒壁王絲厶堂或其他教育機(jī)構(gòu)靜學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：鼠虬蠢簽字日期：年月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解金墾工些盔堂有關(guān)保留，使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)金世王些盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書）學(xué)位論文儲(chǔ)躲閻絨諳導(dǎo)師簽名季武簽字日期：町年月日簽字日期：加哆年夕月日，學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向工作單位；通訊地址；電話：郵編；致謝光陰似箭轉(zhuǎn)眼間兩年半的研究生生活也將告一段落了。在本文即將完成之際，我心潮澎湃，從進(jìn)入課題到論文的順利完成，許多師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給予了我極大的幫助，在這里請(qǐng)你們接受我誠摯的謝意。本文是在我的導(dǎo)師朱武副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在整個(gè)研究生階段，朱老師無論在學(xué)習(xí)上還是生活上都給我極大的幫助和鼓勵(lì)。朱老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、盡心盡責(zé)的工作態(tài)度、平易近人的作風(fēng)以及積極樂觀的生活態(tài)度，都對(duì)我產(chǎn)生了很深的影響，將是我一生受益不盡的財(cái)富。在此向朱老師致以最誠摯的感謝！在研究生階段的學(xué)習(xí)和研究生活中，真空教研室的陳長(zhǎng)琦老師、干蜀毅老師、王君老師、王旭迪老師、唐志國老師給予了我無私的指導(dǎo)和熱心的幫助，在此一并表示衷心的感謝。由衷感謝我的同學(xué)謝俊楊有財(cái)、高龐、劉珍、陳明在多年的學(xué)習(xí)和生活上給予我的幫助。感謝孫潔、徐正俠、謝祖強(qiáng)、陶賀、李森以及真空教研室所有的師弟、師妹們給我的論文提出的寶貴意見和平時(shí)生活上對(duì)我的幫助。由衷痞謝我的父母，是他們的無私奉獻(xiàn)和全力支持為我鋪平了前進(jìn)的道路，讓我在人生的旅程上一帆風(fēng)順，我將以更好的成績(jī)來回報(bào)他們！最后，再次向所有關(guān)心和支持我的老師、同學(xué)、親人和朋友們致以我最誠摯的謝意作者：閻曉倩年月第一章緒論過程控制的概念過程控制通常是指石油、化工、冶金、電力、輕工、紡織、建材、原子能等工業(yè)部門生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)能、環(huán)保和改善勞動(dòng)條件等方面起著越來越大的作用。過程控制有很多分類的方法，若按被控參數(shù)的名稱來分，有流量、壓力、液位、成分、值等控制系統(tǒng)；按是否采用常規(guī)儀表和計(jì)算機(jī)來分，有儀表過程控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)；按給定信號(hào)的特點(diǎn)來分，有定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)等【。由于被控對(duì)象本身是千差萬別的，所以要求過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作必須根據(jù)具體的工業(yè)設(shè)計(jì)過程的特性和工藝要求，通過選用過程檢測(cè)控制儀表構(gòu)成系統(tǒng)，再通過參數(shù)整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的最優(yōu)控制。過程控制的國內(nèi)外發(fā)展概況自從維納創(chuàng)立控制論以來，自動(dòng)控制理論經(jīng)歷了兩個(gè)主要的發(fā)展階段：經(jīng)典控制理論階段和現(xiàn)代控制理論階段函。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，這些常規(guī)的控制方法已經(jīng)形成了比較完善的學(xué)科體系，并獲得了許多成功的應(yīng)用。它主要是針對(duì)工藝過程的連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，要求對(duì)象必須量化，各種量化參數(shù)之間的關(guān)系能夠用比較精確的數(shù)學(xué)模型來描述。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，復(fù)雜性越來越高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈。因此，對(duì)企業(yè)的管理和生產(chǎn)過程的控制要求也越來越高。為了保證生產(chǎn)的高效穩(wěn)定的運(yùn)行，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，原來簡(jiǎn)單的、局部的、常規(guī)的控常和僅憑經(jīng)驗(yàn)的管理在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)面前就顯得力不從心了。因此，在國內(nèi)外，又有多種先進(jìn)控制系統(tǒng)得到充分研究，如多變量預(yù)估控制（），優(yōu)化控制（），連續(xù)過程的總體質(zhì)量控制（），與工人智能相結(jié)合的智能控制（，包括模糊控制系統(tǒng)，專家系統(tǒng)等），適用于大時(shí)滯過程的先進(jìn)控制（），能夠進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷的容錯(cuò)控制以及連續(xù)工業(yè)過程的計(jì)算機(jī)一體化生產(chǎn)系統(tǒng)（），等等。這些新的控制理論的出現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，并且在常規(guī)控制理論的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一個(gè)新的飛躍。，基于單片機(jī)控制的特點(diǎn)（）單片微機(jī)體積小，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好。（）系統(tǒng)配置以滿足對(duì)象的控制要求為出發(fā)點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比。（）應(yīng)用系統(tǒng)通常將程序駐留在中，無需軟硬磁盤做軟件載體，使系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性商，使用方便。（）應(yīng)用系統(tǒng)所用存儲(chǔ)器芯片可選用、芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于成批開發(fā)和應(yīng)用，許多單片微機(jī)如系列和系列，開發(fā)芯片和應(yīng)用芯片相互配套，使應(yīng)用系統(tǒng)成本大大降低。（）由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強(qiáng)、體積小，便于安裝于被控設(shè)備之內(nèi)，大大推動(dòng)了機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)。課題的來源、目的廈所研究的主要內(nèi)容本課題來自合肥工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，目的在于對(duì)一實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，使管道的流量、液位等參數(shù)值達(dá)到給定要求；減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部的影響：克服滯后現(xiàn)象；提高系統(tǒng)的魯棒性；優(yōu)化控制參數(shù)等。本課題主要研究的是基于單片機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的液位壓力參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，即以單片機(jī)為調(diào)節(jié)器，輔助以與單片機(jī)系統(tǒng)配套的、轉(zhuǎn)換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)整（設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成）。課題的意義在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐中，人們普遍要求產(chǎn)品的質(zhì)量“穩(wěn)定”，而所謂產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定實(shí)質(zhì)上是指產(chǎn)品的某些最關(guān)鍵性的指標(biāo)必須達(dá)到預(yù)定的要求：但是產(chǎn)品的性能指標(biāo)的穩(wěn)定往往是與產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的工藝過程、工藝條件及工藝參數(shù)的穩(wěn)定密不可分的。難以想象，在一個(gè)不穩(wěn)定的、多變的生產(chǎn)條件下，能夠生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。事實(shí)上，在許多領(lǐng)域，過程控制的主要目的在于消除或減小外界的干擾對(duì)被控量的影響，使被控量能夠穩(wěn)定在給定值上。一個(gè)良好的控制系統(tǒng)不但要保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個(gè)生產(chǎn)的安全，滿足一定的約束條件，而且應(yīng)該帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，對(duì)于過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，已不能采用單一基于定量的數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論稻控制技術(shù)必須進(jìn)一步開發(fā)高級(jí)的過程控制系統(tǒng)，研究先進(jìn)的過程控制規(guī)律。所以基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在過程控制的生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)揮了越來越重要的作用。單片微機(jī)在許多過程控制設(shè)備和產(chǎn)品中都得到廣泛的應(yīng)用。由于其體積小，價(jià)格低，具有邏輯判斷、定時(shí)計(jì)數(shù)、程序控制等多種功能，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。不僅有常用的位機(jī)，而且位單片機(jī)和位單片機(jī)也得到了普及，隨著過程控制精度要求的增加和運(yùn)算速度的增快，位單片機(jī)也得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。第二章卜過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是杭州天科技術(shù)公司天煌教學(xué)儀器廠生產(chǎn)豹一種新型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，下面簡(jiǎn)要介紹一下該實(shí)驗(yàn)裝置的被控對(duì)象以及所能提供的過程檢測(cè)控制儀表。實(shí)驗(yàn)裝置所構(gòu)建的控制對(duì)象一過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的對(duì)象模型是由上、下兩個(gè)水箱構(gòu)成液位、壓力、流量三個(gè)參數(shù)的控制系統(tǒng)，由復(fù)合水箱和加熱器構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。執(zhí)行部件是三相變頻調(diào)速交流鼠籠電動(dòng)機(jī)，支流調(diào)速他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和通過固態(tài)繼電器控制的電熱器。過程控制實(shí)驗(yàn)裝置集多參數(shù)閉環(huán)控制為一體由過程控制對(duì)象、調(diào)節(jié)器模塊、執(zhí)行器模塊、變送器模塊等組成，各模塊間靈活組合，基本包含了目前所有的工業(yè)控制方式，涉及溫度、壓力、流量、液位等重要的過程控制參數(shù)。控制對(duì)象主要由上、下兩個(gè)水箱、一個(gè)電加熱器復(fù)合水箱及一個(gè)儲(chǔ)水箱組成。上、下水箱滾位或壓力作為被控對(duì)象由兩個(gè)水泵供水（由交流、直流調(diào)速電機(jī)、齒輪泵和壓力傳感器等組成），水箱水溫作為被控對(duì)象是由溫度傳感器、加熱器、固態(tài)繼電器等組成；管道上裝有電磁流量計(jì)、閥門等。水位、水溫、壓力以及供水流量均可作為被控變量。兩個(gè)水泵可同時(shí)工作，也可單獨(dú)工作，還可以將其中一個(gè)作為執(zhí)行器，另一個(gè)作為干擾源。整個(gè)對(duì)象可設(shè)計(jì)成一階、二階系統(tǒng)。系統(tǒng)的工藝流程圖如圖所示，交流電動(dòng)機(jī)從儲(chǔ)水箱中抽水，提供給對(duì)象，一方面它可以通過閥或閥供給復(fù)合溫控水箱，再經(jīng)過電磁流量計(jì)（）后，經(jīng)閥或閥分別供給上，下兩個(gè)水箱；另外一方面，直流電動(dòng)機(jī)從儲(chǔ)水箱中抽水，通過閥和閥也可供水給上、下兩個(gè)水箱，兩個(gè)水箱內(nèi)均裝有液位傳感器 ）和溢流口，而且每個(gè)水箱的出水口均經(jīng)過線形處理，上水箱的水經(jīng)過閥的調(diào)節(jié)流到下水箱，上水箱中還安置了壓力傳感器（），用于檢測(cè)壓力的大小。下水箱的水經(jīng)過閥流到復(fù)合加熱水箱的外殼，最后經(jīng)溢流口流回儲(chǔ)水箱，從而構(gòu)成了一個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)。在復(fù)合加熱水箱的內(nèi)套安裝了加熱器和（溫度傳感器），用于檢測(cè)溫度。實(shí)驗(yàn)裝置的主要特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)裝置所構(gòu)建的上述控制對(duì)象模擬了一個(gè)自動(dòng)供水系統(tǒng)，體現(xiàn)了過程控制系統(tǒng)的如下幾個(gè)特點(diǎn)】：連續(xù)生產(chǎn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)由的工藝流程圖可以看出，由于各水箱上均安裝有溢流口，而且所有的溢流口均經(jīng)由水管通入儲(chǔ)水箱，所以無論操作者將系統(tǒng)組合成何種系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)或水泵都可以隨時(shí)投入工作而不會(huì)發(fā)生事故。圖 實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖 在閥、閥、閥，閥都打開的情況下，可以構(gòu)建一個(gè)恒定液位或永壓的控制系統(tǒng)。這自然使人想起當(dāng)前流行的無水塔自來水自動(dòng)供水系統(tǒng)：供水泵通過閥和閥向水箱供水，用戶通過閥和閥從水箱中取水，這種取水方式在數(shù)量上和時(shí)間上都是隨機(jī)的。因此，為了維持水箱中壓力和液位的恒定，水泵電動(dòng)機(jī)就必須自動(dòng)地、不停地調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速以改變其供水量的大小，使之與實(shí)際的用水量想一致。所以整個(gè)工作過程必定是連續(xù)的、不間斷的，而且作為一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，偏差和調(diào)節(jié)是不斷出現(xiàn)的，平衡是暫時(shí)的，整個(gè)系統(tǒng)將隨時(shí)處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的狀態(tài)中。被控參數(shù)為非電量的如前所述，實(shí)驗(yàn)裝置所提供的被控參數(shù)可以是壓力、流量、液位、溫度等各種非電量；使用該裝置可直接模擬工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)各種參量控制過程，這些過程的機(jī)理不同，有些可以使用同樣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如壓力、流量、溫度的控制中都使用了交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和水泵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；有些則使用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如溫度的控制系統(tǒng)中則使用了電熱器和無觸點(diǎn)繼電器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。被控對(duì)象及控制過程的多樣性必然導(dǎo)致控制方案的多樣性?？刂七^程的多樣性與所有自動(dòng)控制系統(tǒng)相比，過程控制系統(tǒng)的控制方案以穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效率和低成本為設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)。在滿足基本目標(biāo)的前提下，實(shí)驗(yàn)裝置為用戶提供了各種工作模塊的選擇方案。對(duì)于同一個(gè)控制對(duì)象變頻器及交流電機(jī)一水泵無極調(diào)速系統(tǒng)，操作者可以選擇利用裝置上所配備的不同模塊，組合成不同的控制系統(tǒng)或采用不同的控制方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。目前，可供選擇的主要的控制方式有：采用調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)機(jī)監(jiān)控方式、控制呻機(jī)監(jiān)控方式、單片機(jī)控帶卜機(jī)監(jiān)控方式。需要指出的是，以上各種控制系統(tǒng)均配以機(jī)加以監(jiān)控或監(jiān)測(cè)，一方面可以充分發(fā)揮機(jī)圖形界面的優(yōu)勢(shì)，直觀地表達(dá)出控制系統(tǒng)過渡過程的動(dòng)態(tài)波形曲線，另一方面，在現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)中，機(jī)本身正取代調(diào)節(jié)器而發(fā)揮越來越大的作用。以閉環(huán)控制的液位自動(dòng)調(diào)制系統(tǒng)為例，計(jì)算機(jī)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，給出了該系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)輸出量的動(dòng)態(tài)波形曲線，圖，中是在采用調(diào)節(jié)器時(shí)的波形，顯然存在靜差；是采用調(diào)節(jié)器，同一系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)輸出量的動(dòng)態(tài)波形圖，兩者的差異顯而易見。圖微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)繪的液位動(dòng)態(tài)波形 目葉 實(shí)驗(yàn)裝置所選用的測(cè)控儀表過程控制是通過各種檢測(cè)儀表、控制儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表模擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī)（看作一臺(tái)儀表）等自動(dòng)化技術(shù)工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制，過程檢測(cè)控制儀表包括檢測(cè)元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括計(jì)算機(jī)）、調(diào)節(jié)閥等。現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)裝置所選用的有關(guān)的智能化部件介紹如下。壓力傳感器的選擇擴(kuò)散硅傳感器的工作原理是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，采用工藝擴(kuò)散四個(gè)等值應(yīng)變電阻，組成惠斯登電橋，不受壓力作用時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)受到壓力（或壓差）作用時(shí)，電橋的一對(duì)橋壁窀阻變大，另一對(duì)變小，電撟失去平衡，若對(duì)電撟加一恒定的電壓，便可檢測(cè)到對(duì)應(yīng)于所加壓力的電壓信號(hào)，從而達(dá)到測(cè)量液體、氣體壓力大小的目的【“。本裝置采用的是型傳感器，即在芯片上集成了個(gè)激光敏感調(diào)節(jié)電阻，用以偏置校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償。它由單個(gè)型壓敏電阻代替了以往由個(gè)電阻組成的惠斯登電橋。型傳感器的壓力范圍是（，靈敏度為（）。的選擇本裝置采用的是公司生產(chǎn)的型單片機(jī)它與一系列單片機(jī)是兼容的，在內(nèi)部含有可重復(fù)編程的存儲(chǔ)器，可進(jìn)行次擦寫操作，全靜態(tài)工作為淵，有三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密鎖定，內(nèi)部含字節(jié)的，條可編程的端口，有個(gè)位定時(shí)計(jì)數(shù)器、級(jí)中斷、通用串行接口、低電壓空閑及電源下降方式。它的優(yōu)點(diǎn)如下”：（）內(nèi)部含有存儲(chǔ)器。在系統(tǒng)的工作過程中，能有效地保存一些數(shù)據(jù)信息，即使外界電源損壞也不會(huì)影響到信息的保存。（）和插座兼容。的引腳同（的引腳是一樣的，所以當(dāng)用單片機(jī)取代時(shí)，可以直接進(jìn)行代換。（）靜態(tài)時(shí)鐘方式。采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，所以可節(jié)省電能，這對(duì)于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。（）錯(cuò)誤編程也無廢品產(chǎn)生。一般的產(chǎn)品一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品，而內(nèi)部采用了存儲(chǔ)器，所以錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。（）可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。用單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨客戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改。是系統(tǒng)不斷追隨用戶的最新要求。，變頻囂的選擇”。實(shí)驗(yàn)裝置采用的是三菱變頻器，這是個(gè)智能型器件，內(nèi)有嵌入式微控制器具有可編程參數(shù)設(shè)置和完善的自動(dòng)故障檢測(cè)及保護(hù)功能。具有通信接口，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信，由機(jī)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置或在計(jì)算機(jī)直接控制下的運(yùn)行。和大多數(shù)智能型變頻器一樣，己一可以有四種操作和控制的方式供用戶選擇：（）面板操作方式（即手動(dòng)操作方式）；（）多段位操作方式（一般適合于用對(duì)其進(jìn)行控制時(shí)使用）；（）外部模擬量輸入控制方式；（）計(jì)算機(jī)通信控制方式。可編程控制器的選擇在實(shí)驗(yàn)裝置中，采用了西門子公司的可編程控制器。它集成了個(gè)輸入個(gè)輸出，總共有個(gè)數(shù)字量點(diǎn)。字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，個(gè)獨(dú)立的高速計(jì)數(shù)器。具有控制器，個(gè)通信編程口。具有通訊協(xié)議、通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。端子排可很容易地整體裝卸，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。溫度變送器的選擇實(shí)驗(yàn)裝置中，溫度監(jiān)控的任務(wù)是由監(jiān)測(cè)控制儀表溫度變送器實(shí)現(xiàn)的。溫度變送器一是一臺(tái)內(nèi)含單片機(jī)的智能化儀表。具有溫度一電量變送、調(diào)節(jié)控制、測(cè)量顯示、設(shè)置及設(shè)置顯示、報(bào)警及通信等多項(xiàng)功能。作為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集單元，操作者可以通過變送器面板上的操作按鈕對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行手工操作，也可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。由以上介紹不難看出實(shí)驗(yàn)裝置給我們提供了一個(gè)具體的、多參量的過程控制對(duì)象，又提供了多種智能化的執(zhí)行部件和檢測(cè)控制儀表，這些部件和儀表的選型應(yīng)能滿足可靠性、實(shí)用性和先進(jìn)性的要求。但是，如同其他自動(dòng)控制系統(tǒng)一樣，過程控制系統(tǒng)也是在不斷發(fā)展之中，從即將成為過程控制主流的集散控制系統(tǒng)（）的角度來看。一臺(tái)一實(shí)驗(yàn)裝置只是其中的一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站。單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介圖為單容水箱液位，壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。這是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，控制的任務(wù)是使水箱的液位，壓力等于給定值，減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。我們僅以上水箱為例，設(shè)定萁液位，壓力參數(shù)為被控對(duì)象。交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵通過閥向上水箱供水，調(diào)節(jié)閥使之同時(shí)向外排水，令入水的速度大于出水的速度，達(dá)到被控參數(shù)（液位壓力）的動(dòng)態(tài)調(diào)整。本文的主要研究對(duì)象是：以單片機(jī)為控制核心，輔助以與單片機(jī)系統(tǒng)配套的、轉(zhuǎn)換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整（設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成），使水箱的實(shí)際液位壓力值與設(shè)定值接近，最終穩(wěn)定于設(shè)定值。單回路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇的不合適，則會(huì)使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)搭建好以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問題。圖單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 吐 一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)從原來的手動(dòng)操作要切換到自動(dòng)操作狀況，必須要無擾動(dòng)的，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能跟蹤手動(dòng)的輸出值，同時(shí)在切換時(shí)應(yīng)使測(cè)量值與給定值無偏差存在。由此可見，本文的研究?jī)?nèi)容為單回路的控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程做出了十分有益的嘗試。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，其主要組成部分有：基于擴(kuò)散硅傳感器的液位，壓力檢測(cè)單元、轉(zhuǎn)換單元、以單片機(jī)為核心的控制單元以及調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水量的變頻調(diào)速單元。塑圖單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖皇 掣單片機(jī)控制系統(tǒng)具體的工作過程是：設(shè)定欲穩(wěn)定的水箱的液位高度，通過檢測(cè)元件獲取當(dāng)前水箱的實(shí)際的液位高度，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)蘭字信號(hào)，送單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，經(jīng)過調(diào)節(jié)器做運(yùn)算，給變頻器輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，通過數(shù)，模轉(zhuǎn)換器將變頻器調(diào)速信號(hào)由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，由于變頻器的輸出頻率與輸入電壓成比例，可變的輸出頻率調(diào)整電動(dòng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量，達(dá)到調(diào)節(jié)水箱液位壓力的目的。在對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的電子電路作進(jìn)一步深入的研究和分析后，我們看到，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在本裝置中起到了核心和關(guān)鍵的作用。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由采樣電路、模擬量信號(hào)調(diào)理電路、儀表顯示電路、單片機(jī)監(jiān)控電路、電源電路共計(jì)種單元電路組成。這些電路以為核心，主要執(zhí)行以下四項(xiàng)任務(wù)【“：（）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的液位、壓力、流量等非電量實(shí)時(shí)信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)之后，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理，被送到單片機(jī)電路板的模擬量輸入端口。再經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后被變換為數(shù)字量，單片機(jī)定時(shí)采集這些數(shù)字信號(hào)，將其存儲(chǔ)起來。并及時(shí)更新存儲(chǔ)空間，等待主機(jī)的查詢。（）現(xiàn)場(chǎng)控制。和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)不同的是現(xiàn)場(chǎng)控制是指單片機(jī)電路板的輸出，這種輸出可以是數(shù)字量也可以是模擬量。在本裝置中，所謂控制，其實(shí)是指對(duì)變頻調(diào)速器的控制。單片機(jī)是通過其電路板上的轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)其對(duì)輸出模擬量信號(hào)的控制的。（）數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)作為下位機(jī)，必須不停地與上位機(jī)保持聯(lián)系，以便及時(shí)地將最新的現(xiàn)場(chǎng)被控參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)機(jī)，同時(shí)，獲取機(jī)發(fā)出的最新的調(diào)控轉(zhuǎn)速的指令。（）鍵盤及顯示監(jiān)控。在單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，可以通過鍵盤進(jìn)行通道的選擇和參數(shù)的設(shè)置等方面的工作。第三童數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的基本任務(wù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學(xué)科，所研究的對(duì)象是物理或生物等各種非電或電信號(hào)。根據(jù)各種電或非電物理信號(hào)的特征，利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換成為可真實(shí)反映事物特征的電信號(hào)后，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的有限長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學(xué)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制的重要依據(jù)。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務(wù)是將檢測(cè)元件獲取的當(dāng)前水箱的實(shí)際液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，以便單片機(jī)將該電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，從而按所得偏差進(jìn)行控制運(yùn)算。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件部分在當(dāng)今的微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到需要輸入各種模擬信號(hào)的狀況，這時(shí)必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換。有時(shí)，在某些實(shí)際項(xiàng)目中，為了采集模擬量而選用些專用的數(shù)掘采集卡，不僅使系統(tǒng)更加復(fù)雜，還增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。本實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)液位壓力緩慢變化的模擬信號(hào)，考慮到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等因素，在原有控制器的基礎(chǔ)上，以單片機(jī)為核心，利用少量的接口，采用串行轉(zhuǎn)換芯片，擴(kuò)展出一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制部分采用的是公司出產(chǎn)的單片機(jī)，其主要特性如下：）工作頻率為塒）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)位定時(shí)計(jì)數(shù)器）可編程口線條，中斷源個(gè)）字節(jié)俠閑字節(jié)）工作電壓，編程電壓）可電擦寫次）引腳，封裝本實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集對(duì)象為隨時(shí)間緩慢變化的液位，壓力信號(hào)，因此選用公司的位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其分辨率較高，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成轉(zhuǎn)換過程，而且采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了單片機(jī)的資源。其主要特點(diǎn)為：）位分辨率轉(zhuǎn)換器）在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為腳）個(gè)模擬輸入通道）路內(nèi)置自測(cè)試方式）采樣率為）線形誤差凹）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出）具有單、取極性輸出）可編程的或前導(dǎo)）可編程輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。；：。；：；謄：；【圖引腳 的引腳排列如圖所示。圖中的為模擬輸入端，路輸入信號(hào)由內(nèi)部多路器選通；為片選端，在，端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止 和；為串行數(shù)據(jù)輸入端。由位的串行地址輸入來選擇模擬量的輸入通道；為轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端，為高時(shí)，處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，為低時(shí)，處于激活狀態(tài)；為轉(zhuǎn)換結(jié)束端，在最后的 下降沿之后，從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止；為時(shí)鐘，其接收串行信號(hào)并完成以下個(gè)功能，（）在 的前個(gè)上升沿，位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器；（）在 的第個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到的最后一個(gè)下降沿為止：（）將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余位輸出到 端，在 的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)開始變化；（） 的最后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號(hào)傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位；為正基準(zhǔn)電壓端；為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；為電源；為內(nèi)部電路的她回路端。模擬信號(hào)的采集與處理液位的測(cè)量本裝置中液位的測(cè)量采用的是型傳感器。其工作原理是在單晶硅的基礎(chǔ)上擴(kuò)散出型或型電阻條，接成電橋。在壓力作用下，根據(jù)半導(dǎo)體的壓一阻效應(yīng)，把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，經(jīng)過測(cè)量電路所測(cè)的輸出電壓反映出所受壓力的變化，即液位的變化。當(dāng)硅膜片上受到壓力和，作用時(shí)，由于它們對(duì)膜片產(chǎn)生的壓力正好相反，因此作用在膜片上的壓力為矗一，從而可以進(jìn)行壓差測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中具體的測(cè)量方式為空氣管傳感方式：將一根管子（橡皮或塑料）豎直立起，其一端放于液體容器中，另一端完全敞開，則在管子里面的液面與容器中的是完全相同的。若將管子的上端封住（接到的壓力面），管子內(nèi)就會(huì)留有一定體積的氣體。當(dāng)容器內(nèi)液位變化時(shí)，管內(nèi)空氣的壓力將會(huì)成比例地變化，則傳感器的壓力面會(huì)將其所感知的壓力變化傳送給串行轉(zhuǎn)換芯片，將該壓力的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。的控制字格式“”有個(gè)輸入通道，有三種輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，每種數(shù)據(jù)又可以設(shè)定為不同的數(shù)據(jù)順序（高位在前還是低位在前）。通道的選擇、數(shù)據(jù)格式的設(shè)定，都是通過控制器向?qū)懣刂谱謥韺?shí)現(xiàn)的?？刂谱指袷饺绫硭尽１砜刂萍拇嫫髦懈魑欢x通道選擇輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度輸出數(shù)據(jù)順序極性選擇（）表通道的選擇或測(cè)試電壓的選擇通道選擇功能（）選擇通道選擇通道選擇通道選擇（耵口一）肛作為預(yù)試電壓。軟件關(guān)閉電源控制字相當(dāng)于內(nèi)部一個(gè)位的控制寄存器，用于選擇通道、選擇傳輸數(shù)據(jù)格式、傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。具體定義如表所示。表數(shù)據(jù)度的選擇表輸出數(shù)據(jù)的格式 輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度功能輸出數(shù)據(jù)的高位在（）輸出數(shù)據(jù)低位在前（）表極性的選擇功能單極性二進(jìn)制數(shù)烈極性二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換過程與的接口電路如圖所示。以片選信號(hào)百夏的電平為參考，的工作過程可分為轉(zhuǎn)換周期和周期兩部分交替進(jìn)行“。圖與芯片的接口電路 ）西，轉(zhuǎn)換周期此時(shí)、被禁止，引腳呈現(xiàn)高阻態(tài)，為高，被禁止，為共同使用串行總線的其他芯片讓出了總線使用權(quán)。這個(gè)周期是轉(zhuǎn)換周期仍在進(jìn)行轉(zhuǎn)換