單片機流量控制系統(tǒng),單片機,流量,控制系統(tǒng)
第一章 緒論
1．1 本課題的來源及研究對象
石油化工是我國國民經濟的支柱產業(yè)之一，其所實現(xiàn)的利潤約占全國國有及國有控股企業(yè)總利潤的1/4左右。油井產量的計量是油田生產管理中的一項重要工作，對油井產量進行準確、及時的計量，對掌握油藏狀況，制定生產方案，具有重要的指導意義。目前國內各油田采用的油井產量計量方法主要有玻璃管量油孔板測氣、翻斗量油孔板測氣、兩相分離密度法和三相分離計量方法等。隨著技術的進步，油田越來越需要功能強、自動化程度高的油井計量設備以提高勞動生產率和油田的管理水平。
除此以外, 為了使高粘度的石油得到開采，就得在開采過程中直接加入降粘劑，如果加少了，石油抽不上來，加多了又造成經濟浪費，由此引出了這個恒流量的控制系統(tǒng)。
綜上所述，無論是在石油的開采過程中注入降粘劑，還是在石油的計量及運輸過程中，對于流量都要求一定的精確計量和控制。因此，本課題就是針對這一具體實際要求，通過對當前一些相關領域的分析和研究，設計出了一種基于AT89C51單片機的控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)的研究對象就是液體如石油、水等的流量，通過對流量的檢測，完成對流量的控制。流量有瞬時流量和累積流量兩種單位。瞬時流量指單位時間內通過管道橫截面的流體的數(shù)量；累積流量指一段時間內的總流量。瞬時流量可以用體積流量、質量流量和重量流量三種方法來表示，而前兩種表示方法最為常用。除了上述瞬時流量之外，生產過程中有時還需要測量某段時間之內流體通過的累積總量，稱為累積流量，也常被稱為總流量。質量總量以M表示，體積流量以Qv表示。流量是重要的過程參數(shù)之一。流量是衡量設備的效率和經濟性的重要指標；流量是生產操作和控制的依據(jù)，流量的測量與控制是實現(xiàn)工業(yè)生產過程自動化的一項重要任務。
1．2 研究目的、意義及研究內容
（1）研究內容：本課題的主要研究內容是對流量進行檢測，主要由流量傳感器采集流量信息，然后經過AD轉換器將連續(xù)的模擬信號離散化后傳給單片機，單片機在軟件系統(tǒng)的控制下，根據(jù)預先的設置和預期的控制要求,通過步進電機來精確控制閥門的開度,實現(xiàn)對流量的精確控制。其中，硬件電路的搭接是本設計的重點，控制系統(tǒng)軟件的設計是本課題的核心。硬件電路部分，采用AT89C51單片機，外擴EPROM存儲器，構成單片機控制系統(tǒng)的主體部分。通過電磁流量傳感器，AD轉換器進行輸入，通過控制步進電機帶動閥門來控制輸出。一些其他的功能，如設定值輸入，數(shù)碼管顯示則通過擴展I/O接口芯片8155來完成相應的功能。系統(tǒng)軟件設計部分，分別對撥碼盤設定值輸入，步進電機控制，AD轉換控制，數(shù)碼管顯示等程序進行了設計，并且設計了主程序和流量控制PID程序。
（2）研究目的及意義：由于石油是重要的能源，無論上從節(jié)約能源的角度，還是從經濟性角度來看,對于流量的精確控制都是十分必要的，所產生的經濟效益也是十分明顯的。在自來水的監(jiān)測與流量控制中，應用高精度的流量計量與控制儀表也是必須的，所帶來的經濟效益是十分巨大且顯而易見的。
開展石油化工過程流程模擬、先進控制與過程優(yōu)化技術的研究與應用具有十分重要的現(xiàn)實意義，是當前國內外石油化工界廣泛關注的一個話題。自動化技術可以提高計量準確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時性，為優(yōu)化生產運行、核算經濟效益、強化生產調度和有效監(jiān)控生產過程，進一步降低泵站工業(yè)噪聲污染，改善職工工作條件，減輕勞動強度，避免職業(yè)傷害，延長設備使用壽命以及企業(yè)節(jié)能降耗工作起到積極作用。
1．3 流量計概述
在現(xiàn)代工業(yè)生產過程自動化中，流量是重要的過程參數(shù)之一。流量是衡量設備的效率和經濟性的重要指標；流量是生產操作和控制的依據(jù)，因為在大多數(shù)工業(yè)生產中，常用測量和控制流量來確定物料的配比與耗量，實現(xiàn)生產過程自動化和最優(yōu)控制。同時為了進行經濟核算，也必須知道如一個班組流過的介質總量。所以，流量的測量與控制是實現(xiàn)工業(yè)生產過程自動化的一項重要任務。
所謂流量是指單位時間內通過某一截面的物料數(shù)量，即瞬時流量。
1．3．1 流量計的分類
在流體工業(yè)中有大量的物料（流體）需要通過管道來傳送，如石油生產企業(yè)中的石油傳輸和控制、污水處理企業(yè)中的污水傳送和檢測、化工企業(yè)中各種氣體的傳輸和控制。為了提高產品質量，降低生產成本，控制污氣污水的排放以保護環(huán)境，對管道中流體的測量和控制實現(xiàn)自動化就成為生產過程中必不可少的一項任務。
工業(yè)上常用的流量計種類很多，如按照其測量原理來分類，大致有四類：差壓式流量計，速度式流量計，容積式流量計及其它類型流量計如基于電磁感應原理的電磁流量計和超聲波流量計等。
差壓式流量計主要利用管內流體通過節(jié)流裝置時，其流量與節(jié)流裝置前后的壓差有一定的關系，只要設法測出這一壓差值，就可求得流量之犬小。屬于這一類流量計的有標準節(jié)流裝置及轉子流量計等。節(jié)流裝置的發(fā)展較早，技術成熟而較完善，又因為應用廣泛，國際和國內都有這方面的標準；轉子流量計又名浮子流量計，它是工業(yè)上最常用的一種流量儀表，它具有壓力損失小，可以用來測量液體或氣體的流量，而且適宜在200mm的小管徑上測量。但轉子流量計因為其結構上的特點決定了它只能安裝在垂直流動的錐形管子上使用，而流體介質的流向應該是自下而上的。
速度式流量計主要利用管內流體的速度來推動葉輪旋轉，葉輪的轉速和流體的瞬時流量成正比，一段時間內的轉數(shù)與該時間段的累積總流量成正比。屬于這類流量計的有葉輪式水表和渦淪流量計等。家用自來水表就是典型的葉輪式流量計，葉輪式自來水表比較簡單價廉，但精確度不高。渦淪流量計的基本原理是渦輪在流體流動的作用力推動之下不斷轉動，渦輪轉動的角速度，也就是訊號的頻率數(shù)，它基本上與流體介質的體積流量值成正比，測量這一頻率數(shù)就可確定流體的瞬時流量和累積流量值。渦輪流量計具有較高的精度，但由于它具有軸承部分，所以影響了儀表的使用范圍和壽命，同時還必須嚴格要求流體純凈。
容積式流量計主要利用流體連續(xù)通過一定容積之后進行流量累計的原理。屬于這類流量計有橢圓齒輪流量計和腰輪（羅茨）流量計等。橢圓齒輪流量計和腰輪流量計原理相近，通過測量腰輪或齒輪的轉數(shù)就可知道累計總容積，這種儀表精確度較高，但只適應小流量的測量。
其它類型的流量計有電磁式流量計和超聲波流量計等。電磁式流量計利用導體在磁場中運動切割磁力線時，就會產主感應電動勢，其方向又右手定則確定，其大小有磁感應強度B、導體在磁場內的長度L、導體的運動速度V三者的乘積決定，這就是法拉第定律。根據(jù)此原理可以測導電流體的流量。但是由于感應電勢很小，一般為毫伏數(shù)量級，故對抗干擾要求很高，且流體必須具有導電性。對于大管徑流量方面，電磁式流量計較前面所述的流量計具有較大優(yōu)勢，它可以制成直徑3M的流量計。
超聲波流量計是一種較新的測量方法，它利用超聲波在流體中的傳播速度與流體流動速度有關，據(jù)此可以實現(xiàn)流量測量。這種方法也不會造成壓力損失，并且適合于大管徑、非導電性、強腐蝕性的液體或氣體流量的測量。
分析比較以上幾種流量計的優(yōu)缺點，前三種中雖然有的測量精度較高，但是都有一定的壓力損失，因為這些方法對流動或多或少有些阻力，而且只適用于小管徑的流量測量；而電磁式和超聲式流量計則可維持管道暢通無阻，或者說壓力損失微不足道，而且對于大管徑流量測量具有絕對的優(yōu)勢；從電磁式和超聲式來比較，超聲式對于大管徑的流量測量更具有優(yōu)勢，且抗干擾能力比電磁式要強。
1．3．2 電磁流量計簡介
一、概述
電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律研制成功的一種流量計，重要用于測量導電液體體積流量。20世紀30年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計的理論，20世紀50年代開始進入工業(yè)應用領域。20世紀70、80年代電磁流量計技術有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應用領域涉及工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學等多個領域，可測介質范圍也從電導率很低的蒸餾水到電導率很高的液態(tài)金屬，并有成熟的耐高溫高壓及高腐蝕性的設計方法。電磁流量計已基本實現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有0.2級精度的商品化電磁流量計出現(xiàn)。
電磁流量計采用的原理與常見的差壓式流量計不同，后者需要在管道中設置一定的檢測元件，因此也易造成堵塞，且會帶來一定的壓力損失。而電磁流量計以電磁感應定律為基礎，通過安裝在管道兩側的磁鐵，以流動的液體當作切割磁力線的導體，由產生的感應電動勢測知管道內液體的流速和流量。
由電磁流量計的測量過程，不難看出它有以下主要優(yōu)點：
1）屬于非接觸性儀表，測量管段是光滑直管，管內沒有任何阻礙流體流動的節(jié)流元件，不會引起額外的壓力損失，節(jié)能效果好，可用于測量各種粘度的液體，特別適于測量含固體顆粒的液固混合流，如紙漿、泥漿、污水等。此外除電極外沒有其他組件與液體直接接觸，因此它還適于測量腐蝕性大的液體，由此形成了獨特的應用領域。
2）流量計測量過程不受被測介質的溫度、粘度、密度等因素的影響，因此只需一次經水標定后就可用于測量其他導電液體的流量。
3）電磁場的產生是極快的過程，因此電磁流量計反應速度快，無機械慣性，可以測量瞬時流量，還可測水平或垂直管道中兩個軸向的流量。
4）流量計輸出只與被測介質的流速有關，量程范圍寬。
5）應用口徑范圍大，小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥衛(wèi)生等有衛(wèi)生要求的場所，中小口徑常用于高要求或難測場合，如造紙工業(yè)測量紙漿液，大口徑多用于給排水工程。
同時電磁流量計也有以下一些不足之處：不能測較高溫度流量；不能測氣體、蒸汽以及含有大量氣泡的液體；易受外界電磁干擾，造成輸出精度受影響；結構復雜，成本較高。
二、電磁流量計的結構
在結構上電磁流量傳感器由傳感器和轉換器兩部分組成。
測量管上下裝有勵磁線圈，通勵磁電流后產生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內壁與液體相接觸，引出感應電動勢送到轉換器，勵磁電流則由轉換器提供。轉換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉換成與流量信號成正比的標準信號輸出，最終完成顯示、記錄和調節(jié)控制等功能。
電磁流量傳感器主要由測量管組件、磁路系統(tǒng)等部分組成。
1．測量管組件
測量管位于傳感器中心，它的材料及制造應滿足下列要求：
1）必須由不導磁材料制成，以使磁力線能進入被測介質；
2）一般還應由高阻抗材料構成，如玻璃鋼或不銹鋼，以減小渦電流帶倆的損耗。
3）在使用金屬做測量管（如不銹鋼）時，整根測量管的內側應涂有絕緣層或襯墊絕緣套管，以避免流體中的電流被管壁短路。
2．磁路系統(tǒng)
磁路系統(tǒng)的作用是要產生一個磁場，而產生的磁場波形由選用的勵磁方式決定。勵磁方式的不同直接影響到儀表的抗干擾性，常用的有直流勵磁、正弦交流勵磁、恒電流方波勵磁三種。
（1）直流勵磁 利用永磁體或者直流電源勵磁產生恒定磁場，簡單可靠，受交流磁場干擾小。但其顯著缺點是直流感應電動勢在兩個電極表面形成固定的正負極性，引起被測介質電解，電極間電阻增大，感生的流量產生的電動勢減小。所以這種方式只適合于非電解質的導電液體（如液態(tài)金屬）的測量。
（2）正弦交流勵磁 利用正弦交流電給電磁流量傳感器中的勵磁繞組供電，產生交流正弦磁場，能避免直流勵磁所帶來的電極極化問題，缺點是會帶來一系列的磁干擾和噪聲，如串模干擾和共模干擾。
創(chuàng)模干擾：在相位上比流量信號滯后90°的干擾信號，途徑之一是導電液體和外電路構成的閉合回路在交變磁場作用下產生的感應電動勢；其二是被測導電流體形成流柱，在垂直于磁力線的軸向截面上產生渦電流。
共模干擾：頻率相位與流量信號一致的干擾信號，產生的主要原因之一是絕緣電阻和分布電容產生分壓；之二是雜散電流在地線上產生壓降。
實際應用中可采用降低電源頻率、嚴格電磁屏蔽、線路補償、使用獨立地線等方法，減小這些干擾的影響。
（3）恒電流方波勵磁 勵磁電流大小恒定，克服了直流勵磁帶來的電極極化問題，但線路較為復雜。
電磁流量轉換器的作用是通過內部的線性放大器將傳感器輸出的毫伏級電壓信號放大，并裝換成標準電流、電壓或頻率輸出，實現(xiàn)流量的顯示、記錄、積算等功能。此外，針對相應的勵磁方式，內部電路中還應包括抗干擾電路。
三、電磁流量計的選用和安裝
（一）選用
電磁流量計的選用應綜合使用場合、被測介質、測量要求等因素來考慮。
一般的化工、冶金、污水處理等行業(yè)可以選用通用型電磁流量計，有爆炸性危險的場合則應選用防爆型，醫(yī)藥衛(wèi)生等行業(yè)則可選用衛(wèi)生型。
對于測量精度的選擇也應視具體情況而定，應在經濟允許范圍內追求精度等級高的流量計，例如一些高精度的電磁流量計誤差可以達到±（0.5～1）﹪，可用于昂貴介質的精確測量，而一些低精度流量計成本較為低廉，用于對控制調節(jié)等一般要求的場合。
被測介質的腐蝕性、磨蝕性、流速、流量等因素也會影響電磁流量計的選擇，實際應用中應因情況而合理選擇，具體可查詢相關手冊。
（二）傳感器的安裝
傳感器的安裝應注意以下問題：
1）避免安裝在周圍有強腐蝕性氣體的場所；避免安裝在周圍有電動機、變壓器等可能帶來電磁干擾的場合；如果測量對象是兩相或多相流體，應避免可能會使流體相分離的場所；避免安裝在可能被雨水浸沒的場所，避免陽光直射。
2）水平安裝時，電極軸應處于水平，防止流體夾帶氣泡可能引起的電極短時間絕緣；垂直安裝時流動方向應向上，可使較輕顆粒上浮離開傳感電極區(qū)。
3）傳感器應采取接地措施以減小干擾的影響。在一般情況下，可通過將參比電極或金屬管將管中流體接地，將傳感器的接地片與地線相連。如果是非導電的管道或者沒有參比電極，可以將流體通過接地環(huán)接地。
本控制系統(tǒng)選用常見的電磁流量計作為傳感器。
1．4 控制閥概述
控制閥是自動控制系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，猶如人的手和腳?？刂崎y調節(jié)流體流量，克服干擾來保證被控變量達到給定的工藝指標。
控制閥的閥部分由閥的內件和閥體組成，閥的內件包括閥芯、閥桿、填料函和上閥蓋等。上閥蓋和填料函用于對閥桿密封和對閥桿進行導向，防止工藝介質沿控制閥門的閥桿這個可動部件向外泄漏，它是閥體不可分割的一部分。
常規(guī)的上閥蓋結構形式一般有四種：普通型、散熱片型、長頸型和波紋管密封型。材質一般有鑄鐵、鑄鋼和不銹鋼，填料函一般為聚四氟乙烯或柔性石墨。
典型的控制閥的閥蓋由與閥體相同的材料或等效的材料制成。閥蓋承受與閥體相同的溫度和腐蝕性影響，閥桿密封在經過幾百次的循環(huán)動作之后，就會磨損，在工程應用中，流體壓力也會導致密封磨損；填料的選擇也是一個問題，填料選擇不當，控制閥的摩擦力增大而導致控制閥死區(qū)增大或者很容易使閥桿密封失效。
因此，選擇控制閥，除了閥體結構、材質、執(zhí)行機構、口徑計算外，還應根據(jù)控制流體的壓力、溫度、壓差、流體的性質，合理選擇上閥蓋的結構形式和填料函，以防止流體沿著控制閥閥桿泄漏出來，即應充分考慮閥桿密封的性能和使用壽命。這在工程設計中顯得非常重要。
在強腐蝕、易揮發(fā)和有毒有害的工藝流體中，控制閥一般不采用普通型、散熱片型、長頸型上閥蓋及密封結構形式，因為此種結構形式的密封性能和使用壽命極為有限。在強腐蝕、易揮發(fā)和有毒有害的工藝條件下，一旦閥桿密封被破壞，強腐蝕、易揮發(fā)和有毒有害的工藝介質從控制閥閥桿中泄漏出來，會對周邊環(huán)境和人身安全帶來嚴重的后果。
采用波紋管密封型形式是解決上述問題的一個途徑。波紋管一般由不銹鋼做成。這種特殊的閥蓋結構保護控制閥的填料函避免和流體接觸，一旦波紋管破裂，在波紋管上面的填料函結構會防止波紋管破裂失效時產生的嚴重后果。在工程實際中，波紋管密封形式的選擇應充分考慮波紋管密封的壓力的額定值會隨溫度的增高而降低，流體中不能有固體的顆粒存在，及波紋管材料的最長循環(huán)動作壽命等。在不銹鋼不耐某些工藝介質腐蝕的強腐蝕的場所，如工藝介質為濕氯氣時，濕氯氣中含有的微量鹽酸會使不銹鋼波紋管很快被腐蝕，則控制閥閥桿不能采用波紋管密封的形式。
本控制系統(tǒng)采用由步進電機帶動的控制閥。
第二章 功能原理說明
2．1 控制系統(tǒng)的基本功能
該控制系統(tǒng)的基本功能有如下幾點：
1．流量顯示功能
a 復位顯示功能：
b 平均流量顯示內容折算成立方米
c 累積流量顯示內容為立方米
d 累積流量數(shù)值的保護不受停電的影響
e 顯示精度均保留到小數(shù)點后兩位
2．對水泵的工作狀態(tài)進行監(jiān)視
a 水泵工作正常，則顯示平均流量和累積流量的值
b 當水泵停止工作時LED顯示部分顯示的內容和復位時相同
3．對電動閥門有較好的控制功能
在軟件設計當中考慮到對電機控制時避免頻繁啟動，因為頻啟動會影響閥門的密封效果和使用壽命，流量控制是一個動態(tài)的調節(jié)過程，每次采樣后和以前的上次采樣值取平均值，用這個值和撥碼開關值進行比較。這樣基本上流量控制精度在2﹪～5﹪之間。
2．2 系統(tǒng)工作原理
(1)總體設計
通過AD轉換器，作為單片機與外部輸入的接口，將外部的模擬量輸入單片機。單片機在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對輸入的數(shù)據(jù)進行分析，向外部輸出控制信號，步進電機是具體的執(zhí)行機構。同時，系統(tǒng)還設有撥碼盤輸入和數(shù)碼管顯示。撥碼盤作為系統(tǒng)的設定值輸入，數(shù)碼管顯示動態(tài)的流量和累積的流量。系統(tǒng)軟件主要包括主程序，流量控制程序和供主程序調用的各個小的子程序。主程序實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序實現(xiàn)相應的具體功能。流量控制程序實現(xiàn)對流量的控制。
（2）工作原理
系統(tǒng)的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號，AD轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉換器將離散的控制信號轉化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調節(jié)流量，實現(xiàn)流量的精確控制。
系統(tǒng)原理框圖如下：
圖2.1 系統(tǒng)原理框圖
其中，電磁流量計作為流量傳感器，采集流量信息，經放大器放大后送到AD轉換器。AD轉換器將連續(xù)的模擬量轉化為單片機能接受的離散的數(shù)字量。單片機收到流量信號后，在控制系統(tǒng)軟件的作用下，發(fā)出相應的執(zhí)行命令給執(zhí)行機構——步進電機。步進電機帶動閥門動作，對流體流量進行控制。2．3 電磁流量計測量原理
電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律研制成功的一種流量計，重要用于測量導電液體體積流量。20世紀30年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計的理論，20世紀50年代開始進入工業(yè)應用領域。20世紀70、80年代電磁流量計技術有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應用領域涉及工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學等多個領域，可測介質范圍也從電導率很低的蒸餾水到電導率很高的液態(tài)金屬，并有成熟的耐高溫高壓及高腐蝕性的設計方法。電磁流量計已基本實現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有0.2級精度的商品化電磁流量計出現(xiàn)。
電磁流量計采用的原理與常見的差壓式流量計不同，后者需要在管道中設置一定的檢測元件，因此也易造成堵塞，且會帶來一定的壓力損失。而電磁流量計以電磁感應定律為基礎，通過安裝在管道兩側的磁鐵，以流動的液體當作切割磁力線的導體，由產生的感應電動勢測知管道內液體的流速和流量。
由法拉第電磁感應定律，當導體在磁場中運動切割磁力線時，在它的兩端將產生感應電動勢e，其方向由右手定則確定，大小則與磁感應強度B、切割磁力線的有效長度L、垂直于磁場方向的速度v成正比，即
e=BLSv
B、L、v三者之間互相垂直。
電磁流量計中，在一段不導磁測量管兩側安裝上一對電磁鐵，產生一個均勻分布的磁場，磁感應強度B，則管內以速度v流動的導電性液體就相當于切割磁力線的導體，如果沿管道截面與磁場垂直方向上在外管壁兩測安裝一對電極，那么流體切割線的長度就是兩個電極間的距離，也就是管道內徑D（m），則電極中的感應電動勢為
e=BDv
由于體積流量qv與v有如下關系，即
qv=v
則
e=qv
由此可見，體積流量qv與e/B成正比，而當磁感應強度B為恒定值時，在測量電極上就可以得到與流量成正比的電動勢。
2．4 PID控制算法介紹
將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器稱PID控制器。
PID控制器是控制系統(tǒng)中技術比較成熟，而且應用最廣泛的一種控制器。它的結構簡單，參數(shù)容易調整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學模型，因此在工業(yè)的各個領域中都有應用。
PID控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬PID控制器是通過硬件（電子元件、氣動和液壓元件）來實現(xiàn)它的功能。隨著計算機的出現(xiàn)，把它移植到計算機控制系統(tǒng)中來,將原來的硬件實現(xiàn)的功能用軟件來代替，因此稱作數(shù)字PID控制器，所形成的一整套算法則稱為數(shù)字PID算法。數(shù)字PID控制器與模擬PID控制器相比，具有非常強的靈活性，可以根據(jù)試驗和經驗在線調整參數(shù)，因此可以得到很好的控制性能。
由于計算機的出現(xiàn)，計算機進入了控制領域。人們將模擬PID控制規(guī)律引入到計算機中來。對PID控制規(guī)律進行適當?shù)淖儞Q，就可以用軟件來實現(xiàn)PID控制，即數(shù)字PID控制。
數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。我們采用位置式PID算法，故這里主要介紹位置式PID算法。
由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進行連續(xù)控制。由于這一特點，原式中的積分項和微分項不能直接使用，必須進行離散化處理。離散化處理的方法為：以T作為采樣周期，k 作為采樣序號，則離散采樣時間kT對應著連續(xù)時間t，用求和的形式代替積分，用增量的形式代替微分，可作如下近似變換：
tkT （k=0，1，2）
T=T
=
上式中，為了表示方便,將類似于e（kT）簡化成ek等。
將上式代入原式，就可以得到離散的PID表達式為
uk=Kp[ek++（ek-ek-1）]+u0 （2——1）
或
uk=Kpek+K1+KD(ek-ek-1)+u0 （2——2）
式中 k——采樣序號，k=0，1，2，……；
uk——第k次采樣時刻的計算機輸出值；
ek——第k次采樣時刻輸入的偏差值；
ek-1——第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；
K1——積分系數(shù)，K1=Kp；
KD——微分系數(shù)，KD=Kp；
u0——開始進行PID控制時的原始初值。
如果采樣周期取得足夠小，則式（2—1）或式（2—2）的近似計算可獲得足夠精確的結果，離散控制過程與連續(xù)控制過程十分接近。
式（2—1）和式（2—2）表示的控制算法是直接按模擬式所給出的PID控制規(guī)律定義進行計算的，所以它給出了全部控制量的大小，因此被稱為全量式或位置式PID控制算法。
這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關，計算時要對ek進行累加，工作量大；并且，因為計算機輸出的uk對應的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，輸出的uk將大幅度變化，會引起執(zhí)行機構的大幅度變化，有可能因此造成嚴重的生產事故，這在生產實際中是不能允許的。應用增量式PID控制算法可以避免這種現(xiàn)象發(fā)生。
在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計算機軟件來實現(xiàn)的，因此它的靈活性很大，一些原來在模擬PID中無法實現(xiàn)的問題，在引入計算機后，只要通過軟件處理就可以得到解決。于是，產生了一系列圍繞此目的的改進算法，滿足不同控制應用系統(tǒng)的需求。
第三章 總體設計
3．1 硬件構成與工作原理
本系統(tǒng)主要由水泵、流量傳感器、電動閥門和MCS-51單片機控制系統(tǒng)以及液體管線和控制線、監(jiān)視線等組成。
系統(tǒng)結構框圖如下所示：
圖3.1 系統(tǒng)結構框圖
流量是指單位時間內通過管道某一截面的物料數(shù)量。本控制系統(tǒng)的任務是對通過某一管道截面的物料數(shù)量即降粘劑流量進行控制。本系統(tǒng)采用單片機控制，通過流量計采集流量信息，傳給單片機。單片機通過預先設定值和系統(tǒng)軟件進行分析，發(fā)出相應的控制信號，驅動調節(jié)閥動作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實現(xiàn)生產過程自動化。
系統(tǒng)的工作原理是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號，AD轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉換器將離散的控制信號轉化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調節(jié)流量，實現(xiàn)流量的精確控制。
系統(tǒng)硬件結構圖如下圖所示：
圖3.2 硬件框圖
3．2 軟件總體結構設計
該控制系統(tǒng)的程序主要分為三部分：主程序、流量控制程序和各種中斷子程序。主程序完成系統(tǒng)的地址分配、系統(tǒng)初始化和各子程序的調用。流量控制程序通過PID控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化控制。各子程序完成相應的各功能。
軟件設計是本控制系統(tǒng)設計的核心，在完成了系統(tǒng)硬件的搭接之后，剩下來的主要任務接是系統(tǒng)軟件的設計。該控制系統(tǒng)的軟件設計可以分為三部分：一、主程序部分。該部分完成存儲器分區(qū)、數(shù)據(jù)定義和系統(tǒng)的初始化等，以及調用各個子程序，完成主要的控制功能；二、流量控制程序。通過PID控制算法，編寫出相應的流量控制子程序，實現(xiàn)對流量的控制，達到預期的控制要求；三、各子程序。各個子程序完成具體的實現(xiàn)方法，主要包括：設定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進電機控制、AD轉換中斷、T0定時器中斷、采樣中斷等。由此我們可以得出系統(tǒng)的總體設計框圖，如下圖所示。
軟件流程圖如下：
圖3.3 主程序流程圖
第四章 硬件電路設計
4．1 硬件總體設計思想
系統(tǒng)的總體設計思想是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉化為電信號，AD轉換器將模擬電信號轉化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉換器將離散的控制信號轉化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調節(jié)流量，實現(xiàn)流量的精確控制。
4．2 片子簡介
4．2．1 AT89C51單片機及引腳功能介紹
AT89C51屬于MCS-51系列單片機。在MCS-51系列中，各類單片機是相互兼容的，只是引腳功能略有差異。在器件引腳的封裝上，MCS-51系列機通常有兩種封裝：一種是雙列直插式封裝，常為HMOS型器件所用；另一種是方形封裝，大多數(shù)在CHMOS型器件中使用。其中，引腳1和引腳2（方形封裝為引腳2和引腳3）的第二功能僅用于8052/8032，NC為空引腳。如下圖所示。
AT89C51有40條引腳，共分為端口線、電源線和控制線三類。
1．端口線（4×8=32條）
8051共有四個并行I/O端口，每個端口都有八條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)/地址。由于每個端口的結構各不相同，因此它們在功能和用途上的差別頗大?，F(xiàn)對它們綜述如下：
①P0.7—P0.0：這組引腳共有八條，為P0口所專用，其中P0.7為最高位，P0.0為最低位。這八條引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況之下。第一種情況是AT89C51不帶片外存儲器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7—P0.0用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)。這時，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性。第二種情況是AT89C51帶片外存儲器，P0.7—P0.0在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。
圖4.1 AT89C51引腳圖
其中，8751的P0口還有第三種功能，即它們可以用來得8751片內EPROM編程或進行編程后的讀出校驗。這時，P0.7—P0.0用于傳送EPROM的編程機器碼或讀出校驗碼。
②P1.7—P1.0：這八條引腳和P0口的八條引腳類似，P1.7為最高位，P1.0為最低位。當P1口作為通用I/O使用時，P1.7—P1.0 的功能和P0口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)。
8751的P1口還有第二功能，既它在8751編程/校驗時用于輸入片內EPROM的低8位地址。
③P2.7—P2.0：這組引腳的第一功能和上述兩組引腳的第一功能相同，即它可以作為通用I/O使用。它的第二功能和P0口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲器單元，但并不能像P0口那樣還可以傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。
8751的P2.7—P2.0還具有第二功能，即它可以配合P1.7—P1.0傳送片內EPROM12位地址中的高八位地址。
④P3.7—P3.0：這組引腳的第一功能和其余三個端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每個引腳并不完全相同，如表1所示。
表1 P3口各位的第二功能
P3口的位
第二功能
注釋
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD
TXD
T0
T1
串行數(shù)據(jù)接收口
串行數(shù)據(jù)發(fā)送口
外中斷0輸入
外中斷1輸入
計數(shù)器0計數(shù)輸入
計數(shù)器1計數(shù)輸入
外部RAM寫選通信號
外部RAM讀選通信號
2．電源線（2條）
VCC為+5V電源線，VSS為接地線。
3．控制線（6條）
①ALE/：地址鎖存允許/編程線，配合P0口引腳的第二功能使用。在訪問片外存儲器時，8051CPU在P0.7—P0.0引腳線上輸出片外存儲器低8位地址的同時還在ALE/線上輸出一個高電位脈沖，用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器。以便空出P0.7—P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，8051自動在ALE/線上輸出頻率為fOSC/6的脈沖序列。該脈沖序列可用作外部時鐘電源或作為定時脈沖源使用。
對于8751，ALE/線還具有第二功能。它可以在對8751片內EPROM編程/校驗時傳送52ms寬的負脈沖。
②/VPP：允許訪問片外存儲器/編程電源線，可以控制8051使用片內ROM還是使用片外ROM。若=1，則允許使用片內ROM；若=0，則允許使用片外ROM。
對8751，/VPP用于在片內EPROM編程/校驗時輸入21V編程電源。
③：片外ROM選通線，在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時，8051自動在線上產生一個負脈沖，用于為片外ROM芯片的選通。其他情況下，線均為高電平封鎖狀態(tài)。
④RST/VPD：復位/備用電源線，可以時8051處于復位（即初始化）工作狀態(tài)。通常，8051 的復位有自動上電復位和人工按鈕復位兩種。
RST/VPD的第二功能是作為備用電源輸入端。當主電源VCC發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時，RST/VPD線上的備用電源自動投入使用，以保證片內RAM中信息不丟失。
在單片機應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位以外，外部擴展I/O接口電路等也需要復位，因此需要一個包括上電和按鈕復位在內的系統(tǒng)同步復位電路。
⑤XTAL1和XTAL2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接8051片內OSC的定時反饋回路。
石英晶振起振后要能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便使MCS-51片內的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，fOSC的輸出時鐘頻率fOSC為0.5MHz—16MHz，典型值為12MHz或11.059MHz。電容C01和C02可以幫助起振，典型值為30pf，調節(jié)它們可以達到微調fOSC的目的。
MCS-51所需的時鐘也可以由外部振蕩器提供。外部時鐘源應是方波發(fā)生器，頻率應根據(jù)所用MCS-51中的具體機型確定。
4．2．2 ADC0809介紹
ADC有兩大類：一類在電子線路中使用，不帶使能控制端；另一類帶有使能控制端，可和微機直接接口。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉換器，可以和微機直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以相互代換。
1．內部結構
ADC0809由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成。
（1）八路模擬開關及地址鎖存與譯碼器
八路模擬開關用于輸入IN0—IN7上八路模擬電壓。地址鎖存和譯碼器在ALE信號控制下可以鎖存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息，經譯碼后控制IN0—IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。例如：當ADDA、ADDB和ADDC上均為低電平0以及ALE為高電平時，地址鎖存和譯碼器輸出使IN0上模擬電壓送到比較器輸入端VIN。
（2）256電阻階梯和樹狀開關
為了簡化問題起見，現(xiàn)以二位電阻階梯和樹狀開關為例加以說明。其中，四個分壓電阻使A、B、C和D四點分壓成2.5V、1.5V、0.5V和0V。SAR中高位D1控制左邊兩只樹狀電子開關，低位D0控制右邊四只樹狀開關。各開關旁的0和1表示樹狀開關閉合條件，由D1D0狀態(tài)決定。例如：D1=1，則上面開關閉合而下面開關斷開，D1=0時的情況正好與此相反。樹狀開關輸出電壓VST和D1D0關系列出于表2。
表2 VST和D1D0的關系
D1 D0
VST
0 0
0V
0 1
0.5V
1 0
1.5V
1 1
2.5V
對于8位A/D轉換器，SAR為八位，電阻階梯、樹狀開關和上述情況類似。只是要有28=256個分壓電阻，形成256個標準電壓供給樹狀開關使用。VST送給比較器輸入端。
（3）逐次逼近寄存器和比較器
SAR在A/D轉換過程中存放暫態(tài)數(shù)字量，在A/D轉換完成后存放數(shù)字量，并可送到“三態(tài)輸出鎖存器”。
A/D轉移前，SAR為全0。A/D轉換開始時，控制電路使SAR最高位為1，并控制樹狀開關的閉合和斷開，由此產生VST送給比較器。比較器對輸入模擬電壓VIN和VST進行比較。若VIN
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