氨冷器被冷却介质出口温度液位超驰控制系统的智能化设计

1、氨冷器被冷却介质出口温度-液位超驰控制系统的智能化设计 摘要 氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。为了达到生产过程对 控制系统的要求，在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统，即温度-液位超 驰控制系统。该控制系统中需要用到温度及液位调节器，传统的调节器采用 DDZ- 型电动组合仪表，而随着单片机在控制领 域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。 因此，本论文主要设计智能化的温度-液位超驰控制系统，该系统以 AT89C51 单 片机为主控单元，采用温度传感器 DS18B20 进行温度采集，使用液位变送器采集液位 信号，使用 AD

2、C0809 作为 A/D 转化器，具有温度和液位的自动调节功能，采用 LCD12864 液晶模块进行数字显示。同时，本文还详细的给出了部分相关的硬件电路图 和软件流程图，并编制了汇编程序。 关键词：超驰控制系统，关键词：超驰控制系统，89C51 单片机，单片机，DS18B20，A/D 转化器，转化器，LCD 显显 示示 THE INTELLIGENT DESIGN OF AMMONIA COOLER OVERRIDE CONTROL SYSTEM BYTHE COOLING MEDIUM OUTLET TEMPERATURE-FLUID POSITION ABSTRACT Ammonial m

3、ain role is to make renewable liquid ammonia copper acetate for recycling. In order to achieve the production control system requirements, superposition a solution on the basis of simple temperature control system for super relaxation system, that is, temperature - level override control system. The

4、 need to control system of temperature and Liquid Level regulator regulator DDZ- type electric combination of traditional instruments, but with the wide application of Single Chip Computer in control field, using computer software realization of control algorithm with greater flexibility, reliabilit

5、y, and better control. therefore, This paper mainly the Design of Intelligent Temperature - level override control system, the system of AT89C51 Single - Chip Microcomputer for main control unit, Temperature Sensor DS18B20 temperature collection, using liquid liquid level sensor collecting signal us

6、ing ADC 0809 as the AD converter, with temperature and liquid level automatic adjustment functions, use LCD12864 LCD digital display. meanwhile, It also gives some of the more relevant software and hardware circuit diagram a flowchart, and compiling the assembler. KEYWORDS: override control system,

7、c51 monolithic, ds18b20, ad converters, lcd display 目录 摘要.I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 研究背景及意义 .1 1.1.1 氨冷器温度-液位超驰控制系统概述.1 1.1.2 智能化设计背景及优点.2 1.2 设计优点和要实现的功能 .2 1.3 主要研究内容 .3 2 系统总体设计方案.3 2.1 系统工作原理 .3 2.2 总体设计方案 .4 2.2.1 温度采集方案的选择.4 2.2.2 显示电路方案的选择.4 2.2.3 声光报警电路方案的选择.5 2.2.4 系统总体设计.5 3 系统的硬件电路设计.6 3.1

8、 核心控制模块的设计 .6 3.1.1 AT89C51 单片机简介.6 3.1.2 AT89C51 单片机最小系统.8 3.2 温度采集模块的设计 .9 3.2.1 温度传感器 DS18B20.9 3.2.2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路.12 3.3 液位采集模块的设计 .14 3.3.1 液位变送器的选择.14 3.3.2 液位采集电路.15 3.4 AD 和 DA 转换器 .16 3.4.1 ADC0809 芯片.16 3.4.2 DAC0832 芯片.19 3.5 执行模块的设计 .22 3.6 设定模块的结构及功能 .23 3.7 显示模块的设计 .24 3.8 报警

9、模块的设计 .25 3.9 电源模块的设计 .25 4 系统的软件设计.26 4.1 主程序的设计.26 4.1.1 T0 中断模块.26 4.2 PID 算法的设计.27 4.3 各功能模块子程序的设计 .29 4.3.1 温度处理程序.30 4.3.2 A/D 转换子程序.31 4.3.3 显示程序.32 4.3.4 键盘子程序.32 总结.33 参考文献.34 附录 A 程序清单.35 致谢.42 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 氨冷器温度-液位超驰控制系统概述 在合成氨生产过程中，采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳，吸 收是一个放热反应，吸收一氧化碳与二氧化

10、碳的醋酸铜氨液温度高达 80以上，为了 使醋酸铜氨液再生以便循环使用。其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却 到 810，其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋 酸铜氨液的热量，使铜氨液的温度下降这一原理进行的，液氨在氨冷器中汽化需要一 定的时间，氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大，因此，当液氨高度超过最大 的汽化面积高度后，液位越高汽化面积越小，调节过程会出现反常现象，这是氨冷器 调节的一个重要特点。为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统的 基础上叠加上一个液位超驰调节系统。如图 1-1 所示。 图图 1-1 氨冷器温度氨冷器温度-液位超驰控

11、制系统液位超驰控制系统 正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。增加液氨量，经液氨 的蒸发，使出口温度下降。如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度，由液位控 制器取代温度控制器，根据液位控制进氨量，保护了后续设备，一旦温度下降，温度 控制器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就自动取代液位控制 器，工艺操作恢复到正常工况。 在该控制系统中，调节器既可安装在液氨管线上，也可安装在氨气管线上，调节阀 安装在氨气管线上对象迟后较小，反应比较灵敏，但缺点是需要用一个较大管径耐高 压的气体阀门，这种阀门成本比较高，而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多，所以调节 阀一般是安装在液氨

12、管线上。 无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。对于处 于开环的调节器，其偏差长时间存在，如果有积分控制作用，其输出将进入深度饱和 氨气氨气 状态。一旦选择器选中这个调节器工作，调节器因处于饱和状态而失去控制能力，只 能等到退出饱和以后才能正常工作。所以在超驰控制系统中，对有积分作用的调节器 必须采取抗积分饱和措施。而对于计算机在线运行的控制系统，只要利用计算机的逻 辑判断功能进行适时切换即可。 1.1.2 智能化设计背景及优点 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制 理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶

13、段。自动控 制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变 送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控 系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同 的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压 力传感器。电加热控制系统采用的传感器是温度传感器。 传统的PID调节器多为模拟调节器, 这种调节器多用电动或气动单元组合仪表来完 成, 随着微机的不断发展和应用,特别是单片机在控制领域广泛应用, 利用计算机软件实 现控制算法, 具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。因此, 以单片

14、微机为中心、 采用数字算法的数字调节器正不断代替模拟调节器。自从80年代初期数字调节器推出 以来,随着微处理机技术的发展,数字调节器不断向智能化、微型化调节器发展，调节器 的功能也不断进步,由于数字设定、运算功能的增强,不仅使调节器的功能大幅度提高,而 且由PID自整定、多种信号制输入、自由电源、EEPROM等新技术的使用,使用户操作 变得简单化,并且减少了库存,方便了备品备件的管理。 PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得 到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自 整定功能的智能调节器(intellig

15、ent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过 智能化调整或自校正、自适应算法来实现。 通过本次毕业设计对掌握电路设计和 89C51 程序设计的思路与方法，掌握氨冷器控 制系统的意义与运用，结合单片机与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系 统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少控制，生产安全 成为本系统研究的主要目的和意义。 1.2 设计优点和要实现的功能 1.优点 1)引入超驰系统防止液氨液位超过最大汽化面积高度。 max H 本系统的控制目标是维持温度在给定值附近（810)，液位仅作为系统的一个参 考信号，在正常工况下，液位调节系统对液氨

16、调节阀不起作用，只是在当液位超过时 才切断温度调节系统，有液位调节器取代温度调节器对液氨调节阀进行控制，不使 超过,当信号低于时，又重新由温度调节器对液氨调节法进行控制。保H max HH max H 证自动调节系统使用安全。 2)智能调节器 包含四个独立程序，即温度控制程序、液位控制程序、低选程序、报警输出功能。 温度控制程序用来对温度进行控制；液位控制程序用来控制液位；低选程序即在单片 机中设定门限值程序，根据数字温度和液位调节器的输出，来进行适时切换。报警输 出功能即当温度和液位超过限定值时进行报警。 总的来说，氨冷器控制系统的智能化设计，可以在线实现 PID 参数和程序的修改， 使控制

17、系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少等优点。 2.要实现的功能 (1) 完成基于 PID 的超驰调节系统的设计； (2) 实现温度环和液位环的自动控制及切换； (3) 具有温度液位显示功能； (4) 具有键盘设定 PID 控制参数功能； (5) 当超过报警范围时能通过声光报警。 1.3 主要研究内容 本文主要以 AT89C51 单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能 化设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括 核心控制模块 AT89C51 单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程 图以及主程序及各功能模块程序

18、的结构设计等内容。 在本次毕业设计过程中，主要涉及到如下工作： (1) 研究与分析 PID 控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。 (2) 选择以单片机为核心的中央处理器。在设计的过程中，熟悉 AT89C51 单片机汇 编语言的设计流程和开发环境。同时对各功能模块进行软硬件的设计与实现。 (3) 在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写， 以及电路仿真和调试，最终实现显示、自动调节的功能。 2 系统总体设计方案 2.1 系统工作原理 在温控部分，用 89C51 单片机为中央处理器，通过温度传感器 DS18B20 采集温度 信号，ADC0809 将采集到的温度信

19、号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并进行 PID 处理，然后经 DAC0832 输出模拟信号驱动电气转换器 QZD-1000，继而控制液氨 调节阀，调节液氨的进出量，实现对温度的控制。 在液位控制部分，当液位低于最大汽化面积高度时，液位变送器的输出信号经 max H A/D 转换后送入单片机，单片机仅控制显示器显示此时的液位；当液位超过最大汽化 面积高度时，单片机中的门限值判断程序会做出相应动作，此时切断温度调节程 max H 序，由液位调节程序取代，控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对液位的控制， 不使超过，当信号低于时，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控H max HH max

20、 H 制。在温度和液位超出限定值时，会进行声光报警。 2.2 总体设计方案 超驰控制系统的智能化设计的目的是实现温度液位的自动调节，维持温度在给定值 附近，系统安全运行。本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块、温度液 位采集模块、执行模块、报警模块等。 2.2.1 温度采集方案的选择 方案一：采用传统的热电阻传感器测量温度值，再将信号送入温度变送器，输出标 准电信号，经 ADC0809 转化为数字信号送入单片机。成本简单，但结构较复杂，涉及 多个元器件。 方案二：采用集成温度传感器 DS18B20，DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半 导体公司最新推出的一种改进型智能温度

21、传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比， 它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值 读数方式。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，不需经过 ADC 转换再送入 单片机中 综合各项因素，选择方案二。 2.2.2 显示电路方案的选择 方案一：显示电路采用 4 位共阳 LED 数码管，从 P3 口 RXD,TXD 串口输出段码。 显示电路是使用的串口显示，最大的优点就是使用口资源比较少，该显示电路只使用 单片机的 3 个端口 P1.7，P3.0,P3.1。并配以 4 片串入并出移位寄存器 74LS164（LED 驱动）四只数码管采用 74LS164 右移寄

22、存器驱动，显示比较清晰。但结构为复杂。 方案二：采用 LCD12864 作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864 是 专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容 丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为 128*64 的 显示液晶。其每一行最多可以显示 8 个中文，16 个半宽字体。由该模块构成的液晶显 示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简 洁得多。 综合考虑，选用方案二。 2.2.3 声光报警电路方案的选择 方案一：采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。它是高电平报警，一

23、旦 监测到温度、液位值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。 方案二：采用语音芯片，在超过上下限时能够通过语音进行报警，其人机交互友好， 但控制复杂，成本较高。 综合考虑，选用方案一。 2.2.4 系统总体设计 本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样，同时液位采集模块也对 氨冷器中液氨高度进行采样，将采集到的信号送到 89C51 单片机进行处理，当在正常 工况时，采用温度调节程序，最后单片机将处理过的数字信号通过 D/A 转换为模拟信 号输出，驱动电气转换器，将电流信号转化为标准气压信号，推动执行机构，控制液 氨的进入量，从而实现温度的调节；在液位超过最大汽化面积高度时，单片

24、机自动转 向液位调节程序，使液位高度恢复正常值，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行 控制。另外，本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能。总体方案如图 2- 1。 单片机 AT89C51 液晶显示模块 执行机构 温度传感器 液位传感器 键盘输入 报警模块 图图 2-1 总体设计方案框图总体设计方案框图 3 系统的硬件电路设计 3.1 核心控制模块的设计 3.1.1 AT89C51 单片机简介 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器

25、 （RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89C51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 其管脚图如图 3-1 所示。 R ST 9 R XD/P3.0 10 T0/P3.4 14 T1/P3.5 15 XTAL1 19 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1

26、 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 ALE/PR OG 30 TXD/P3.1 11 XTAL2 18 GND 20 VC C 40 EA/VPP 31 PSEN 29 INT0/P3.2 12 INT1/P3.3 13 WR P3.6 16 R D/P3.7 17 图图 3-1 AT89C51 管脚图管脚图 1.主要性能参数 与 MCS-51

27、产品指令系统完全兼容 4k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 1288 字节内部 RAM 32 个可编程 IO 口线 2 个 16 位定时计数器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 2.功能特性概述 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个 IO 口线，两个 16 位定时计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行 通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支 持两种软件可选的节

28、电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停 止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.引脚功能说明 (1) VCC 为电源电压，GND 为地。 (2) P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 IO 口，也即地址数据总线复用 口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1” 可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据 总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 FIash 编程时

29、，P0 口接收指令字节，而 在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 (3) P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P2 的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个 引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL） 。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXDPTR 指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI 指令）时，P2 口线上的

30、内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中 R2 寄存 器的内容） ，在整个访问期间不改变。 Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其它 控制信号。 (4) P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口。P3 口输出缓冲 级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部 上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用拉电阻输出 电流（IIL） 。 P3 口除了作为一般的 IO 口线外，更重要的用途是它的第二功能。如表 3-1 所示： 表表 3-1 第二功能第二功能 端口引脚第二功能 P3.0RXD（串行输入

31、口） P3.1TXD（串行输出口） P3.2（外中断 0）INT0 P3.3（外中断 1）INT1 P3.4T0（定时计数器 0 外部输入） P3.5T1（定时计数器 1 外部输入） P3.6（外部数据存储器写选通）WR P3.7（外部数据存储器读选通）RD P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 (5) RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 使单片机复位。 (6) ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许） 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频

32、 率的 l6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的 是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（） 。 PROG 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH 单元的 DO 位置位，可 禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活。此 外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 无效。 (7) PSEN 程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个

33、机器周期两次有效，即PSEN 输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。PSEN (8) EAVPP：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编 程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 VCC 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件 是使用 12V 编程电压 VPP。 (9) XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 (

34、10)XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.1.2 AT89C51 单片机最小系统 89C51 单片机有 4KEPROM,所以不需外扩 EPROM，所以我们将 AT89C51 芯片的第 31 脚（/VPP）固定接高电平。单片机的时钟电路有一个 12M 的晶振和两个 30P 的EA 小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为 1 微秒。复位电路由 22UF 的电容和 1K 的电阻及 IN4148 二极管组成，以前教科书上常推荐用 10UF 电容和 10K 电阻组成 复位电路，这里我们根据实际经验选用 22UF 的电容和 1K 的电阻，其好处是在满足单 片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的

35、对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的 抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能 成功。如图 3-2 所示。 D1 IN4148 C1 30P C2 30P Y1 12M HZ R1 1K 40 31 9 18 19 20 AT89C51 C3 22UF VCC+5V 图图 3-2 AT89C51 最小系统电路图最小系统电路图 3.2 温度采集模块的设计 3.2.1 温度传感器 DS18B20 DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度 传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实 际要

36、求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。 T092 封装的 DS18B20 的引脚排列见图 3-3。 图图 3-3 DS18B20（底视图）（底视图） 其引脚功能描述见表 3-2。 表表 3-2 引脚功能引脚功能 序号名称引脚功能描述 1GND地信号 2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可 以向器件提供电源。 3VDD可选择的 VDD 引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 DS18B20 的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件； 可通过数据线供

37、电，电压范围为 3.05.5V； 零待机功耗 温度以 9 或 12 位数字显示； 用户可定义报警设置，报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件） 的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； 检测温度范围为55 +125 (67+257)； 多样封装形式，适应不同硬件系统。 DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装，其内部结构框图如图 3-4 所示。 图图 3-4 内部结构框图内部结构框图 64 位 ROM 的结构开始 8 位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共 有 48 位，最后 8 位是前面 56 位的

38、 CRC 检验码，这也是多个 DS18B20 可以采用一线 进行通信的原因。温度报警触发器 TH 和 TL，可通过软件写入户报警上下限。 DS18B20 温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存 RAM 和一个非易失性的可 电擦除的 EERAM。高速暂存 RAM 的结构为 8 字节的存储器，结构如图 3-5 所示。头 64 位 ROM 单线 端口 存储器与控制逻辑 C VDD 温度传感器 高温触发器 TH 低温触发器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 发生 器 I/O 高速缓存 2 个字节包含测得的温度信息，第 3 和第 4 字节 TH 和 TL 的拷贝，是易失的，每次上 电复位时被刷新。第

39、5 个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换 分辨率。DS18B20 工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位 的定义如图 3-5 所示。低 5 位一直为，TM 是工作模式位，用于设置 DS18B20 在工 作模式还是在测试模式，DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户要去改动，R1 和 R0 决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。 温度 LSB 温度 MSB TH 用户字节 1 TL 用户字节2 配置寄存器 保留 保留 保留 CRC TM R1 1R01111 . . . 图图 3-5 DS18B20 字节定义字节定义 由表 3-3 知 DS18B20 温

40、度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据 转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存 RAM 的第 6、7、8 字节保留未用，表现为全逻辑 1。第 9 字节读出前面 所有 8 字节的 CRC 码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 当 DS18B20 接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以 16 位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第 1、2 字节。单片机可以通 过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以 0.0625LSB 形式表示。 当符号位 S0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二

41、进制位转换为十进制； 当符号位 S1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数 值。表 3-3 是一部分温度值对应的二进制温度数据。 表表 3-3 DS18B20 温度转换时间表温度转换时间表 R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms 00993.75 0110187.5 1011375 1112750 DS18B20 完成温度转换后，就把测得的温度值与 RAM 中的 TH、TL 字节内容作比 较。若 TTH 或 TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索 命令作出响应。因此，可用多只 DS18B20 同时测量温度并进行报警搜索。 在 64 位 ROM

42、的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC） 。主机 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值，并和存入 DS18B20 的 CRC 值作比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。 DS18B20 的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响 很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1；高温度系数晶振随温度变化其 振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。器件中还有一个计 数门，当计数门打开时，DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进 而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先 将55所对

43、应的一个基数分别置入减法计数器 1、温度寄存器中，计数器 1 和温度寄 存器被预置在55所对应的一个基数值。 减法计数器对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的 预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置将重新被装入，减法计 数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数 器计数到 0 时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。 其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到 温度寄存器值大致被测温度值。表 3-4 为一部分温度对应值表。 表表 3-4 温度对应值表

44、温度对应值表 温度/二进制表示十六进制表示 +1250000 0111 1101 000007D0H +850000 0101 0101 00000550H +25.06250000 0001 1001 00000191H +10.1250000 0000 1010 000100A2H +0.50000 0000 0000 00100008H 00000 0000 0000 10000000H -0.51111 1111 1111 0000FFF8H -10.1251111 1111 0101 1110FF5EH -25.06251111 1110 0110 1111FE6FH -551111

45、 1100 1001 0000FC90H 另外，由于 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读 写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化 DS18B20（发复位脉冲）发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理数据。 3.2.2 DS18B20 温度传感器与单片机的接口电路 DS18B20 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时 DS18B20 的 1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如图 3-6 所示单 片机端口接单线总线，为保证在有效的 DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用

46、一 个 MOSFET 管来完成对总线的上拉。 DS 18B 20DS 18B 20DS 18B 20 4.7 K GNDGNDGND VCC VCC单 片 机 . . . . 图图 3-6 DS18B20 与单片机的接口电路与单片机的接口电路 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度 A/D 转换操作时，总线上必须有强的上拉， 上拉开启时间最大为 10us。采用寄生电源供电方式时 VDD 端接地。由于单线制只有 一根线，因此发送接口必须是三态的。由于 DS18B20 是在一根 I/O 线上读写数据，因 此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20 有严格的通信协议来保证各位数 据传输

47、的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写 时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数 据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写 命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20 的复位时序 GND DS18B20 的读时序 对于 DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总线， 以让 DS18B20 把数据传输到单总线上。DS18B20 在完成一个读时序过程，至

48、少需要 60us 才能完成。 DS18B20 的写时序 对于 DS18B20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程。 对于 DS18B20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被拉 低至少 60us，保证 DS18B20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 IO 总线上的“0” 电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 3.3 液位采集模块的设计 3.3.1 液位变送器的选择 在本系统中液位作为一个参考信号，异常工况下，调节液位高度使其恢复到正常工 况。本系统选用静压式液位变送器进行液位采集，该变

49、送器利用液体静压力的测量原 理工作。它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路 放大和补偿电路补偿，最后以 420mA 或 010mA 电流方式输出。 PT311 型静压式液位变送器选用进口带防腐膜片敏感组件，将芯体装入一个不锈 钢或聚四氟乙烯壳体内，顶部钢帽既能保护传感器膜片，又能使液体顺畅地接触到膜 片；该产品测量准确、稳定性好，并具有良好的密封和防腐性能。其有三种安装方式 可供用户选择：投入式、法兰式和铠装式。该产品广泛用于化工、自来水、石油、酿 酒、电力、治金等领域。 技术指标 量程：0-0.2100mH2O 输出选择：4-20mA、0-5V、0-l0mA、1-

50、5V 工作温度：-2085 过 载：1.5 倍 测量介质：与不锈钢（1Cr18Ni9Ti）或 PVC 兼容的介质 准确度：0.1 、0.25 、0.5 电源：24VDC 防护等级：IP68 稳定性：0.2%FS/年 其结构尺寸如图 3-7 所示 图图 3-7 PT311 结构尺寸结构尺寸 3.3.2 液位采集电路 液位变送器采集到的信号不能直接与单片机相连，需经过 A/D 转换器将模拟信号转 换成数字信号，再送入单片机进行处理。本次 A/D 转换器采用的是 ADC0809 转换器。 如图 3-8 所示。 液位变送器 PT311 ADC0809 单片机 AT89C51 图图 3-8 液位采集电路

51、液位采集电路 3.4 AD 和 DA 转换器 液位变送器采集到的信号需经过 AD 转换送入单片机中进行处理，而由单片机处理 过的数字信号，需经过 DA 转换送入执行机构，驱动调节阀调节液氨的流量。 本系统分别采用 ADC0809 和 DAC0832 作为模数转化器。它们都是较为通用的转换 器，性能稳定。 3.4.1 ADC0809 芯片 ADC0809 是 8 位 8 通路逐次逼近式 AD 转换器，输入电压在(05)V，最大不可 调误差小1LSB，它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、 重复性好等优点。 1.内部结构 如图 3-9 所示 图图 3-9 内部结构图内部结构图

52、 由图 3-9 可看芯片主要是由一个 8 位 A/D 转换器、8 路模拟输入选通开关、地址锁 存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换 完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V ，若信号太小，必须 进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在 输入前增加采样保持电路。 为实现 8 路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开

53、通的 8 路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入 A/D 转换器中实现 A/D 的转换，转换后 的数据放到三态数据锁存器中等待 CPU 来取，取后由 CPU 启动新一次的地址译码， 重复以上完成新一次的 A/D 转换。ADC0809 芯片提供了高转换速度、高精密度、环境 影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。 ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻 辑的 CMOS 组件，其转换方法为逐次逼近型。在 A/D 转换器内部含有一个高阻抗斩波 稳定比较器，一个带有模拟开关树组的 256 电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。 8 路的模拟开

54、关由地址锁存器和译码器控制，可以在 8 个通道中任意访问一个通道的模 拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态 TTL 输出也可 以锁存，所以它易于与微型计算机接口。 2.引脚结构 如图 3-10 所示 Uin 图图 3-10 ADC0809 引脚图引脚图 ADC0809 各脚功能如下： D7-D0 ：8 位数字量输出引脚 IN0-IN7 ：8 位模拟量输入引脚 VCC ：+5V 工作电压 GND ：地 REF（+）：参考电压正端 REF（-）：参考电压负端 START ：A/D 转换启动信号输入端 ALE ：地址锁存允许信号输入端 （START 和 ALE 两种信号用于

55、启动 A/D 转换，通常接在一起） EOC ：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 OE ：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK ：时钟信号输入端（一般为 500KHz ）。 3.地址输入和控制线：4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译 码器将 A ，B ，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟 量进转换器进行转换。 A ，B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表 如下表 3-5 所示。 表表 3-5 地址信号与选中通道的关系地址信号与选中

56、通道的关系 地址 ADDCADDBADDA 选中通道 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 4.工作时序与使用说明： ADC0809 的工作时序如图 3-11 所示。当通道选择地址有效时，ALE 信号一出现， 地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随 ALE 之后（或与 ALE 同时）出现。 START 的上升沿将逐次逼近寄存器 SAR 复位，在该上升沿之后的 2us 加 8 个时钟周期 内（不定） ，EOC 信号将变低电平，以指示转换操作正在进行中，直到转换完成后 EOC

57、再变高电平。微处理器收到变为高电平的 EOC 信号后，便立即送出 OE 信号，打 开三态门，读取转换结果。 图图 3-11 ADC0809 工作时序工作时序 模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行(当然，不能在转换过程 中进行)，然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成（因为 ADC0809 的时间特 性允许这样做） 。这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。在与微机接口时， 输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。 如用 EOC 信号去产生中断请求，要特别注意 EOC 的变低相对于启动信号有 2s+8 个时钟周期的延迟，要设法使它不致产

58、生虚假的中断请求。为此，最好利用 EOC 上升 沿产生中断请求，而不是靠高电平产生中断请求。 3.4.2 DAC0832 芯片 DAC0832 是美国资料公司研制的 8 位双缓冲器 D/A 转换器。芯片内带有资料锁存 器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，使用了 COMS 电流开关和控 制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用 R-2RT 型电阻网络，对参考 电流进行分流完成 D/A 转换。转换结果以一组差动电流 IOUT1和 IOUT2输出。 DAC0832 主要性能参数：分辨率 8 位；转换时间 1s；参考电压10V；单电源 +5V+15V；功耗 20mW。 1.内部

59、结构 如图 3-12 所示。 图图 3-12 内部结构图内部结构图 DAC0832 中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为 ILE； 第二级锁存器称为 DAC 寄存器，它的锁存信号为传输控制信号。因为有两级锁XFER 存器，DAC0832 可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字 量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个 D/A 转换器同时工 作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。 图 3-12 中 LE 为高电平、和为低电平时，为高电平，输入寄存器的输出CSWR 1 LE 跟随输入而变化；此后，当由低变高时，为低电平，资料

60、被锁存到输入寄存器 1 WR 1 LE 中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来 说，和同时为低电平时，为高电平，DAC 寄存器的输出跟随其输入而XFER 2 WR 2 LE 变化；此后，当由低变高时，变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到 DAC 2 WR 2 LE 寄存器中。 2.引脚结构 如图 3-13 所示 图图 3-13 引脚结构图引脚结构图 DAC0832 是 20 引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下： 片选信号，和允许锁存信号 ILE 组合来决定1 WR 是否起作用。CS ILE允许锁存信号。 写信号 1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输