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(jīng)濟的支柱產(chǎn)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(chǎn)量的計量是油田生產(chǎn)管理中的一項重要工作，對油井產(chǎn)量進行準確、及時的計量，對掌握油藏狀況，制定生產(chǎn)方案，具有重要的指導意義。目前國內(nèi)各油田采用的油井產(chǎn)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(shù)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(shè)備以提高勞動生產(chǎn)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(jīng)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(guān)領(lǐng)域的分析和研究，設(shè)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(nèi)通過管道橫截面的流體的數(shù)量；累積流量指一段時間內(nèi)的總流量。瞬時流量可以用體積流量、質(zhì)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(chǎn)過程中有時還需要測量某段時間之內(nèi)流體通過的累積總量，稱為累積流量，也常被稱為總流量。質(zhì)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(shè)備的效率和經(jīng)濟性的重要指標；流量是生產(chǎn)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(chǎn)過程自動化的一項重要任務(wù)。
1．2 研究目的、意義及研究內(nèi)容
（1）研究內(nèi)容：本課題的主要研究內(nèi)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(jīng)過AD轉(zhuǎn)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(yù)先的設(shè)置和預(yù)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(shè)計的重點，控制系統(tǒng)軟件的設(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(shè)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(yīng)的功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計部分，分別對撥碼盤設(shè)定值輸入，步進電機控制，AD轉(zhuǎn)換控制，數(shù)碼管顯示等程序進行了設(shè)計，并且設(shè)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(jīng)濟性角度來看,對于流量的精確控制都是十分必要的，所產(chǎn)生的經(jīng)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(yīng)用高精度的流量計量與控制儀表也是必須的，所帶來的經(jīng)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(shù)的研究與應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義，是當前國內(nèi)外石油化工界廣泛關(guān)注的一個話題。自動化技術(shù)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(chǎn)運行、核算經(jīng)濟效益、強化生產(chǎn)調(diào)度和有效監(jiān)控生產(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(shè)備的效率和經(jīng)濟性的重要指標；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，因為在大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)過程自動化和最優(yōu)控制。同時為了進行經(jīng)濟核算，也必須知道如一個班組流過的介質(zhì)總量。所以，流量的測量與控制是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動化的一項重要任務(wù)。
所謂流量是指單位時間內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)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(chǎn)過程中必不可少的一項任務(wù)。
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(yīng)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(nèi)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(guān)系，只要設(shè)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(zhuǎn)子流量計等。節(jié)流裝置的發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，又因為應(yīng)用廣泛，國際和國內(nèi)都有這方面的標準；轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子流量計因為其結(jié)構(gòu)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(zhì)的流向應(yīng)該是自下而上的。
速度式流量計主要利用管內(nèi)流體的速度來推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速和流體的瞬時流量成正比，一段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，渦輪轉(zhuǎn)動的角速度，也就是訊號的頻率數(shù)，它基本上與流體介質(zhì)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(zhuǎn)數(shù)就可知道累計總?cè)莘e，這種儀表精確度較高，但只適應(yīng)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(chǎn)主感應(yīng)電動勢，其方向又右手定則確定，其大小有磁感應(yīng)強度B、導體在磁場內(nèi)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(yīng)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(guān)，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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。20世紀70、80年代電磁流量計技術(shù)有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等多個領(lǐng)域，可測介質(zhì)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(shè)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(shè)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(yīng)定律為基礎(chǔ)，通過安裝在管道兩側(cè)的磁鐵，以流動的液體當作切割磁力線的導體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢測知管道內(nèi)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(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域。
2）流量計測量過程不受被測介質(zhì)的溫度、粘度、密度等因素的影響，因此只需一次經(jīng)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(chǎn)生是極快的過程，因此電磁流量計反應(yīng)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(zhì)的流速有關(guān)，量程范圍寬。
5）應(yīng)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(jié)構(gòu)復雜，成本較高。
二、電磁流量計的結(jié)構(gòu)
在結(jié)構(gòu)上電磁流量傳感器由傳感器和轉(zhuǎn)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(chǎn)生磁場穿過測量管，一對電極裝在測量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電動勢送到轉(zhuǎn)換器，勵磁電流則由轉(zhuǎn)換器提供。轉(zhuǎn)換器將傳感器送來的流量信號進行放大，并轉(zhuǎn)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(diào)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(yīng)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(zhì)；
2）一般還應(yīng)由高阻抗材料構(gòu)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(nèi)側(cè)應(yīng)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(chǎn)生一個磁場，而產(chǎn)生的磁場波形由選用的勵磁方式?jīng)Q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(chǎn)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(yīng)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(zhì)電解，電極間電阻增大，感生的流量產(chǎn)生的電動勢減小。所以這種方式只適合于非電解質(zhì)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(chǎn)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(gòu)成的閉合回路在交變磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)生的主要原因之一是絕緣電阻和分布電容產(chǎn)生分壓；之二是雜散電流在地線上產(chǎn)生壓降。
實際應(yīng)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(zhuǎn)換器的作用是通過內(nèi)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(yīng)的勵磁方式，內(nèi)部電路中還應(yīng)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(yīng)綜合使用場合、被測介質(zhì)、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(yīng)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(yīng)視具體情況而定，應(yīng)在經(jīng)濟允許范圍內(nèi)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(zhì)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(diào)節(jié)等一般要求的場合。
被測介質(zhì)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(yīng)用中應(yīng)因情況而合理選擇，具體可查詢相關(guān)手冊。
（二）傳感器的安裝
傳感器的安裝應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)向上，可使較輕顆粒上浮離開傳感電極區(qū)。
3）傳感器應(yīng)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(diào)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(nèi)件和閥體組成，閥的內(nèi)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(jīng)過幾百次的循環(huán)動作之后，就會磨損，在工程應(yīng)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(jié)構(gòu)、材質(zhì)、執(zhí)行機構(gòu)、口徑計算外，還應(yīng)根據(jù)控制流體的壓力、溫度、壓差、流體的性質(zhì)，合理選擇上閥蓋的結(jié)構(gòu)形式和填料函，以防止流體沿著控制閥閥桿泄漏出來，即應(yīng)充分考慮閥桿密封的性能和使用壽命。這在工程設(shè)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(jié)構(gòu)形式，因為此種結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)會防止波紋管破裂失效時產(chǎn)生的嚴重后果。在工程實際中，波紋管密封形式的選擇應(yīng)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(zhì)腐蝕的強腐蝕的場所，如工藝介質(zhì)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(nèi)容折算成立方米
c 累積流量顯示內(nèi)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(nèi)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(shè)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(diào)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(guān)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(shè)計
通過AD轉(zhuǎn)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(gòu)。同時，系統(tǒng)還設(shè)有撥碼盤輸入和數(shù)碼管顯示。撥碼盤作為系統(tǒng)的設(shè)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(diào)用的各個小的子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的總體功能，子程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的具體功能。流量控制程序?qū)崿F(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(zhuǎn)化為電信號，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)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(shè)定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調(diào)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(jīng)放大器放大后送到AD轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器將連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)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(yīng)的執(zhí)行命令給執(zhí)行機構(gòu)——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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。20世紀70、80年代電磁流量計技術(shù)有了突破性的發(fā)展，成為使用廣泛的一類儀表，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學等多個領(lǐng)域，可測介質(zhì)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(shè)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(shè)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(yīng)定律為基礎(chǔ)，通過安裝在管道兩側(cè)的磁鐵，以流動的液體當作切割磁力線的導體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢測知管道內(nèi)液體的流速和流量。
由法拉第電磁感應(yīng)定律，當導體在磁場中運動切割磁力線時，在它的兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e，其方向由右手定則確定，大小則與磁感應(yīng)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(cè)安裝上一對電磁鐵，產(chǎn)生一個均勻分布的磁場，磁感應(yīng)強度B，則管內(nèi)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(nèi)徑D（m），則電極中的感應(yīng)電動勢為
e=BDv
由于體積流量qv與v有如下關(guān)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(yīng)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(gòu)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(shù)比較成熟，而且應(yīng)用最廣泛的一種控制器。它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)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(lǐng)域中都有應(yīng)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(jīng)驗在線調(diào)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(lǐng)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(yīng)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(jié)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(guān)，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(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴重的生產(chǎn)事故，這在生產(chǎn)實際中是不能允許的。應(yīng)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(chǎn)生了一系列圍繞此目的的改進算法，滿足不同控制應(yīng)用系統(tǒng)的需求。
第三章 總體設(shè)計
3．1 硬件構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖如下所示：
圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
流量是指單位時間內(nèi)通過管道某一截面的物料數(shù)量。本控制系統(tǒng)的任務(wù)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(yù)先設(shè)定值和系統(tǒng)軟件進行分析，發(fā)出相應(yīng)的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實現(xiàn)生產(chǎn)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(zhuǎn)化為電信號，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)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(shè)定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調(diào)節(jié)流量，實現(xiàn)流量的精確控制。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
圖3.2 硬件框圖
3．2 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)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(diào)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(yīng)的各功能。
軟件設(shè)計是本控制系統(tǒng)設(shè)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(wù)接是系統(tǒng)軟件的設(shè)計。該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)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(diào)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(yīng)的流量控制子程序，實現(xiàn)對流量的控制，達到預(yù)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(shè)定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進電機控制、AD轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計
4．1 硬件總體設(shè)計思想
系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是流量傳感器采集到流量信息，通過變換器，轉(zhuǎn)化為電信號，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)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(shè)定值對采集的信息進行處理，輸出離散的控制信號。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動作，從而調(diào)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)ROM還是使用片外ROM。若=1，則允許使用片內(nèi)ROM；若=0，則允許使用片外ROM。
對8751，/VPP用于在片內(nèi)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(chǎn)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(nèi)RAM中信息不丟失。
在單片機應(yīng)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(nèi)的系統(tǒng)同步復位電路。
⑤XTAL1和XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接8051片內(nèi)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(nèi)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(diào)節(jié)它們可以達到微調(diào)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(yīng)是方波發(fā)生器，頻率應(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)
ADC0809由八路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、256電阻階梯、樹狀開關(guān)、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(guān)及地址鎖存與譯碼器
八路模擬開關(guān)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(jīng)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(guān)
為了簡化問題起見，現(xiàn)以二位電阻階梯和樹狀開關(guān)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(guān)，低位D0控制右邊四只樹狀開關(guān)。各開關(guān)旁的0和1表示樹狀開關(guān)閉合條件，由D1D0狀態(tài)決定。例如：D1=1，則上面開關(guān)閉合而下面開關(guān)斷開，D1=0時的情況正好與此相反。樹狀開關(guān)輸出電壓VST和D1D0關(guān)系列出于表2。
表2 VST和D1D0的關(guān)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(zhuǎn)換器，SAR為八位，電阻階梯、樹狀開關(guān)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(guān)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(zhuǎn)換過程中存放暫態(tài)數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移前，SAR為全0。A/D轉(zhuǎn)換開始時，控制電路使SAR最高位為1，并控制樹狀開關(guān)的閉合和斷開，由此產(chǎn)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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