流量控制系统设计

1、流量控制系统设计第一章 绪论11 本课题的来源及研究对象石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。油井产量的计量是油田生产管理中的一项重要工作，对油井产量进行准确、及时的计量，对掌握油藏状况，制定生产方案，具有重要的指导意义。目前国内各油田采用的油井产量计量方法主要有玻璃管量油孔板测气、翻斗量油孔板测气、两相分离密度法和三相分离计量方法等。随着技术的进步，油田越来越需要功能强、自动化程度高的油井计量设备以提高劳动生产率和油田的管理水平。除此以外, 为了使高粘度的石油得到开采，就得在开采过程中直接加入降粘剂，如果加少了，石油抽不上来，加多了

2、又造成经济浪费，由此引出了这个恒流量的控制系统。 综上所述，无论是在石油的开采过程中注入降粘剂，还是在石油的计量及运输过程中，对于流量都要求一定的精确计量和控制。因此，本课题就是针对这一具体实际要求，通过对当前一些相关领域的分析和研究，设计出了一种基于AT89C51单片机的控制系统。本系统的研究对象就是液体如石油、水等的流量，通过对流量的检测，完成对流量的控制。流量有瞬时流量和累积流量两种单位。瞬时流量指单位时间内通过管道横截面的流体的数量；累积流量指一段时间内的总流量。瞬时流量可以用体积流量、质量流量和重量流量三种方法来表示，而前两种表示方法最为常用。除了上述瞬时流量之外，生产过程中有时还需

3、要测量某段时间之内流体通过的累积总量，称为累积流量，也常被称为总流量。质量总量以M表示，体积流量以Qv表示。流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。12 研究目的、意义及研究内容（1）研究内容：本课题的主要研究内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号离散化后传给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,通过步进电机来精确控制阀门的开度,实现对流量的精确控制。其中，硬件电路的搭接是本设计的重点，控制系统软件的设计是本课

4、题的核心。硬件电路部分，采用AT89C51单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器，AD转换器进行输入，通过控制步进电机带动阀门来控制输出。一些其他的功能，如设定值输入，数码管显示则通过扩展I/O接口芯片8155来完成相应的功能。系统软件设计部分，分别对拨码盘设定值输入，步进电机控制，AD转换控制，数码管显示等程序进行了设计，并且设计了主程序和流量控制PID程序。（2）研究目的及意义：由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的

5、流量计量与控制仪表也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。13 流量计概述在现代工业生产过程自动化中，流量是重要的过程参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，因为在大多数工业生产中，常用测

6、量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。所谓流量是指单位时间内通过某一截面的物料数量，即瞬时流量。131 流量计的分类在流体工业中有大量的物料（流体）需要通过管道来传送，如石油生产企业中的石油传输和控制、污水处理企业中的污水传送和检测、化工企业中各种气体的传输和控制。为了提高产品质量，降低生产成本，控制污气污水的排放以保护环境，对管道中流体的测量和控制实现自动化就成为生产过程中必不可少的一项任务。工业上常用的流量计种类很多，如按照其测量原理来分类，大

7、致有四类：差压式流量计，速度式流量计，容积式流量计及其它类型流量计如基于电磁感应原理的电磁流量计和超声波流量计等。 差压式流量计主要利用管内流体通过节流装置时，其流量与节流装置前后的压差有一定的关系，只要设法测出这一压差值，就可求得流量之犬小。属于这一类流量计的有标准节流装置及转子流量计等。节流装置的发展较早，技术成熟而较完善，又因为应用广泛，国际和国内都有这方面的标准；转子流量计又名浮子流量计，它是工业上最常用的一种流量仪表，它具有压力损失小，可以用来测量液体或气体的流量，而且适宜在200mm的小管径上测量。但转子流量计因为其结构上的特点决定了它只能安装在垂直流动的锥形管子上使用，而流体介质

8、的流向应该是自下而上的。 速度式流量计主要利用管内流体的速度来推动叶轮旋转，叶轮的转速和流体的瞬时流量成正比，一段时间内的转数与该时间段的累积总流量成正比。属于这类流量计的有叶轮式水表和涡沦流量计等。家用自来水表就是典型的叶轮式流量计，叶轮式自来水表比较简单价廉，但精确度不高。涡沦流量计的基本原理是涡轮在流体流动的作用力推动之下不断转动，涡轮转动的角速度，也就是讯号的频率数，它基本上与流体介质的体积流量值成正比，测量这一频率数就可确定流体的瞬时流量和累积流量值。涡轮流量计具有较高的精度，但由于它具有轴承部分，所以影响了仪表的使用范围和寿命，同时还必须严格要求流体纯净。 容积式流量计主要利用流体

9、连续通过一定容积之后进行流量累计的原理。属于这类流量计有椭圆齿轮流量计和腰轮（罗茨）流量计等。椭圆齿轮流量计和腰轮流量计原理相近，通过测量腰轮或齿轮的转数就可知道累计总容积，这种仪表精确度较高，但只适应小流量的测量。 其它类型的流量计有电磁式流量计和超声波流量计等。电磁式流量计利用导体在磁场中运动切割磁力线时，就会产主感应电动势，其方向又右手定则确定，其大小有磁感应强度B、导体在磁场内的长度L、导体的运动速度V三者的乘积决定，这就是法拉第定律。根据此原理可以测导电流体的流量。但是由于感应电势很小，一般为毫伏数量级，故对抗干扰要求很高，且流体必须具有导电性。对于大管径流量方面，电磁式流量计较前面

10、所述的流量计具有较大优势，它可以制成直径3M的流量计。 超声波流量计是一种较新的测量方法，它利用超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且适合于大管径、非导电性、强腐蚀性的液体或气体流量的测量。分析比较以上几种流量计的优缺点，前三种中虽然有的测量精度较高，但是都有一定的压力损失，因为这些方法对流动或多或少有些阻力，而且只适用于小管径的流量测量；而电磁式和超声式流量计则可维持管道畅通无阻，或者说压力损失微不足道，而且对于大管径流量测量具有绝对的优势；从电磁式和超声式来比较，超声式对于大管径的流量测量更具有优势，且抗干扰能力比电磁式要强。13

11、2 电磁流量计简介一、概述电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制成功的一种流量计，重要用于测量导电液体体积流量。20世纪30年代便有了比较系统的电磁流量计的理论，20世纪50年代开始进入工业应用领域。20世纪70、80年代电磁流量计技术有了突破性的发展，成为使用广泛的一类仪表，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，可测介质范围也从电导率很低的蒸馏水到电导率很高的液态金属，并有成熟的耐高温高压及高腐蚀性的设计方法。电磁流量计已基本实现小型化、智能化、一体化，并已有0.2级精度的商品化电磁流量计出现。电磁流量计采用的原理与常见的差压式流量计不同，后者需要在管道中设置一定的检测元件，因此也易造成堵

12、塞，且会带来一定的压力损失。而电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。由电磁流量计的测量过程，不难看出它有以下主要优点：1）属于非接触性仪表，测量管段是光滑直管，管内没有任何阻碍流体流动的节流元件，不会引起额外的压力损失，节能效果好，可用于测量各种粘度的液体，特别适于测量含固体颗粒的液固混合流，如纸浆、泥浆、污水等。此外除电极外没有其他组件与液体直接接触，因此它还适于测量腐蚀性大的液体，由此形成了独特的应用领域。2）流量计测量过程不受被测介质的温度、粘度、密度等因素的影响，因此只需一次经水标定后就

13、可用于测量其他导电液体的流量。3）电磁场的产生是极快的过程，因此电磁流量计反应速度快，无机械惯性，可以测量瞬时流量，还可测水平或垂直管道中两个轴向的流量。4）流量计输出只与被测介质的流速有关，量程范围宽。5）应用口径范围大，小口径、微小口径常用于医药卫生等有卫生要求的场所，中小口径常用于高要求或难测场合，如造纸工业测量纸浆液，大口径多用于给排水工程。同时电磁流量计也有以下一些不足之处：不能测较高温度流量；不能测气体、蒸汽以及含有大量气泡的液体；易受外界电磁干扰，造成输出精度受影响；结构复杂，成本较高。二、电磁流量计的结构在结构上电磁流量传感器由传感器和转换器两部分组成。测量管上下装有励磁线圈，

14、通励磁电流后产生磁场穿过测量管，一对电极装在测量管内壁与液体相接触，引出感应电动势送到转换器，励磁电流则由转换器提供。转换器将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准信号输出，最终完成显示、记录和调节控制等功能。电磁流量传感器主要由测量管组件、磁路系统等部分组成。1测量管组件测量管位于传感器中心，它的材料及制造应满足下列要求：1）必须由不导磁材料制成，以使磁力线能进入被测介质；2）一般还应由高阻抗材料构成，如玻璃钢或不锈钢，以减小涡电流带俩的损耗。3）在使用金属做测量管（如不锈钢）时，整根测量管的内侧应涂有绝缘层或衬垫绝缘套管，以避免流体中的电流被管壁短路。2磁路系统磁路系

15、统的作用是要产生一个磁场，而产生的磁场波形由选用的励磁方式决定。励磁方式的不同直接影响到仪表的抗干扰性，常用的有直流励磁、正弦交流励磁、恒电流方波励磁三种。（1）直流励磁 利用永磁体或者直流电源励磁产生恒定磁场，简单可靠，受交流磁场干扰小。但其显著缺点是直流感应电动势在两个电极表面形成固定的正负极性，引起被测介质电解，电极间电阻增大，感生的流量产生的电动势减小。所以这种方式只适合于非电解质的导电液体（如液态金属）的测量。（2）正弦交流励磁 利用正弦交流电给电磁流量传感器中的励磁绕组供电，产生交流正弦磁场，能避免直流励磁所带来的电极极化问题，缺点是会带来一系列的磁干扰和噪声，如串模干扰和共模干扰

16、。创模干扰：在相位上比流量信号滞后90的干扰信号，途径之一是导电液体和外电路构成的闭合回路在交变磁场作用下产生的感应电动势；其二是被测导电流体形成流柱，在垂直于磁力线的轴向截面上产生涡电流。共模干扰：频率相位与流量信号一致的干扰信号，产生的主要原因之一是绝缘电阻和分布电容产生分压；之二是杂散电流在地线上产生压降。实际应用中可采用降低电源频率、严格电磁屏蔽、线路补偿、使用独立地线等方法，减小这些干扰的影响。（3）恒电流方波励磁 励磁电流大小恒定，克服了直流励磁带来的电极极化问题，但线路较为复杂。电磁流量转换器的作用是通过内部的线性放大器将传感器输出的毫伏级电压信号放大，并装换成标准电流、电压或频

17、率输出，实现流量的显示、记录、积算等功能。此外，针对相应的励磁方式，内部电路中还应包括抗干扰电路。三、电磁流量计的选用和安装（一）选用电磁流量计的选用应综合使用场合、被测介质、测量要求等因素来考虑。一般的化工、冶金、污水处理等行业可以选用通用型电磁流量计，有爆炸性危险的场合则应选用防爆型，医药卫生等行业则可选用卫生型。对于测量精度的选择也应视具体情况而定，应在经济允许范围内追求精度等级高的流量计，例如一些高精度的电磁流量计误差可以达到（0.51），可用于昂贵介质的精确测量，而一些低精度流量计成本较为低廉，用于对控制调节等一般要求的场合。被测介质的腐蚀性、磨蚀性、流速、流量等因素也会影响电磁流量

18、计的选择，实际应用中应因情况而合理选择，具体可查询相关手册。（二）传感器的安装传感器的安装应注意以下问题：1）避免安装在周围有强腐蚀性气体的场所；避免安装在周围有电动机、变压器等可能带来电磁干扰的场合；如果测量对象是两相或多相流体，应避免可能会使流体相分离的场所；避免安装在可能被雨水浸没的场所，避免阳光直射。2）水平安装时，电极轴应处于水平，防止流体夹带气泡可能引起的电极短时间绝缘；垂直安装时流动方向应向上，可使较轻颗粒上浮离开传感电极区。3）传感器应采取接地措施以减小干扰的影响。在一般情况下，可通过将参比电极或金属管将管中流体接地，将传感器的接地片与地线相连。如果是非导电的管道或者没有参比电

19、极，可以将流体通过接地环接地。本控制系统选用常见的电磁流量计作为传感器。14 控制阀概述 控制阀是自动控制系统中非常重要的一个环节，犹如人的手和脚。控制阀调节流体流量，克服干扰来保证被控变量达到给定的工艺指标。 控制阀的阀部分由阀的内件和阀体组成，阀的内件包括阀芯、阀杆、填料函和上阀盖等。上阀盖和填料函用于对阀杆密封和对阀杆进行导向，防止工艺介质沿控制阀门的阀杆这个可动部件向外泄漏，它是阀体不可分割的一部分。 常规的上阀盖结构形式一般有四种：普通型、散热片型、长颈型和波纹管密封型。材质一般有铸铁、铸钢和不锈钢，填料函一般为聚四氟乙烯或柔性石墨。 典型的控制阀的阀盖由与阀体相同的材料或等效的材料

20、制成。阀盖承受与阀体相同的温度和腐蚀性影响，阀杆密封在经过几百次的循环动作之后，就会磨损，在工程应用中，流体压力也会导致密封磨损；填料的选择也是一个问题，填料选择不当，控制阀的摩擦力增大而导致控制阀死区增大或者很容易使阀杆密封失效。 因此，选择控制阀，除了阀体结构、材质、执行机构、口径计算外，还应根据控制流体的压力、温度、压差、流体的性质，合理选择上阀盖的结构形式和填料函，以防止流体沿着控制阀阀杆泄漏出来，即应充分考虑阀杆密封的性能和使用寿命。这在工程设计中显得非常重要。 在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺流体中，控制阀一般不采用普通型、散热片型、长颈型上阀盖及密封结构形式，因为此种结构形式的密

21、封性能和使用寿命极为有限。在强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺条件下，一旦阀杆密封被破坏，强腐蚀、易挥发和有毒有害的工艺介质从控制阀阀杆中泄漏出来，会对周边环境和人身安全带来严重的后果。采用波纹管密封型形式是解决上述问题的一个途径。波纹管一般由不锈钢做成。这种特殊的阀盖结构保护控制阀的填料函避免和流体接触，一旦波纹管破裂，在波纹管上面的填料函结构会防止波纹管破裂失效时产生的严重后果。在工程实际中，波纹管密封形式的选择应充分考虑波纹管密封的压力的额定值会随温度的增高而降低，流体中不能有固体的颗粒存在，及波纹管材料的最长循环动作寿命等。在不锈钢不耐某些工艺介质腐蚀的强腐蚀的场所，如工艺介质为湿氯气时，

22、湿氯气中含有的微量盐酸会使不锈钢波纹管很快被腐蚀，则控制阀阀杆不能采用波纹管密封的形式。本控制系统采用由步进电机带动的控制阀。第二章 功能原理说明21 控制系统的基本功能该控制系统的基本功能有如下几点：1流量显示功能a 复位显示功能：b 平均流量显示内容折算成立方米c 累积流量显示内容为立方米d 累积流量数值的保护不受停电的影响e 显示精度均保留到小数点后两位2对水泵的工作状态进行监视a 水泵工作正常，则显示平均流量和累积流量的值b 当水泵停止工作时LED显示部分显示的内容和复位时相同3对电动阀门有较好的控制功能在软件设计当中考虑到对电机控制时避免频繁启动，因为频启动会影响阀门的密封效果和使用

23、寿命，流量控制是一个动态的调节过程，每次采样后和以前的上次采样值取平均值，用这个值和拨码开关值进行比较。这样基本上流量控制精度在25之间。22 系统工作原理(1)总体设计 通过AD转换器，作为单片机与外部输入的接口，将外部的模拟量输入单片机。单片机在系统软件的控制作用下，对输入的数据进行分析，向外部输出控制信号，步进电机是具体的执行机构。同时，系统还设有拨码盘输入和数码管显示。拨码盘作为系统的设定值输入，数码管显示动态的流量和累积的流量。系统软件主要包括主程序，流量控制程序和供主程序调用的各个小的子程序。主程序实现系统的总体功能，子程序实现相应的具体功能。流量控制程序实现对流量的控制。 （2）

24、工作原理系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。系统原理框图如下： 图2.1 系统原理框图其中，电磁流量计作为流量传感器，采集流量信息，经放大器放大后送到AD转换器。AD转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量。单片机收到流量信号后，在控制系统软件的作用下，发出相应的执行命令给执行机构步进电机。步进电机带动阀门动作，对流体流量进行

25、控制。23 电磁流量计测量原理电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律研制成功的一种流量计，重要用于测量导电液体体积流量。20世纪30年代便有了比较系统的电磁流量计的理论，20世纪50年代开始进入工业应用领域。20世纪70、80年代电磁流量计技术有了突破性的发展，成为使用广泛的一类仪表，应用领域涉及工业、农业、医学等多个领域，可测介质范围也从电导率很低的蒸馏水到电导率很高的液态金属，并有成熟的耐高温高压及高腐蚀性的设计方法。电磁流量计已基本实现小型化、智能化、一体化，并已有0.2级精度的商品化电磁流量计出现。电磁流量计采用的原理与常见的差压式流量计不同，后者需要在管道中设置一定的检测元件，因此也易造

26、成堵塞，且会带来一定的压力损失。而电磁流量计以电磁感应定律为基础，通过安装在管道两侧的磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。由法拉第电磁感应定律，当导体在磁场中运动切割磁力线时，在它的两端将产生感应电动势e，其方向由右手定则确定，大小则与磁感应强度B、切割磁力线的有效长度L、垂直于磁场方向的速度v成正比，即e=BLSvB、L、v三者之间互相垂直。电磁流量计中，在一段不导磁测量管两侧安装上一对电磁铁，产生一个均匀分布的磁场，磁感应强度B，则管内以速度v流动的导电性液体就相当于切割磁力线的导体，如果沿管道截面与磁场垂直方向上在外管壁两测安装一对电极，

27、那么流体切割线的长度就是两个电极间的距离，也就是管道内径D（m），则电极中的感应电动势为e=BDv由于体积流量qv与v有如下关系， qv=v则 e=qv由此可见，体积流量qv与e/B成正比，而当磁感应强度B为恒定值时，在测量电极上就可以得到与流量成正比的电动势。24 PID控制算法介绍将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。PID控制器是控制系统中技术比较成熟，而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单，参数容易调整，不一定需要系统的确切数学模型，因此在工业的各个领域中都有应用。PID控制器最先出现在模拟控制系

28、统中，传统的模拟PID控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来,将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字PID控制器，所形成的一整套算法则称为数字PID算法。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到很好的控制性能。由于计算机的出现，计算机进入了控制领域。人们将模拟PID控制规律引入到计算机中来。对PID控制规律进行适当的变换，就可以用软件来实现PID控制，即数字PID控制。数字PID控制算法可以分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。我们采用位置式P

29、ID算法，故这里主要介绍位置式PID算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。由于这一特点，原式中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化处理。离散化处理的方法为：以T作为采样周期，k 作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，用求和的形式代替积分，用增量的形式代替微分，可作如下近似变换：tkT （k=0，1，2） T=T =上式中，为了表示方便,将类似于e（kT）简化成ek等。将上式代入原式，就可以得到离散的PID表达式为 uk=Kpek+（ek-ek-1）+u0 （21） 或uk=Kpek+K1+

30、KD(ek-ek-1)+u0 （22） 式中 k采样序号，k=0，1，2，；uk第k次采样时刻的计算机输出值；ek第k次采样时刻输入的偏差值；ek-1第k-1次采样时刻输入的偏差值； K1积分系数，K1=Kp； KD微分系数，KD=Kp；u0开始进行PID控制时的原始初值。如果采样周期取得足够小，则式（21）或式（22）的近似计算可获得足够精确的结果，离散控制过程与连续控制过程十分接近。式（21）和式（22）表示的控制算法是直接按模拟式所给出的PID控制规律定义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此被称为全量式或位置式PID控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去

31、状态有关，计算时要对ek进行累加，工作量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，输出的uk将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生产事故，这在生产实际中是不能允许的。应用增量式PID控制算法可以避免这种现象发生。在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机软件来实现的，因此它的灵活性很大，一些原来在模拟PID中无法实现的问题，在引入计算机后，只要通过软件处理就可以得到解决。于是，产生了一系列围绕此目的的改进算法，满足不同控制应用系统的需求。第三章 总体设计31 硬件构成与工作原理本系统主要由水泵、流量传感器、电动阀门和MCS-51单

32、片机控制系统以及液体管线和控制线、监视线等组成。系统结构框图如下所示：图3.1 系统结构框图流量是指单位时间内通过管道某一截面的物料数量。本控制系统的任务是对通过某一管道截面的物料数量即降粘剂流量进行控制。本系统采用单片机控制，通过流量计采集流量信息，传给单片机。单片机通过预先设定值和系统软件进行分析，发出相应的控制信号，驱动调节阀动作，从而确定降粘剂的配比与耗量，实现生产过程自动化。系统的工作原理是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA转换器将离散的控制

33、信号转化为模拟电量。通过模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。系统硬件结构图如下图所示： 图3.2 硬件框图32 软件总体结构设计该控制系统的程序主要分为三部分：主程序、流量控制程序和各种中断子程序。主程序完成系统的地址分配、系统初始化和各子程序的调用。流量控制程序通过PID控制算法，实现系统的数字化控制。各子程序完成相应的各功能。软件设计是本控制系统设计的核心，在完成了系统硬件的搭接之后，剩下来的主要任务接是系统软件的设计。该控制系统的软件设计可以分为三部分：一、主程序部分。该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调用各个子程序，完成主要的控制功能；二、流量

34、控制程序。通过PID控制算法，编写出相应的流量控制子程序，实现对流量的控制，达到预期的控制要求；三、各子程序。各个子程序完成具体的实现方法，主要包括：设定值输入、数码管显示、步进电机控制、AD转换中断、T0定时器中断、采样中断等。由此我们可以得出系统的总体设计框图，如下图所示。软件流程图如下： 图3.3 主程序流程图第四章 硬件电路设计41 硬件总体设计思想系统的总体设计思想是流量传感器采集到流量信息，通过变换器，转化为电信号，AD转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。DA转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。通过

35、模拟电量来控制阀门的动作，从而调节流量，实现流量的精确控制。42 片子简介421 AT89C51单片机及引脚功能介绍 AT89C51属于MCS-51系列单片机。在MCS-51系列中，各类单片机是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。在器件引脚的封装上，MCS-51系列机通常有两种封装：一种是双列直插式封装，常为HMOS型器件所用；另一种是方形封装，大多数在CHMOS型器件中使用。其中，引脚1和引脚2（方形封装为引脚2和引脚3）的第二功能仅用于8052/8032，NC为空引脚。如下图所示。AT89C51有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。1端口线（48=32条）8051共有四个并行I/O

36、端口，每个端口都有八条端口线，用于传送数据/地址。由于每个端口的结构各不相同，因此它们在功能和用途上的差别颇大。现对它们综述如下：P0.7P0.0：这组引脚共有八条，为P0口所专用，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。这八条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况之下。第一种情况是AT89C51不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。第二种情况是AT89C51带片外存储器，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储

37、器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 图4.1 AT89C51引脚图其中，8751的P0口还有第三种功能，即它们可以用来得8751片内EPROM编程或进行编程后的读出校验。这时，P0.7P0.0用于传送EPROM的编程机器码或读出校验码。P1.7P1.0：这八条引脚和P0口的八条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。当P1口作为通用I/O使用时，P1.7P1.0 的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入输出数据。8751的P1口还有第二功能，既它在8751编程/校验时用于输入片内EPROM的低8位地址。P2.7P2.0：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一

38、功能相同，即它可以作为通用I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。8751的P2.7P2.0还具有第二功能，即它可以配合P1.7P1.0传送片内EPROM12位地址中的高八位地址。P3.7P3.0：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同，如表1所示。 表1 P3口各位的第二功能P3口的位第二功能 注释P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXDTXDT0T1串行数据接收口串行数据发送口外中断0输入外中断1

39、输入计数器0计数输入计数器1计数输入外部RAM写选通信号外部RAM读选通信号2电源线（2条）VCC为+5V电源线，VSS为接地线。3控制线（6条）ALE/：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器。以便空出P0.7P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/线上输出频率为fOSC/6的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟电源或作为定时脉冲源使用。对于8751

40、，ALE/线还具有第二功能。它可以在对8751片内EPROM编程/校验时传送52ms宽的负脉冲。/VPP：允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是使用片外ROM。若=1，则允许使用片内ROM；若=0，则允许使用片外ROM。对8751，/VPP用于在片内EPROM编程/校验时输入21V编程电源。：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在线上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。其他情况下，线均为高电平封锁状态。RST/VPD：复位/备用电源线，可以时8051处于复位（即初始化）工作状态。通常，8051 的复位有自动上电复位和人工按钮复

41、位两种。RST/VPD的第二功能是作为备用电源输入端。当主电源VCC发生故障而降低到规定低电平时，RST/VPD线上的备用电源自动投入使用，以保证片内RAM中信息不丢失。在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路等也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，fOSC的输出时钟频率fOSC为0.5M

42、Hz16MHz，典型值为12MHz或11.059MHz。电容C01和C02可以帮助起振，典型值为30pf，调节它们可以达到微调fOSC的目的。MCS-51所需的时钟也可以由外部振荡器提供。外部时钟源应是方波发生器，频率应根据所用MCS-51中的具体机型确定。422 ADC0809介绍ADC有两大类：一类在电子线路中使用，不带使能控制端；另一类带有使能控制端，可和微机直接接口。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口。ADC0809的姐妹芯片是ADC0808，可以相互代换。1内部结构ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼

43、近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。 （1）八路模拟开关及地址锁存与译码器八路模拟开关用于输入IN0IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息，经译码后控制IN0IN7上哪一路模拟电压送入比较器。例如：当ADDA、ADDB和ADDC上均为低电平0以及ALE为高电平时，地址锁存和译码器输出使IN0上模拟电压送到比较器输入端VIN。（2）256电阻阶梯和树状开关为了简化问题起见，现以二位电阻阶梯和树状开关为例加以说明。其中，四个分压电阻使A、B、C和D四点分压成2.5V、1.5V、0.5V和0V。SAR中高位D1控制左边两只

44、树状电子开关，低位D0控制右边四只树状开关。各开关旁的0和1表示树状开关闭合条件，由D1D0状态决定。例如：D1=1，则上面开关闭合而下面开关断开，D1=0时的情况正好与此相反。树状开关输出电压VST和D1D0关系列出于表2。表2 VST和D1D0的关系D1 D0VST0 00V0 10.5V1 01.5V1 12.5V对于8位A/D转换器，SAR为八位，电阻阶梯、树状开关和上述情况类似。只是要有28=256个分压电阻，形成256个标准电压供给树状开关使用。VST送给比较器输入端。（3）逐次逼近寄存器和比较器SAR在A/D转换过程中存放暂态数字量，在A/D转换完成后存放数字量，并可送到“三态输

45、出锁存器”。A/D转移前，SAR为全0。A/D转换开始时，控制电路使SAR最高位为1，并控制树状开关的闭合和断开，由此产生VST送给比较器。比较器对输入模拟电压VIN和VST进行比较。若VINVST，则比较器输出逻辑0而使SAR最高位由1变为0；若VINVST，则比较器输出使SAR最高位保留1。此后，控制电路在保持最高位不变下，依次对次高位、次次高位最低位重复上述过程，就可在SAR中得到A/D转换完成后的数字量。（4）三态输出锁存器和控制电路三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成后的数字量。CPU使OE引脚变为高电平就可以从“三态输出锁存器”取走A/D转换后的数字量。控制电路用于控制ADC080

46、9的操作过程。2引脚功能ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，如图4.2所示，现分为四组简述如下：图4.2 ADC0809引脚图（1）IN0IN7（8条）IN0IN7为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。（2）地址输入和控制（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，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码后控制八路模拟开关工作。ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，用于选择IN0IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。ADDA、ADDB和ADDC对IN0IN7的选择如表3所列。表3 被选模拟量路数和地址的关系

47、被选模拟电压路数ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111（3）数字量输出及控制线（11）START为“启动脉冲”输入线，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。2-12-8为数字量输出线，2-1为最高位。OE为“输出允许”线，高电平时能使2-12-8引脚上输出转换后的数字量。（4）电源线及其他（5条）CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需640KHZ时钟脉冲

48、序列。VCC为+5V电源输入线，GND为地线。VREF（+）和VREF（-）为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。VREF（+）常和Vcc相连，VREF（-）常接地。423 I/O扩展接口芯片Intel 81558155是Intel公司研制的通用I/O接口芯片。MCS-51和8155相连不仅可为外设提供两个8位I/O端口（A口和B口）和一个6位I/O端口（C口），而且也可为CPU提供一个256字节的RAM存储器和一个14位定时器/计数器。因此，8155广泛应用于MCS-51系统中。1内部结构和引脚功能（1）内部结构8155共由七部分电路组成，它们主要是双向数据总线缓冲器、地址锁存器

49、、地址译码器和读写控制器、RAM存储器、I/O寄存器、命令寄存器和状态寄存器以及定时器/计数器等。现对各部分电路分述如下：双向数据总线缓冲器：该缓冲器是8位的，用于传送CPU对RAM存储器的读写数据。地址锁存器：共有8位，用于锁存CPU送来的RAM单元地址和端口地址。地址译码器和读写控制器：地址译码器的三位地址由地址锁存器输出端送来，译码后可以选中命令/状态寄存器、定时器/计数器和A、B、C三个I/O寄存器中某个工作。读写控制器接收和线上信息，实现对CPU和8155间所传信息的控制。RAM存储器：容量为256字节，主要用于存放实时数据。存储器存储单元地址由地址锁存器输出端送来。I/O寄存器：分

50、为A、B和C三个端口。A口和B口的I/O寄存器为8位，即可以存放外设的输出数据又可以存放外设的输入数据；C口的I/O寄存器只有6位，用于存放I/O数据或命令/状态信息。8155在某一瞬间只能选中某个I/O寄存器工作，这由CPU送给8155的命令字决定。命令寄存器和状态寄存器：皆为8位寄存器。命令寄存器存放CPU送来的命令字，状态寄存器存放8155的状态字。定时器/计数器；这是一个二位制14位的减1计数器，计数器初值由CPU通过程序送来。定时器/计数器由T/IN输入线上脉冲减1，每当计满溢出时可在线上输出一个脉冲。（2）引脚功能8155共有40条引脚，采用双列直插式封装。AD7AD0：AD7AD

51、0为地址/数据总线，常可和 MCS-51的P0口相接，用于分时地传送地址/数据信息。I/O总线（22条）：PA7PA0为通用I/O线，用于传送A口上的外设数据，数据传送方向由8155命令字决定（见图7-21）。PB7PB0为通用I/O线，用于传送B口上的外设数据，数据传送方向也由8155命令字决定。PC5PC0为I/O数据/控制线，共有6条，在通用I/O方式下，用作传送I/O数据；在选通I/O方式下，用作传送命令/状态信息。控制总线（8条）：RESET；8155总清输入线，在RESET线上输入一个大于600ns宽的正脉冲时，8155立即处于总清状态，A、B、C三口也定义为输入方式。和IO/：为

52、8155片选输入线，若=0，则CPU选中本8155工作；否则，本8155不工作。IO/为I/O端口或RAM存储器的选通信号线：若IO/=0，则CPU选中8155的RAM存储器工作；若IO/=1，则CPU选中8155片内某一寄存器工作。和：是8155的读/写命令输入线，为写命令线，当=0和=1时，8155处于读出数据状态；当=1和=0时，8155处于写入数据状态。ALE：为允许地址输入线 ，高电平有效。若ALE=1，则8155允许AD7AD0上地址锁存到“地址锁存器”；否则，8155的地址锁存器处于封锁状态。8155的ALE常和MCS-51的同名端相连。T/IN和：T/IN是计数器输入线，其上脉

53、冲用于对8155片内14位计数器减1。为计数器输出线，当14位计数器从计满回零时就可以在该线上输出脉冲波形，输出脉冲的形状和计数器工作方式有关。电源线（2条）：Vcc为+5V电源输入线，Vss为接地线。2CPU对8155I/O口的控制8155A、B、C三口的数据传送是由命令字和状态字控制的。（1）8155端口地址 8155内部有7个寄存器，需要三位地址来加以区分。表4列出了端口地址分配。 表4 8155端口地址分配IO/A7A6A5A4A3A2A1A0所选端口01命令/状态寄存器01A口01B口01C口01计数器低8位01计数器高8位0RAM单元注：表示0或1。（2）8155命令字8155命令

54、字共有8位，用于设定8155的工作方式以及实现对中断和定时器/计数器的控制。各位定义如图7-21所示。图中，D7和D6是计数器方式控制位，D5和D4A口和B口的中断控制位，D3和D2是C口的四种方式控制位，D1和D0分别是A口和B口的输入/输出方式控制位。例如：若D0=0，则PA7PA0被定义为输入方式；若D0=1，则PA7PA0定义为输出方式。D6：为定时器中断标志位。若定时器正在计数或开始计数前，则D6=0；若定时器已计满，则D6=1，并在硬件复位或对它读出后又恢复为0。D5和D2：分别为B口和A口的中断允许标志位，用于控制8155B口或A口的中断请求。例如：只有D5=1状态时，B口的中断

55、才被允许。D4和D1：分别为B口和A口的缓冲器状态标志位，用于表示8155B口和A口缓冲器的工作状态。例如：若D4=0，则B口缓冲器空；若D4=1，则B口缓冲器满。D3和D0：分别为B口和A口的中断请求标志位，用于表示8155B口和A口是否有了中断请求。例如：若D3=0，则表示B口无中断请求；若D3=1，则表示B口有中断请求。状态字存放在8155状态寄存器中，状态寄存器的端口地址为A2A1A0=000B（见表7-3），CPU通过一条MOVX A，Ri或MOVX A，DPTR指令便可读取8155状态字，用于判断8155所处工作状态。但应注意：8155命令寄存器和状态寄存器是共用一个端口地址的，这由对该端口进行读还是写来区分。（4）8155定时器长度字定时器长度字有16位，分高字节和低字节。定时器长度字用于设定定时器的工作方式和定时器的定时初始值。 3 8155工作方式（1）存储器方式8155的存储器方式用于对片内256字节RAM单元进行读写，若IO/=0和=0，则81