單片機(jī)流量控制系統(tǒng)

單片機(jī)流量控制系統(tǒng),單片機(jī),流量,控制系統(tǒng) 第一章 緒論11 本課題的來源及研究對(duì)象石油化工是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，其所實(shí)現(xiàn)的利潤(rùn)約占全國(guó)國(guó)有及國(guó)有控股企業(yè)總利潤(rùn)的1/4左右。油井產(chǎn)量的計(jì)量是油田生產(chǎn)管理中的一項(xiàng)重要工作，對(duì)油井產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)的計(jì)量，對(duì)掌握油藏狀況，制定生產(chǎn)方案，具有重要的指導(dǎo)意義。目前國(guó)內(nèi)各油田采用的油井產(chǎn)量計(jì)量方法主要有玻璃管量油孔板測(cè)氣、翻斗量油孔板測(cè)氣、兩相分離密度法和三相分離計(jì)量方法等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，油田越來越需要功能強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的油井計(jì)量設(shè)備以提高勞動(dòng)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(jì)浪費(fèi)，由此引出了這個(gè)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(jì)量及運(yùn)輸過程中，對(duì)于流量都要求一定的精確計(jì)量和控制。因此，本課題就是針對(duì)這一具體實(shí)際要求，通過對(duì)當(dāng)前一些相關(guān)領(lǐng)域的分析和研究，設(shè)計(jì)出了一種基于AT89C51單片機(jī)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)的研究對(duì)象就是液體如石油、水等的流量，通過對(duì)流量的檢測(cè)，完成對(duì)流量的控制。流量有瞬時(shí)流量和累積流量?jī)煞N單位。瞬時(shí)流量指單位時(shí)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(shí)間內(nèi)的總流量。瞬時(shí)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(shí)流量之外，生產(chǎn)過程中有時(shí)還需要測(cè)量某段時(shí)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(jì)性的重要指標(biāo)；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，流量的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。12 研究目的、意義及研究?jī)?nèi)容（1）研究?jī)?nèi)容：本課題的主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)流量進(jìn)行檢測(cè)，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(hào)離散化后傳給單片機(jī)，單片機(jī)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(jìn)電機(jī)來精確控制閥門的開度,實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制。其中，硬件電路的搭接是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是本課題的核心。硬件電路部分，采用AT89C51單片機(jī)，外擴(kuò)EPROM存儲(chǔ)器，構(gòu)成單片機(jī)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(jìn)行輸入，通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)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(kuò)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(jì)部分，分別對(duì)撥碼盤設(shè)定值輸入，步進(jìn)電機(jī)控制，AD轉(zhuǎn)換控制，數(shù)碼管顯示等程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)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(jì)性角度來看,對(duì)于流量的精確控制都是十分必要的，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也是十分明顯的。在自來水的監(jiān)測(cè)與流量控制中，應(yīng)用高精度的流量計(jì)量與控制儀表也是必須的，所帶來的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)意義，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外石油化工界廣泛關(guān)注的一個(gè)話題。自動(dòng)化技術(shù)可以提高計(jì)量準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時(shí)性，為優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行、核算經(jīng)濟(jì)效益、強(qiáng)化生產(chǎn)調(diào)度和有效監(jiān)控生產(chǎn)過程，進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度，避免職業(yè)傷害，延長(zhǎng)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。13 流量計(jì)概述在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(jì)性的重要指標(biāo)；流量是生產(chǎn)操作和控制的依據(jù)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)工業(yè)生產(chǎn)中，常用測(cè)量和控制流量來確定物料的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化和最優(yōu)控制。同時(shí)為了進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，也必須知道如一個(gè)班組流過的介質(zhì)總量。所以，流量的測(cè)量與控制是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一項(xiàng)重要任務(wù)。所謂流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的物料數(shù)量，即瞬時(shí)流量。131 流量計(jì)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(cè)、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(hù)環(huán)境，對(duì)管道中流體的測(cè)量和控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化就成為生產(chǎn)過程中必不可少的一項(xiàng)任務(wù)。工業(yè)上常用的流量計(jì)種類很多，如按照其測(cè)量原理來分類，大致有四類：差壓式流量計(jì)，速度式流量計(jì)，容積式流量計(jì)及其它類型流量計(jì)如基于電磁感應(yīng)原理的電磁流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等。 差壓式流量計(jì)主要利用管內(nèi)流體通過節(jié)流裝置時(shí)，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(cè)出這一壓差值，就可求得流量之犬小。屬于這一類流量計(jì)的有標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置及轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。節(jié)流裝置的發(fā)展較早，技術(shù)成熟而較完善，又因?yàn)閼?yīng)用廣泛，國(guó)際和國(guó)內(nèi)都有這方面的標(biāo)準(zhǔn)；轉(zhuǎn)子流量計(jì)又名浮子流量計(jì)，它是工業(yè)上最常用的一種流量?jī)x表，它具有壓力損失小，可以用來測(cè)量液體或氣體的流量，而且適宜在200mm的小管徑上測(cè)量。但轉(zhuǎn)子流量計(jì)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)決定了它只能安裝在垂直流動(dòng)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(jì)主要利用管內(nèi)流體的速度來推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)速和流體的瞬時(shí)流量成正比，一段時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)與該時(shí)間段的累積總流量成正比。屬于這類流量計(jì)的有葉輪式水表和渦淪流量計(jì)等。家用自來水表就是典型的葉輪式流量計(jì)，葉輪式自來水表比較簡(jiǎn)單價(jià)廉，但精確度不高。渦淪流量計(jì)的基本原理是渦輪在流體流動(dòng)的作用力推動(dòng)之下不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，也就是訊號(hào)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(cè)量這一頻率數(shù)就可確定流體的瞬時(shí)流量和累積流量值。渦輪流量計(jì)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(shí)還必須嚴(yán)格要求流體純凈。 容積式流量計(jì)主要利用流體連續(xù)通過一定容積之后進(jìn)行流量累計(jì)的原理。屬于這類流量計(jì)有橢圓齒輪流量計(jì)和腰輪（羅茨）流量計(jì)等。橢圓齒輪流量計(jì)和腰輪流量計(jì)原理相近，通過測(cè)量腰輪或齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)就可知道累計(jì)總?cè)莘e，這種儀表精確度較高，但只適應(yīng)小流量的測(cè)量。 其它類型的流量計(jì)有電磁式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等。電磁式流量計(jì)利用導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)主感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其方向又右手定則確定，其大小有磁感應(yīng)強(qiáng)度B、導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)的長(zhǎng)度L、導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)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(cè)導(dǎo)電流體的流量。但是由于感應(yīng)電勢(shì)很小，一般為毫伏數(shù)量級(jí)，故對(duì)抗干擾要求很高，且流體必須具有導(dǎo)電性。對(duì)于大管徑流量方面，電磁式流量計(jì)較前面所述的流量計(jì)具有較大優(yōu)勢(shì)，它可以制成直徑3M的流量計(jì)。 超聲波流量計(jì)是一種較新的測(cè)量方法，它利用超聲波在流體中的傳播速度與流體流動(dòng)速度有關(guān)，據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。這種方法也不會(huì)造成壓力損失，并且適合于大管徑、非導(dǎo)電性、強(qiáng)腐蝕性的液體或氣體流量的測(cè)量。分析比較以上幾種流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，前三種中雖然有的測(cè)量精度較高，但是都有一定的壓力損失，因?yàn)檫@些方法對(duì)流動(dòng)或多或少有些阻力，而且只適用于小管徑的流量測(cè)量；而電磁式和超聲式流量計(jì)則可維持管道暢通無阻，或者說壓力損失微不足道，而且對(duì)于大管徑流量測(cè)量具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)；從電磁式和超聲式來比較，超聲式對(duì)于大管徑的流量測(cè)量更具有優(yōu)勢(shì)，且抗干擾能力比電磁式要強(qiáng)。132 電磁流量計(jì)簡(jiǎn)介一、概述電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研制成功的一種流量計(jì)，重要用于測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量。20世紀(jì)30年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計(jì)的理論，20世紀(jì)50年代開始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)70、80年代電磁流量計(jì)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(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，可測(cè)介質(zhì)范圍也從電導(dǎo)率很低的蒸餾水到電導(dǎo)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(jì)方法。電磁流量計(jì)已基本實(shí)現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有0.2級(jí)精度的商品化電磁流量計(jì)出現(xiàn)。電磁流量計(jì)采用的原理與常見的差壓式流量計(jì)不同，后者需要在管道中設(shè)置一定的檢測(cè)元件，因此也易造成堵塞，且會(huì)帶來一定的壓力損失。而電磁流量計(jì)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(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)知管道內(nèi)液體的流速和流量。由電磁流量計(jì)的測(cè)量過程，不難看出它有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1）屬于非接觸性儀表，測(cè)量管段是光滑直管，管內(nèi)沒有任何阻礙流體流動(dòng)的節(jié)流元件，不會(huì)引起額外的壓力損失，節(jié)能效果好，可用于測(cè)量各種粘度的液體，特別適于測(cè)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(cè)量腐蝕性大的液體，由此形成了獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。2）流量計(jì)測(cè)量過程不受被測(cè)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(biāo)定后就可用于測(cè)量其他導(dǎo)電液體的流量。3）電磁場(chǎng)的產(chǎn)生是極快的過程，因此電磁流量計(jì)反應(yīng)速度快，無機(jī)械慣性，可以測(cè)量瞬時(shí)流量，還可測(cè)水平或垂直管道中兩個(gè)軸向的流量。4）流量計(jì)輸出只與被測(cè)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(chǎng)所，中小口徑常用于高要求或難測(cè)場(chǎng)合，如造紙工業(yè)測(cè)量紙漿液，大口徑多用于給排水工程。同時(shí)電磁流量計(jì)也有以下一些不足之處：不能測(cè)較高溫度流量；不能測(cè)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(fù)雜，成本較高。二、電磁流量計(jì)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(cè)量管上下裝有勵(lì)磁線圈，通勵(lì)磁電流后產(chǎn)生磁場(chǎng)穿過測(cè)量管，一對(duì)電極裝在測(cè)量管內(nèi)壁與液體相接觸，引出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)送到轉(zhuǎn)換器，勵(lì)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(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成與流量信號(hào)成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(cè)量管組件、磁路系統(tǒng)等部分組成。1測(cè)量管組件測(cè)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(dǎo)磁材料制成，以使磁力線能進(jìn)入被測(cè)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(cè)量管（如不銹鋼）時(shí)，整根測(cè)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(gè)磁場(chǎng)，而產(chǎn)生的磁場(chǎng)波形由選用的勵(lì)磁方式?jīng)Q定。勵(lì)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(lì)磁、正弦交流勵(lì)磁、恒電流方波勵(lì)磁三種。（1）直流勵(lì)磁 利用永磁體或者直流電源勵(lì)磁產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，簡(jiǎn)單可靠，受交流磁場(chǎng)干擾小。但其顯著缺點(diǎn)是直流感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在兩個(gè)電極表面形成固定的正負(fù)極性，引起被測(cè)介質(zhì)電解，電極間電阻增大，感生的流量產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)減小。所以這種方式只適合于非電解質(zhì)的導(dǎo)電液體（如液態(tài)金屬）的測(cè)量。（2）正弦交流勵(lì)磁 利用正弦交流電給電磁流量傳感器中的勵(lì)磁繞組供電，產(chǎn)生交流正弦磁場(chǎng)，能避免直流勵(lì)磁所帶來的電極極化問題，缺點(diǎn)是會(huì)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(hào)滯后90的干擾信號(hào)，途徑之一是導(dǎo)電液體和外電路構(gòu)成的閉合回路在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；其二是被測(cè)導(dǎo)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(hào)一致的干擾信號(hào)，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(shí)際應(yīng)用中可采用降低電源頻率、嚴(yán)格電磁屏蔽、線路補(bǔ)償、使用獨(dú)立地線等方法，減小這些干擾的影響。（3）恒電流方波勵(lì)磁 勵(lì)磁電流大小恒定，克服了直流勵(lì)磁帶來的電極極化問題，但線路較為復(fù)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(jí)電壓信號(hào)放大，并裝換成標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓或頻率輸出，實(shí)現(xiàn)流量的顯示、記錄、積算等功能。此外，針對(duì)相應(yīng)的勵(lì)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(jì)的選用和安裝（一）選用電磁流量計(jì)的選用應(yīng)綜合使用場(chǎng)合、被測(cè)介質(zhì)、測(cè)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(jì)，有爆炸性危險(xiǎn)的場(chǎng)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(duì)于測(cè)量精度的選擇也應(yīng)視具體情況而定，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)允許范圍內(nèi)追求精度等級(jí)高的流量計(jì)，例如一些高精度的電磁流量計(jì)誤差可以達(dá)到（0.51），可用于昂貴介質(zhì)的精確測(cè)量，而一些低精度流量計(jì)成本較為低廉，用于對(duì)控制調(diào)節(jié)等一般要求的場(chǎng)合。被測(cè)介質(zhì)的腐蝕性、磨蝕性、流速、流量等因素也會(huì)影響電磁流量計(jì)的選擇，實(shí)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(cè)。（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(qiáng)腐蝕性氣體的場(chǎng)所；避免安裝在周圍有電動(dòng)機(jī)、變壓器等可能帶來電磁干擾的場(chǎng)合；如果測(cè)量對(duì)象是兩相或多相流體，應(yīng)避免可能會(huì)使流體相分離的場(chǎng)所；避免安裝在可能被雨水浸沒的場(chǎng)所，避免陽光直射。2）水平安裝時(shí)，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(shí)間絕緣；垂直安裝時(shí)流動(dòng)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(dǎo)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(jì)作為傳感器。14 控制閥概述 控制閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)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(dá)到給定的工藝指標(biāo)。 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(duì)閥桿密封和對(duì)閥桿進(jìn)行導(dǎo)向，防止工藝介質(zhì)沿控制閥門的閥桿這個(gè)可動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)作之后，就會(huì)磨損，在工程應(yīng)用中，流體壓力也會(huì)導(dǎo)致密封磨損；填料的選擇也是一個(gè)問題，填料選擇不當(dāng)，控制閥的摩擦力增大而導(dǎo)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(jī)構(gòu)、口徑計(jì)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(jì)中顯得非常重要。 在強(qiáng)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(zhǎng)頸型上閥蓋及密封結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)榇朔N結(jié)構(gòu)形式的密封性能和使用壽命極為有限。在強(qiáng)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(qiáng)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(huì)對(duì)周邊環(huán)境和人身安全帶來嚴(yán)重的后果。采用波紋管密封型形式是解決上述問題的一個(gè)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(hù)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(huì)防止波紋管破裂失效時(shí)產(chǎn)生的嚴(yán)重后果。在工程實(shí)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(huì)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(zhǎng)循環(huán)動(dòng)作壽命等。在不銹鋼不耐某些工藝介質(zhì)腐蝕的強(qiáng)腐蝕的場(chǎng)所，如工藝介質(zhì)為濕氯氣時(shí)，濕氯氣中含有的微量鹽酸會(huì)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(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的控制閥。第二章 功能原理說明21 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(diǎn)：1流量顯示功能a 復(fù)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(hù)不受停電的影響e 顯示精度均保留到小數(shù)點(diǎn)后兩位2對(duì)水泵的工作狀態(tài)進(jìn)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(dāng)水泵停止工作時(shí)LED顯示部分顯示的內(nèi)容和復(fù)位時(shí)相同3對(duì)電動(dòng)閥門有較好的控制功能在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮到對(duì)電機(jī)控制時(shí)避免頻繁啟動(dòng)，因?yàn)轭l啟動(dòng)會(huì)影響閥門的密封效果和使用壽命，流量控制是一個(gè)動(dòng)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(gè)值和撥碼開關(guān)值進(jìn)行比較。這樣基本上流量控制精度在25之間。22 系統(tǒng)工作原理(1)總體設(shè)計(jì) 通過AD轉(zhuǎn)換器，作為單片機(jī)與外部輸入的接口，將外部的模擬量輸入單片機(jī)。單片機(jī)在系統(tǒng)軟件的控制作用下，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，向外部輸出控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)，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(dòng)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(gè)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(duì)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(hào)，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，輸出離散的控制信號(hào)。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)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(jì)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(jī)能接受的離散的數(shù)字量。單片機(jī)收到流量信號(hào)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(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥門動(dòng)作，對(duì)流體流量進(jìn)行控制。23 電磁流量計(jì)測(cè)量原理電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研制成功的一種流量計(jì)，重要用于測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量。20世紀(jì)30年代便有了比較系統(tǒng)的電磁流量計(jì)的理論，20世紀(jì)50年代開始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)70、80年代電磁流量計(jì)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(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，可測(cè)介質(zhì)范圍也從電導(dǎo)率很低的蒸餾水到電導(dǎo)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(jì)方法。電磁流量計(jì)已基本實(shí)現(xiàn)小型化、智能化、一體化，并已有0.2級(jí)精度的商品化電磁流量計(jì)出現(xiàn)。電磁流量計(jì)采用的原理與常見的差壓式流量計(jì)不同，后者需要在管道中設(shè)置一定的檢測(cè)元件，因此也易造成堵塞，且會(huì)帶來一定的壓力損失。而電磁流量計(jì)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(dòng)的液體當(dāng)作切割磁力線的導(dǎo)體，由產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)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(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線時(shí)，在它的兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e，其方向由右手定則確定，大小則與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、切割磁力線的有效長(zhǎng)度L、垂直于磁場(chǎng)方向的速度v成正比，即e=BLSvB、L、v三者之間互相垂直。電磁流量計(jì)中，在一段不導(dǎo)磁測(cè)量管兩側(cè)安裝上一對(duì)電磁鐵，產(chǎn)生一個(gè)均勻分布的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B，則管內(nèi)以速度v流動(dòng)的導(dǎo)電性液體就相當(dāng)于切割磁力線的導(dǎo)體，如果沿管道截面與磁場(chǎng)垂直方向上在外管壁兩測(cè)安裝一對(duì)電極，那么流體切割線的長(zhǎng)度就是兩個(gè)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(dòng)勢(shì)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(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為恒定值時(shí)，在測(cè)量電極上就可以得到與流量成正比的電動(dòng)勢(shì)。24 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(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)學(xué)模型，因此在工業(yè)的各個(gè)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(dòng)和液壓元件）來實(shí)現(xiàn)它的功能。隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，把它移植到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中來,將原來的硬件實(shí)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(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，因此可以得到很好的控制性能。由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)進(jìn)入了控制領(lǐng)域。人們將模擬PID控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中來。對(duì)PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，就可以用軟件來實(shí)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(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點(diǎn)，原式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須進(jìn)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(hào)，則離散采樣時(shí)間kT對(duì)應(yīng)著連續(xù)時(shí)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(jiǎn)化成ek等。將上式代入原式，就可以得到離散的PID表達(dá)式為 uk=Kpek+（ek-ek-1）+u0 （21） 或uk=Kpek+K1+KD(ek-ek-1)+u0 （22） 式中 k采樣序號(hào)，k=0，1，2，；uk第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；ek第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；ek-1第k-1次采樣時(shí)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(jìn)行PID控制時(shí)的原始初值。如果采樣周期取得足夠小，則式（21）或式（22）的近似計(jì)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（21）和式（22）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(jìn)行計(jì)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(diǎn)是：由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)ek進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的uk對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的uk將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，這在生產(chǎn)實(shí)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律是用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大，一些原來在模擬PID中無法實(shí)現(xiàn)的問題，在引入計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jì)31 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(dòng)閥門和MCS-51單片機(jī)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(shí)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(duì)通過某一管道截面的物料數(shù)量即降粘劑流量進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，通過流量計(jì)采集流量信息，傳給單片機(jī)。單片機(jī)通過預(yù)先設(shè)定值和系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)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(hào)，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，輸出離散的控制信號(hào)。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)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32 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)。該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為三部分：一、主程序部分。該部分完成存儲(chǔ)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，達(dá)到預(yù)期的控制要求；三、各子程序。各個(gè)子程序完成具體的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括：設(shè)定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進(jìn)電機(jī)控制、AD轉(zhuǎn)換中斷、T0定時(shí)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(jì)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(jì)41 硬件總體設(shè)計(jì)思想系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(hào)，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對(duì)采集的信息進(jìn)行處理，輸出離散的控制信號(hào)。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。42 片子簡(jiǎn)介421 AT89C51單片機(jī)及引腳功能介紹 AT89C51屬于MCS-51系列單片機(jī)。在MCS-51系列中，各類單片機(jī)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(jī)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（48=32條）8051共有四個(gè)并行I/O端口，每個(gè)端口都有八條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)/地址。由于每個(gè)端口的結(jié)構(gòu)各不相同，因此它們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟顒e頗大。現(xiàn)對(duì)它們綜述如下：P0.7P0.0：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(chǔ)器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7P0.0用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)。這時(shí)，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(chǔ)器，P0.7P0.0在CPU訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)先是用于傳送片外存儲(chǔ)器的低8位地址，然后傳送CPU對(duì)片外存儲(chǔ)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(jìn)行編程后的讀出校驗(yàn)。這時(shí)，P0.7P0.0用于傳送EPROM的編程機(jī)器碼或讀出校驗(yàn)碼。P1.7P1.0：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(dāng)P1口作為通用I/O使用時(shí)，P1.7P1.0 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(yàn)時(shí)用于輸入片內(nèi)EPROM的低8位地址。P2.7P2.0：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(chǔ)器的高8位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不能像P0口那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。8751的P2.7P2.0還具有第二功能，即它可以配合P1.7P1.0傳送片內(nèi)EPROM12位地址中的高八位地址。P3.7P3.0：這組引腳的第一功能和其余三個(gè)端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每個(gè)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P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDT0T1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(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入外部RAM寫選通信號(hào)外部RAM讀選通信號(hào)2電源線（2條）VCC為+5V電源線，VSS為接地線。3控制線（6條）ALE/：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(chǔ)器時(shí)，8051CPU在P0.7P0.0引腳線上輸出片外存儲(chǔ)器低8位地址的同時(shí)還在ALE/線上輸出一個(gè)高電位脈沖，用于把這個(gè)片外存儲(chǔ)器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器。以便空出P0.7P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲(chǔ)器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，8051自動(dòng)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(shí)鐘電源或作為定時(shí)脈沖源使用。對(duì)于8751，ALE/線還具有第二功能。它可以在對(duì)8751片內(nèi)EPROM編程/校驗(yàn)時(shí)傳送52ms寬的負(fù)脈沖。/VPP：允許訪問片外存儲(chǔ)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(duì)8751，/VPP用于在片內(nèi)EPROM編程/校驗(yàn)時(shí)輸入21V編程電源。：片外ROM選通線，在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時(shí)，8051自動(dòng)在線上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)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)。RST/VPD：復(fù)位/備用電源線，可以時(shí)8051處于復(fù)位（即初始化）工作狀態(tài)。通常，8051 的復(fù)位有自動(dòng)上電復(fù)位和人工按鈕復(fù)位兩種。RST/VPD的第二功能是作為備用電源輸入端。當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時(shí)，RST/VPD線上的備用電源自動(dòng)投入使用，以保證片內(nèi)RAM中信息不丟失。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展I/O接口電路等也需要復(fù)位，因此需要一個(gè)包括上電和按鈕復(fù)位在內(nèi)的系統(tǒng)同步復(fù)位電路。XTAL1和XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個(gè)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(shí)反饋回路。石英晶振起振后要能在XTAL2線上輸出一個(gè)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(shí)鐘頻率fOSC為0.5MHz16MHz，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(dá)到微調(diào)fOSC的目的。MCS-51所需的時(shí)鐘也可以由外部振蕩器提供。外部時(shí)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(jī)型確定。422 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(jī)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(jī)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IN0IN7上八路模擬電壓。地址鎖存和譯碼器在ALE信號(hào)控制下可以鎖存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息，經(jīng)譯碼后控制IN0IN7上哪一路模擬電壓送入比較器。例如：當(dāng)ADDA、ADDB和ADDC上均為低電平0以及ALE為高電平時(shí)，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(jiǎn)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(gè)分壓電阻使A、B、C和D四點(diǎn)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(shí)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 D0VST0 00V0 10.5V1 01.5V1 12.5V對(duì)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(gè)分壓電阻，形成256個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(duì)輸入模擬電壓VIN和VST進(jìn)行比較。若VINVST，則比較器輸出邏輯0而使SAR最高位由1變?yōu)?；若VINVST，則比較器輸出使SAR最高位保留1。此后，控制電路在保持最高位不變下，依次對(duì)次高位、次次高位最低位重復(fù)上述過程，就可在SAR中得到A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。（4）三態(tài)輸出鎖存器和控制電路三態(tài)輸出鎖存器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字量。CPU使OE引腳變?yōu)楦唠娖骄涂梢詮摹叭龖B(tài)輸出鎖存器”取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量?？刂齐娐酚糜诳刂艫DC0809的操作過程。2引腳功能ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳，如圖4.2所示，現(xiàn)分為四組簡(jiǎn)述如下：圖4.2 ADC0809引腳圖（1）IN0IN7（8條）IN0IN7為八路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉(zhuǎn)換的模擬電壓。（2）地址輸入和控制（4條）ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，ADDA、ADDB和ADDC三條地址線上地址信號(hào)得以鎖存，經(jīng)譯碼后控制八路模擬開關(guān)工作。ADDA、ADDB和ADDC為地址輸入線，用于選擇IN0IN7上哪一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA、ADDB和ADDC對(duì)IN0IN7的選擇如表3所列。表3 被選模擬量路數(shù)和地址的關(guān)系被選模擬電壓路數(shù)ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111（3）數(shù)字量輸出及控制線（11）START為“啟動(dòng)脈沖”輸入線，該線上正脈沖由CPU送來，寬度應(yīng)大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿啟動(dòng)ADC工作。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束，數(shù)字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。2-12-8為數(shù)字量輸出線，2-1為最高位。OE為“輸出允許”線，高電平時(shí)能使2-12-8引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。（4）電源線及其他（5條）CLOCK為時(shí)鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需640KHZ時(shí)鐘脈沖序列。VCC為+5V電源輸入線，GND為地線。VREF（+）和VREF（-）為參考電壓輸入線，用于給電阻階梯網(wǎng)絡(luò)供給標(biāo)準(zhǔn)電壓。VREF（+）常和Vcc相連，VREF（-）常接地。423 I/O擴(kuò)展接口芯片Intel 81558155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。MCS-51和8155相連不僅可為外設(shè)提供兩個(gè)8位I/O端口（A口和B口）和一個(gè)6位I/O端口（C口），而且也可為CPU提供一個(gè)256字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器和一個(gè)14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。因此，8155廣泛應(yīng)用于MCS-51系統(tǒng)中。1內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)8155共由七部分電路組成，它們主要是雙向數(shù)據(jù)總線緩沖器、地址鎖存器、地址譯碼器和讀寫控制器、RAM存儲(chǔ)器、I/O寄存器、命令寄存器和狀態(tài)寄存器以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等。現(xiàn)對(duì)各部分電路分述如下：雙向數(shù)據(jù)總線緩沖器：該緩沖器是8位的，用于傳送CPU對(duì)RAM存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。地址鎖存器：共有8位，用于鎖存CPU送來的RAM單元地址和端口地址。地址譯碼器和讀寫控制器：地址譯碼器的三位地址由地址鎖存器輸出端送來，譯碼后可以選中命令/狀態(tài)寄存器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和A、B、C三個(gè)I/O寄存器中某個(gè)工作。讀寫控制器接收和線上信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU和8155間所傳信息的控制。RAM存儲(chǔ)器：容量為256字節(jié)，主要用于存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元地址由地址鎖存器輸出端送來。I/O寄存器：分為A、B和C三個(gè)端口。A口和B口的I/O寄存器為8位，即可以存放外設(shè)的輸出數(shù)據(jù)又可以存放外設(shè)的輸入數(shù)據(jù)；C口的I/O寄存器只有6位，用于存放I/O數(shù)據(jù)或命令/狀態(tài)信息。8155在某一瞬間只能選中某個(gè)I/O寄存器工作，這由CPU送給8155的命令字決定。命令寄存器和狀態(tài)寄存器：皆為8位寄存器。命令寄存器存放CPU送來的命令字，狀態(tài)寄存器存放8155的狀態(tài)字。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；這是一個(gè)二位制14位的減1計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器初值由CPU通過程序送來。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器由T/IN輸入線上脈沖減1，每當(dāng)計(jì)滿溢出時(shí)可在線上輸出一個(gè)脈沖。（2）引腳功能8155共有40條引腳，采用雙列直插式封裝。AD7AD0：AD7AD0為地址/數(shù)據(jù)總線，?？珊?MCS-51的P0口相接，用于分時(shí)地傳送地址/數(shù)據(jù)信息。I/O總線（22條）：PA7PA0為通用I/O線，用于傳送A口上的外設(shè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向由8155命令字決定（見圖7-21）。PB7PB0為通用I/O線，用于傳送B口上的外設(shè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送方向也由8155命令字決定。PC5PC0為I/O數(shù)據(jù)/控制線，共有6條，在通用I/O方式下，用作傳送I/O數(shù)據(jù)；在選通I/O方式下，用作傳送命令/狀態(tài)信息。控制總線（8條）：RESET；8155總清輸入線，在RESET線上輸入一個(gè)大于600ns寬的正脈沖時(shí)，8155立即處于總清狀態(tài)，A、B、C三口也定義為輸入方式。和IO/：為8155片選輸入線，若=0，則CPU選中本8155工作；否則，本8155不工作。IO/為I/O端口或RAM存儲(chǔ)器的選通信號(hào)線：若IO/=0，則CPU選中8155的RAM存儲(chǔ)器工作；若IO/=1，則CPU選中8155片內(nèi)某一寄存器工作。和：是8155的讀/寫命令輸入線，為寫命令線，當(dāng)=0和=1時(shí)，8155處于讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)；當(dāng)=1和=0時(shí)，8155處于寫入數(shù)據(jù)狀態(tài)。ALE：為允許地址輸入線 ，高電平有效。若ALE=1，則8155允許AD7AD0上地址鎖存到“地址鎖存器”；否則，8155的地址鎖存器處于封鎖狀態(tài)。8155的ALE常和MCS-51的同名端相連。T/IN和：T/IN是計(jì)數(shù)器輸入線，其上脈沖用于對(duì)8155片內(nèi)14位計(jì)數(shù)器減1。為計(jì)數(shù)器輸出線，當(dāng)14位計(jì)數(shù)器從計(jì)滿回零時(shí)就可以在該線上輸出脈沖波形，輸出脈沖的形狀和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。電源線（2條）：Vcc為+5V電源輸入線，Vss為接地線。2CPU對(duì)8155I/O口的控制8155A、B、C三口的數(shù)據(jù)傳送是由命令字和狀態(tài)字控制的。（1）8155端口地址 8155內(nèi)部有7個(gè)寄存器，需要三位地址來加以區(qū)分。表4列出了端口地址分配。 表4 8155端口地址分配IO/A7A6A5A4A3A2A1A0所選端口01命令/狀態(tài)寄存器01A口01B口01C口01計(jì)數(shù)器低8位01計(jì)數(shù)器高8位0RAM單元注：表示0或1。（2）8155命令字8155命令字共有8位，用于設(shè)定8155的工作方式以及實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的控制。各位定義如圖7-21所示。圖中，D7和D6是計(jì)數(shù)器方式控制位，D5和D4A口和B口的中斷控制位，D3和D2是C口的四種方式控制位，D1和D0分別是A口和B口的輸入/輸出方式控制位。例如：若D0=0，則PA7PA0被定義為輸入方式；若D0=1，則PA7PA0定義為輸出方式。D6：為定時(shí)器中斷標(biāo)志位。若定時(shí)器正在計(jì)數(shù)或開始計(jì)數(shù)前，則D6=0；若定時(shí)器已計(jì)滿，則D6=1，并在硬件復(fù)位或?qū)λx出后又恢復(fù)為0。D5和D2：分別為B口和A口的中斷允許標(biāo)志位，用于控制8155B口或A口的中斷請(qǐng)求。例如：只有D5=1狀態(tài)時(shí)，B口的中斷才被允許。D4和D1：分別為B口和A口的緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位，用于表示8155B口和A口緩沖器的工作狀態(tài)。例如：若D4=0，則B口緩沖器空；若D4=1，則B口緩沖器滿。D3和D0：分別為B口和A口的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位，用于表示8155B口和A口是否有了中斷請(qǐng)求。例如：若D3=0，則表示B口無中斷請(qǐng)求；若D3=1，則表示B口有中斷請(qǐng)求。狀態(tài)字存放在8155狀態(tài)寄存器中，狀態(tài)寄存器的端口地址為A2A1A0=000B（見表7-3），CPU通過一條MOVX A，Ri或MOVX A，DPTR指令便可讀取8155狀態(tài)字，用于判斷8155所處工作狀態(tài)。但應(yīng)注意：8155命令寄存器和狀態(tài)寄存器是共用一個(gè)端口地址的，這由對(duì)該端口進(jìn)行讀還是寫來區(qū)分。（4）8155定時(shí)器長(zhǎng)度字定時(shí)器長(zhǎng)度字有16位，分高字節(jié)和低字節(jié)。定時(shí)器長(zhǎng)度字用于設(shè)定定時(shí)器的工作方式和定時(shí)器的定時(shí)初始值。 3 8155工作方式（1）存儲(chǔ)器方式8155的存儲(chǔ)器方式用于對(duì)片內(nèi)256字節(jié)RAM單元進(jìn)行讀寫，若IO/=0和=0，則8155立即處于本工作方式。此時(shí)，CPU可以通過AD7AD0上地址選擇RAM存儲(chǔ)器中任一單元讀寫。（2）I/O方式8155的I/O方式又可分為通用I/O和選通I/O兩種工作方式，如表4所列。在I/O方式下，8155可選擇對(duì)片內(nèi)任一寄存器讀寫，端口地址由A2A1A0三位決定（見表1）。表4 C口在四種I/O工作方式下各位定義C口通用I/O方式選通I/O方式ALT1ALT2ALT3ALT4PC0輸入輸出A INTR（A口中斷）A INTR（A口中斷）PC1輸入輸出A BF（A口緩沖器滿）A BF（A口緩沖器滿）PC2輸入輸出（A口選通）（A口選通）PC3輸入輸出輸出B INTR（B口中斷）PC4輸入輸出輸出B BF（B口緩沖器滿）PC5輸入輸出輸出（B口選通）通用I/O方式：在本方式下，A、B、C三口用作輸入/輸出，由命令字決定。其中，A、B兩口的輸入/輸出由D1D0決定，C口各位由D3D2狀態(tài)決定。例如：若把02H的命令字送到8155命令寄存器，則8155A口和C口各位設(shè)定為輸入方式，B口設(shè)定為輸出方式。選通I/O方式：由命令字中D3D2狀態(tài)設(shè)定，A口和B口都可獨(dú)立工作于這種方式。此時(shí)，A口和B口用作數(shù)據(jù)口，C口用作A口和B口的聯(lián)絡(luò)控制。C口各位聯(lián)絡(luò)線的定義是在設(shè)計(jì)8155時(shí)規(guī)定的，其分配和命名如表2所列。選通I/O方式又可分為選通I/O數(shù)據(jù)輸入和選通I/O數(shù)輸出兩種方式：A 選通I/O數(shù)據(jù)輸入。A口和B口都可設(shè)定為本工作方式：若命令字中D0=0和D3D2=10B（或11B），則A口設(shè)定為本工作方式；若命令字中D1=0和D3D2=11B，則B口設(shè)定為本工作方式。選通I/O數(shù)據(jù)輸入的工作過程和8255A時(shí)的情況類似，現(xiàn)以A口為例分述如下： 當(dāng)“輸入設(shè)備”輸入一個(gè)數(shù)據(jù)并把它送到A口時(shí)，該設(shè)備還向8155的(A口選通)線上發(fā)送一個(gè)低電平選通信號(hào)。 8155收到上負(fù)脈沖信號(hào)后做兩件事：一是從PA7PA0上把輸入的數(shù)據(jù)鎖存到A口寄存器；二是通過A口緩沖器滿觸發(fā)器QABF的置位而使A口緩沖器滿輸出線A BF變?yōu)楦唠娖?，以通知“輸入設(shè)備”8155已從A口收到了它的輸入數(shù)據(jù)。 8155在ASTB上升沿檢測(cè)到QABF和A口中斷允許觸發(fā)器QIEA（由命令字D4設(shè)定）都為1狀態(tài)時(shí)使A INTR中斷輸出線變?yōu)楦唠娖蕉駽PU請(qǐng)求中斷。 CPU響應(yīng)中斷后進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行到從A口寄存器讀取輸入數(shù)據(jù)時(shí)，上升沿一方面撤消A INTR線上中斷請(qǐng)求，另一方面使QABF觸發(fā)器復(fù)位而使ABF輸出線變?yōu)榈碗娖剑ㄖ斎朐O(shè)備可以輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)。在輸入設(shè)備輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)后，8155重復(fù)上述過程。B 選通I/O數(shù)據(jù)輸出。A口和B口都可設(shè)定為本工作方式：若命令字中D0=1和D3D2=10B（或11B），則A口設(shè)定為本工作方式；若命令字中D1=1和D3D2=11B，則B口設(shè)定為本工作方式。選通I/O數(shù)據(jù)的輸出過程也和8255A時(shí)情況類似。現(xiàn)以A口為例分述如下； 8031通過MOVX Ri，A或MOVX DPTR，A指令可以把輸出數(shù)據(jù)送到A口寄存器，8155收到后使QABF觸發(fā)器置位而使ABF線變?yōu)楦唠娖?，以通知輸出設(shè)備輸出時(shí)局已到達(dá)PA7PA0上。 “輸出設(shè)備”收到ABF線上高電平后做兩件事：一是從D7D0上接收輸出數(shù)據(jù)；二是使線變?yōu)榈碗娖?，以通?155輸出設(shè)備已收到輸出數(shù)據(jù)。C 8155利用上升沿檢測(cè)QABF和QIEA（由命令字D4位設(shè)定）觸發(fā)器都為1狀態(tài)就使A INTR線變?yōu)楦唠娖?，以便?031提出中斷請(qǐng)求。D 8031CPU響應(yīng)線上中斷請(qǐng)求后可在中斷服務(wù)程序中把下一個(gè)輸出數(shù)據(jù)送到A口寄存器，進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)的輸出。43 硬件電路及接口設(shè)計(jì)431 MCS-51單片機(jī)與BCD碼撥盤的接口設(shè)計(jì)1 BCD碼撥盤撥盤種類很多，作為人機(jī)接口使用的最方便的撥盤是十進(jìn)制輸入，BCD碼輸出的BCD碼撥盤。這種撥盤為四片BCD碼撥盤拼接的4位十進(jìn)制輸入撥盤組。每片撥盤具有09十個(gè)位置，每個(gè)位置都有相應(yīng)的數(shù)字顯示，代表撥盤輸入的十進(jìn)制數(shù)。因此，每片撥盤可代表一位十進(jìn)制數(shù)。需要幾位十進(jìn)制數(shù)可選擇幾片BCD碼撥盤拼接。BCD碼撥盤后面有5個(gè)接點(diǎn)，其中A為輸入控制線，另外4根是BCD碼輸出信號(hào)線。撥盤撥到不同位置時(shí)，輸入控制線A分別