基于單片機的壓力液位控制系統(tǒng)的設計研究.doc

基于單片機的壓力液位控制系統(tǒng)的設計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、進展狀況以及提高自動化程度的若干新技術：研究了過程控制實驗裝置的內(nèi)在結構、控制對象以及主要特點；選取過程控制中的典型參數(shù)液位壓力為控制對象，設計了以機為上位機、以（；單片機為下位機，并輔之以傳感器、變頻器阻及相關接口部件的二級集散控制系統(tǒng)；著重介紹了基于單片機的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)和基于一通信標準的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)程序模塊的設計思路、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的一過程控制系統(tǒng)的硬件和軟件都采用模塊化設計，硬件模塊便于生產(chǎn)和維護；軟件模塊便于修改和升級。文中的數(shù)據(jù)采集與處理程序、上位機與下位機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，上位機的人機交互界面與數(shù)據(jù)輸出程序采用高級語言來開發(fā)。通過本文的研究，總結出了基于單片機過程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢：體積小，實際應用系統(tǒng)簡單實用，成本低，效益好；具有較高的性能價格比；系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性高。本文為基于單片機的過程控制系統(tǒng)應用到實際生產(chǎn)過程做了有益的嘗試，為提高我國過程控制自動化水平提供了有參考價值的設計思路。關鍵詞：過程控制單片機數(shù)據(jù)采集串行通信程序設計 -11 ， 。 ， ，： ， （一 ； ， ， ， ， ， ， ， ， 一 卜一 ， ； ， ， ， ， ， ： ；：， ： ： ： 插圖清單圖一實驗裝置工藝流程圖圖微機監(jiān)控系統(tǒng)測繪的液位動態(tài)波形圖單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)框圖圖單片機控制系統(tǒng)的結構框圖圖圖，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)部結構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計算機與終端連接方法圖上位機接收數(shù)據(jù)主程序流程圖圖上位機接收數(shù)據(jù)中斷服務程序流程圖圖下位機發(fā)送數(shù)據(jù)主程序流程圖圖下位機接收數(shù)據(jù)程序流程圖圖下位機發(fā)送數(shù)據(jù)中斷服務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算機控制界面圖單片機控制屏面板圖單片機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的液位曲線時的液位曲線圖， 時的液位曲線圖 ，時的液位曲線圖，時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試電壓的選擇表數(shù)據(jù)長度的選擇表輸出數(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（）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)功能定義獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進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構靜學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：鼠虬蠢簽字日期：年月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解金墾工些盔堂有關保留，使用學位論文的規(guī)定，有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權金世王些盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文（保密的學位論文在解密后適用本授權書）學位論文儲躲閻絨諳導師簽名季武簽字日期：町年月日簽字日期：加哆年夕月日，學位論文作者畢業(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，從進入課題到論文的順利完成，許多師長、同學、朋友給予了我極大的幫助，在這里請你們接受我誠摯的謝意。本文是在我的導師朱武副教授的悉心指導下完成的。在整個研究生階段，朱老師無論在學習上還是生活上都給我極大的幫助和鼓勵。朱老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、盡心盡責的工作態(tài)度、平易近人的作風以及積極樂觀的生活態(tài)度，都對我產(chǎn)生了很深的影響，將是我一生受益不盡的財富。在此向朱老師致以最誠摯的感謝！在研究生階段的學習和研究生活中，真空教研室的陳長琦老師、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。由衷感謝我的同學謝俊楊有財、高龐、劉珍、陳明在多年的學習和生活上給予我的幫助。感謝孫潔、徐正俠、謝祖強、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生活上對我的幫助。由衷痞謝我的父母，是他們的無私奉獻和全力支持為我鋪平了前進的道路，讓我在人生的旅程上一帆風順，我將以更好的成績來回報他們！最后，再次向所有關心和支持我的老師、同學、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)過程的自動化。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中，過程控制技術正在為實現(xiàn)各種最優(yōu)技術指標、提高經(jīng)濟效益和社會效益、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能、環(huán)保和改善勞動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)儀表和計算機來分，有儀表過程控制系統(tǒng)和計算機過程控制系統(tǒng)；按給定信號的特點來分，有定值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)等【。由于被控對象本身是千差萬別的，所以要求過程控制系統(tǒng)的設計工作必須根據(jù)具體的工業(yè)設計過程的特性和工藝要求，通過選用過程檢測控制儀表構成系統(tǒng)，再通過參數(shù)整定，實現(xiàn)對生產(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，自動控制理論經(jīng)歷了兩個主要的發(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)過半個多世紀的發(fā)展，這些常規(guī)的控制方法已經(jīng)形成了比較完善的學科體系，并獲得了許多成功的應用。它主要是針對工藝過程的連續(xù)時間動態(tài)系統(tǒng)，要求對象必須量化，各種量化參數(shù)之間的關系能夠用比較精確的數(shù)學模型來描述。隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，復雜性越來越高，市場競爭也越來越激烈。因此，對企業(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)定的運行，獲得最大的經(jīng)濟效益，原來簡單的、局部的、常規(guī)的控常和僅憑經(jīng)驗的管理在現(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，又有多種先進控制系統(tǒng)得到充分研究，如多變量預估控制（），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），適用于大時滯過程的先進控制（），能夠進行故障檢測和診斷的容錯控制以及連續(xù)工業(yè)過程的計算機一體化生產(chǎn)系統(tǒng)（），等等。這些新的控制理論的出現(xiàn)，進一步推動了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，并且在常規(guī)控制理論的基礎上產(chǎn)生了一個新的飛躍。，基于單片機控制的特點（）單片微機體積小，實際應用系統(tǒng)簡單實用，成本低，效益好。（）系統(tǒng)配置以滿足對象的控制要求為出發(fā)點，使得系統(tǒng)具有較高的性能價格比。（）應用系統(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。（）應用系統(tǒng)所用存儲器芯片可選用、芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于成批開發(fā)和應用，許多單片微機如系列和系列，開發(fā)芯片和應用芯片相互配套，使應用系統(tǒng)成本大大降低。（）由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強、體積小，便于安裝于被控設備之內(nèi)，大大推動了機電一體化產(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)大學實驗室建設項目，目的在于對一實驗裝置進行控制、調(diào)節(jié)，使管道的流量、液位等參數(shù)值達到給定要求；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對實驗裝置的液位壓力參數(shù)的控制和調(diào)節(jié)，即以單片機為調(diào)節(jié)器，輔助以與單片機系統(tǒng)配套的、轉換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)整（設定值在單片機鍵盤上完成）。課題的意義在工業(yè)生產(chǎn)的實踐中，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)定實質(zhì)上是指產(chǎn)品的某些最關鍵性的指標必須達到預定的要求：但是產(chǎn)品的性能指標的穩(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。事實上，在許多領域，過程控制的主要目的在于消除或減小外界的干擾對被控量的影響，使被控量能夠穩(wěn)定在給定值上。一個良好的控制系統(tǒng)不但要保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整個生產(chǎn)的安全，滿足一定的約束條件，而且應該帶來一定的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，對于過程控制系統(tǒng)的設計，已不能采用單一基于定量的數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制理論稻控制技術必須進一步開發(fā)高級的過程控制系統(tǒng)，研究先進的過程控制規(guī)律。所以基于單片機的控制系統(tǒng)在過程控制的生產(chǎn)實踐中，發(fā)揮了越來越重要的作用。單片微機在許多過程控制設備和產(chǎn)品中都得到廣泛的應用。由于其體積小，價格低，具有邏輯判斷、定時計數(shù)、程序控制等多種功能，在各個領域、各個行業(yè)都得到了廣泛應用。不僅有常用的位機，而且位單片機和位單片機也得到了普及，隨著過程控制精度要求的增加和運算速度的增快，位單片機也得到了進一步的應用。第二章卜過程控制實驗系統(tǒng)型過程控制實驗裝置是杭州天科技術公司天煌教學儀器廠生產(chǎn)豹一種新型實驗設備，下面簡要介紹一下該實驗裝置的被控對象以及所能提供的過程檢測控制儀表。實驗裝置所構建的控制對象一過程控制實驗裝置的對象模型是由上、下兩個水箱構成液位、壓力、流量三個參數(shù)的控制系統(tǒng)，由復合水箱和加熱器構成溫度控制系統(tǒng)。執(zhí)行部件是三相變頻調(diào)速交流鼠籠電動機，支流調(diào)速他勵電動機和通過固態(tài)繼電器控制的電熱器。過程控制實驗裝置集多參數(shù)閉環(huán)控制為一體由過程控制對象、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)。控制對象主要由上、下兩個水箱、一個電加熱器復合水箱及一個儲水箱組成。上、下水箱滾位或壓力作為被控對象由兩個水泵供水（由交流、直流調(diào)速電機、齒輪泵和壓力傳感器等組成），水箱水溫作為被控對象是由溫度傳感器、加熱器、固態(tài)繼電器等組成；管道上裝有電磁流量計、閥門等。水位、水溫、壓力以及供水流量均可作為被控變量。兩個水泵可同時工作，也可單獨工作，還可以將其中一個作為執(zhí)行器，另一個作為干擾源。整個對象可設計成一階、二階系統(tǒng)。系統(tǒng)的工藝流程圖如圖所示，交流電動機從儲水箱中抽水，提供給對象，一方面它可以通過閥或閥供給復合溫控水箱，再經(jīng)過電磁流量計（）后，經(jīng)閥或閥分別供給上，下兩個水箱；另外一方面，直流電動機從儲水箱中抽水，通過閥和閥也可供水給上、下兩個水箱，兩個水箱內(nèi)均裝有液位傳感器 ）和溢流口，而且每個水箱的出水口均經(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（），用于檢測壓力的大小。下水箱的水經(jīng)過閥流到復合加熱水箱的外殼，最后經(jīng)溢流口流回儲水箱，從而構成了一個水循環(huán)系統(tǒng)。在復合加熱水箱的內(nèi)套安裝了加熱器和（溫度傳感器），用于檢測溫度。實驗裝置的主要特點：實驗裝置所構建的上述控制對象模擬了一個自動供水系統(tǒng)，體現(xiàn)了過程控制系統(tǒng)的如下幾個特點】：連續(xù)生產(chǎn)的自動控制系統(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)由水管通入儲水箱，所以無論操作者將系統(tǒng)組合成何種系統(tǒng)，電動機或水泵都可以隨時投入工作而不會發(fā)生事故。圖 實驗裝置工藝流程圖 在閥、閥、閥，閥都打開的情況下，可以構建一個恒定液位或永壓的控制系統(tǒng)。這自然使人想起當前流行的無水塔自來水自動供水系統(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)量上和時間上都是隨機的。因此，為了維持水箱中壓力和液位的恒定，水泵電動機就必須自動地、不停地調(diào)節(jié)其轉速以改變其供水量的大小，使之與實際的用水量想一致。所以整個工作過程必定是連續(xù)的、不間斷的，而且作為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，偏差和調(diào)節(jié)是不斷出現(xiàn)的，平衡是暫時的，整個系統(tǒng)將隨時處于動態(tài)調(diào)節(jié)的狀態(tài)中。被控參數(shù)為非電量的如前所述，實驗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)場各種參量控制過程，這些過程的機理不同，有些可以使用同樣的執(zhí)行機構，例如壓力、流量、溫度的控制中都使用了交流變頻調(diào)速電動機和水泵作為執(zhí)行機構；有些則使用不同的執(zhí)行機構，例如溫度的控制系統(tǒng)中則使用了電熱器和無觸點繼電器作為執(zhí)行機構。被控對象及控制過程的多樣性必然導致控制方案的多樣性?？刂七^程的多樣性與所有自動控制系統(tǒng)相比，過程控制系統(tǒng)的控制方案以穩(wěn)定、準確、高效率和低成本為設計的基本目標。在滿足基本目標的前提下，實驗裝置為用戶提供了各種工作模塊的選擇方案。對于同一個控制對象變頻器及交流電機一水泵無極調(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行實驗。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)機監(jiān)控方式、控制呻機監(jiān)控方式、單片機控帶卜機監(jiān)控方式。需要指出的是，以上各種控制系統(tǒng)均配以機加以監(jiān)控或監(jiān)測，一方面可以充分發(fā)揮機圖形界面的優(yōu)勢，直觀地表達出控制系統(tǒng)過渡過程的動態(tài)波形曲線，另一方面，在現(xiàn)代過程控制系統(tǒng)中，機本身正取代調(diào)節(jié)器而發(fā)揮越來越大的作用。以閉環(huán)控制的液位自動調(diào)制系統(tǒng)為例，計算機通過實時監(jiān)測，給出了該系統(tǒng)在啟動時輸出量的動態(tài)波形曲線，圖，中是在采用調(diào)節(jié)器時的波形，顯然存在靜差；是采用調(diào)節(jié)器，同一系統(tǒng)啟動時輸出量的動態(tài)波形圖，兩者的差異顯而易見。圖微機監(jiān)控系統(tǒng)測繪的液位動態(tài)波形 目葉 實驗裝置所選用的測控儀表過程控制是通過各種檢測儀表、控制儀表（包括電動儀表和氣動儀表模擬儀表和智能儀表）和電子計算機（看作一臺儀表）等自動化技術工具，對整個生產(chǎn)過程進行自動檢測、自動監(jiān)督和自動控制，過程檢測控制儀表包括檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器（包括計算機）、調(diào)節(jié)閥等?，F(xiàn)將實驗裝置所選用的有關的智能化部件介紹如下。壓力傳感器的選擇擴散硅傳感器的工作原理是利用單晶硅的壓阻效應，采用工藝擴散四個等值應變電阻，組成惠斯登電橋，不受壓力作用時，電橋處于平衡狀態(tài)，當受到壓力（或壓差）作用時，電橋的一對橋壁窀阻變大，另一對變小，電撟失去平衡，若對電撟加一恒定的電壓，便可檢測到對應于所加壓力的電壓信號，從而達到測量液體、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激光敏感調(diào)節(jié)電阻，用以偏置校準和溫度補償。它由單個型壓敏電阻代替了以往由個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)的型單片機它與一系列單片機是兼容的，在內(nèi)部含有可重復編程的存儲器，可進行次擦寫操作，全靜態(tài)工作為淵，有三級程序存儲器加密鎖定，內(nèi)部含字節(jié)的，條可編程的端口，有個位定時計數(shù)器、級中斷、通用串行接口、低電壓空閑及電源下降方式。它的優(yōu)點如下”：（）內(nèi)部含有存儲器。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，所以當用單片機取代時，可以直接進行代換。（）靜態(tài)時鐘方式。采用靜態(tài)時鐘方式，所以可節(jié)省電能，這對于降低便攜式產(chǎn)品的功耗十分有用。（）錯誤編程也無廢品產(chǎn)生。一般的產(chǎn)品一旦錯誤編程就成了廢品，而內(nèi)部采用了存儲器，所以錯誤編程之后仍可以重新編程，直到正確為止，故不存在廢品。（）可進行反復系統(tǒng)實驗。用單片機設計的系統(tǒng)可以反復進行系統(tǒng)實驗，每次實驗可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設計達到最優(yōu)，而且隨客戶的需要和發(fā)展還可以進行修改。是系統(tǒng)不斷追隨用戶的最新要求。，變頻囂的選擇”。實驗裝置采用的是三菱變頻器，這是個智能型器件，內(nèi)有嵌入式微控制器具有可編程參數(shù)設置和完善的自動故障檢測及保護功能。具有通信接口，可以實現(xiàn)與計算機通信，由機算機進行參數(shù)的設置或在計算機直接控制下的運行。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（即手動操作方式）；（）多段位操作方式（一般適合于用對其進行控制時使用）；（）外部模擬量輸入控制方式；（）計算機通信控制方式。可編程控制器的選擇在實驗裝置中，采用了西門子公司的可編程控制器。它集成了個輸入個輸出，總共有個數(shù)字量點。字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，個獨立的高速計數(shù)器。具有控制器，個通信編程口。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，是具有較強控制能力的控制器。溫度變送器的選擇實驗裝置中，溫度監(jiān)控的任務是由監(jiān)測控制儀表溫度變送器實現(xiàn)的。溫度變送器一是一臺內(nèi)含單片機的智能化儀表。具有溫度一電量變送、調(diào)節(jié)控制、測量顯示、設置及設置顯示、報警及通信等多項功能。作為一個相對獨立的數(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溫度控制系統(tǒng)進行手工操作，也可以通過計算機進行自動監(jiān)控。由以上介紹不難看出實驗裝置給我們提供了一個具體的、多參量的過程控制對象，又提供了多種智能化的執(zhí)行部件和檢測控制儀表，這些部件和儀表的選型應能滿足可靠性、實用性和先進性的要求。但是，如同其他自動控制系統(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。一臺一實驗裝置只是其中的一個現(xiàn)場控制站。單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)簡介圖為單容水箱液位，壓力控制系統(tǒng)簡圖。這是一個單回路反饋控制系統(tǒng)，控制的任務是使水箱的液位，壓力等于給定值，減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響。我們僅以上水箱為例，設定萁液位，壓力參數(shù)為被控對象。交流電動機帶動齒輪泵通過閥向上水箱供水，調(diào)節(jié)閥使之同時向外排水，令入水的速度大于出水的速度，達到被控參數(shù)（液位壓力）的動態(tài)調(diào)整。本文的主要研究對象是：以單片機為控制核心，輔助以與單片機系統(tǒng)配套的、轉換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動調(diào)整（設定值在單片機鍵盤上完成），使水箱的實際液位壓力值與設定值接近，最終穩(wěn)定于設定值。單回路控制系統(tǒng)由于結構簡單、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用。當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，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，則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預期的效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)搭建好以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個很重要的實際問題。圖單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)簡圖 吐 一個控制系統(tǒng)設計好以后，系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)從原來的手動操作要切換到自動操作狀況，必須要無擾動的，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能跟蹤手動的輸出值，同時在切換時應使測量值與給定值無偏差存在。由此可見，本文的研究內(nèi)容為單回路的控制系統(tǒng)應用到實際生產(chǎn)過程做出了十分有益的嘗試。單片機監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能單片機控制系統(tǒng)的結構框圖如圖所示，其主要組成部分有：基于擴散硅傳感器的液位，壓力檢測單元、轉換單元、以單片機為核心的控制單元以及調(diào)節(jié)水箱進水量的變頻調(diào)速單元。塑圖單片機控制系統(tǒng)的結構框圖皇 掣單片機控制系統(tǒng)具體的工作過程是：設定欲穩(wěn)定的水箱的液位高度，通過檢測元件獲取當前水箱的實際的液位高度，經(jīng)模數(shù)轉換芯片將模擬信號轉換為數(shù)蘭字信號，送單片機與設定值進行比較，得到偏差信號，經(jīng)過調(diào)節(jié)器做運算，給變頻器輸出一個轉速控制信號，通過數(shù)，模轉換器將變頻器調(diào)速信號由數(shù)字信號轉換成模擬信號，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)整電動機和水泵的轉速，從而調(diào)節(jié)流量，達到調(diào)節(jié)水箱液位壓力的目的。在對實驗裝置的電子電路作進一步深入的研究和分析后，我們看到，單片機監(jiān)控系統(tǒng)在本裝置中起到了核心和關鍵的作用。單片機監(jiān)控系統(tǒng)由采樣電路、模擬量信號調(diào)理電路、儀表顯示電路、單片機監(jiān)控電路、電源電路共計種單元電路組成。這些電路以為核心，主要執(zhí)行以下四項任務【“：（）現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測?，F(xiàn)場產(chǎn)生的液位、壓力、流量等非電量實時信號經(jīng)傳感器轉換成電信號之后，經(jīng)過信號調(diào)理，被送到單片機電路板的模擬量輸入端口。再經(jīng)過轉換之后被變換為數(shù)字量，單片機定時采集這些數(shù)字信號，將其存儲起來。并及時更新存儲空間，等待主機的查詢。（）現(xiàn)場控制。和現(xiàn)場監(jiān)測不同的是現(xiàn)場控制是指單片機電路板的輸出，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，其實是指對變頻調(diào)速器的控制。單片機是通過其電路板上的轉換電路來實現(xiàn)其對輸出模擬量信號的控制的。（）數(shù)據(jù)通信。單片機作為下位機，必須不停地與上位機保持聯(lián)系，以便及時地將最新的現(xiàn)場被控參數(shù)的實時數(shù)據(jù)上報機，同時，獲取機發(fā)出的最新的調(diào)控轉速的指令。（）鍵盤及顯示監(jiān)控。在單片機監(jiān)控系統(tǒng)中，可以通過鍵盤進行通道的選擇和參數(shù)的設置等方面的工作。第三童數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的基本任務數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學科，所研究的對象是物理或生物等各種非電或電信號。根據(jù)各種電或非電物理信號的特征，利用相應的歸一化技術，將其轉換成為可真實反映事物特征的電信號后，經(jīng)轉換器轉換為計算機可識別的有限長二進制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學和實現(xiàn)工業(yè)實時控制的重要依據(jù)。在本實驗裝置中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務是將檢測元件獲取的當前水箱的實際液位高度轉換成相應的電壓值，以便單片機將該電壓值與設定的電壓值進行比較，從而按所得偏差進行控制運算。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件部分在當今的微機測控系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到需要輸入各種模擬信號的狀況，這時必須進行轉換。有時，在某些實際項目中，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)更加復雜，還增加了系統(tǒng)的設計成本。本實驗裝置針對液位壓力緩慢變化的模擬信號，考慮到經(jīng)濟、實用等因素，在原有控制器的基礎上，以單片機為核心，利用少量的接口，采用串行轉換芯片，擴展出一個數(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，其主要特性如下：）工作頻率為塒）兩個標準位定時計數(shù)器）可編程口線條，中斷源個）字節(jié)俠閑字節(jié)）工作電壓，編程電壓）可電擦寫次）引腳，封裝本實驗裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集對象為隨時間緩慢變化的液位，壓力信號，因此選用公司的位串行模數(shù)轉換器，其分辨率較高，使用開關電容逐次逼近技術完成轉換過程，而且采用的是串行輸入結構，大大節(jié)省了單片機的資源。其主要特點為：）位分辨率轉換器）在工作溫度范圍內(nèi)轉換時間為腳）個模擬輸入通道）路內(nèi)置自測試方式）采樣率為）線形誤差凹）有轉換結束輸出）具有單、取極性輸出）可編程的或前導）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。；：。；：；謄：；【圖引腳 的引腳排列如圖所示。圖中的為模擬輸入端，路輸入信號由內(nèi)部多路器選通；為片選端，在，端由高變低時，內(nèi)部計數(shù)器復位。由低變高時，在設定時間內(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；為轉換結果的三態(tài)串行輸出端，為高時，處于高阻抗狀態(tài)，為低時，處于激活狀態(tài)；為轉換結束端，在最后的 下降沿之后，從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D換完成和數(shù)據(jù)準備傳輸為止；為時鐘，其接收串行信號并完成以下個功能，（）在 的前個上升沿，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，直到的最后一個下降沿為止：（）將前一次轉換數(shù)據(jù)的其余位輸出到 端，在 的下降沿時數(shù)據(jù)開始變化；（） 的最后一個下降沿，將轉換的控制信號傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位；為正基準電壓端；為負基準電壓端；為電源；為內(nèi)部電路的她回路端。模擬信號的采集與處理液位的測量本裝置中液位的測量采用的是型傳感器。其工作原理是在單晶硅的基礎上擴散出型或型電阻條，接成電橋。在壓力作用下，根據(jù)半導體的壓一阻效應，把壓力的變化轉換成電阻的變化，經(jīng)過測量電路所測的輸出電壓反映出所受壓力的變化，即液位的變化。當硅膜片上受到壓力和，作用時，由于它們對膜片產(chǎn)生的壓力正好相反，因此作用在膜片上的壓力為矗一，從而可以進行壓差測量。實驗中具體的測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)就會留有一定體積的氣體。當容器內(nèi)液位變化時，管內(nèi)空氣的壓力將會成比例地變化，則傳感器的壓力面會將其所感知的壓力變化傳送給串行轉換芯片，將該壓力的變化轉換成電信號。的控制字格式“”有個輸入通道，有三種輸出數(shù)據(jù)長度，每種數(shù)據(jù)又可以設定為不同的數(shù)據(jù)順序（高位在前還是低位在前）。通道的選擇、數(shù)據(jù)格式的設定，都是通過控制器向?qū)懣刂谱謥韺崿F(xiàn)的?？刂谱指袷饺绫硭?。表控制寄存器中各位定義通道選擇輸出數(shù)據(jù)長度輸出數(shù)據(jù)順序極性選擇（）表通道的選擇或測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）肛作為預試電壓。軟件關閉電源控制字相當于內(nèi)部一個位的控制寄存器，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制數(shù)烈極性二進制數(shù)轉換過程與的接口電路如圖所示。以片選信號百夏的電平為參考，的工作過程可分為轉換周期和周期兩部分交替進行“。圖與芯片的接口電路 ）西，轉換周期此時、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。這個周期是轉換周期仍在進行轉換