【正文】 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(jì)量準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)可靠性和及時性，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，減輕勞動強(qiáng)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。2 功能原理說明 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LED顯示部分顯示的內(nèi)容和復(fù)位時相同3．對電動閥門有較好的控制功能在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中考慮到對電機(jī)控制時避免頻繁啟動，因?yàn)轭l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(jìn)行比較。這樣基本上流量控制精度在2﹪～5﹪之間。 系統(tǒng)工作原理工作原理系統(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(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對采集的信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)流量的精確控制。系統(tǒng)原理框圖如下： 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)帶動閥門動作，對流體流量進(jìn)行控制。3 總體設(shè)計(jì) 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MCS51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： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(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(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對采集的信息進(jìn)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(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： 硬件框圖 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(shí)現(xiàn)對流量的控制，達(dá)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(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： 主程序流程圖4 硬件電路設(shè)計(jì) 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，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)化為離散信號，傳給單片機(jī)。單片機(jī)軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設(shè)定值對采集的信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)流量的精確控制。 硬件電路及接口設(shè)計(jì) MCS51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0～9十個位置，每個位置都有相應(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個接點(diǎn)，其中A為輸入控制線，另外4根是BCD碼輸出信號線。撥盤撥到不同位置時，輸入控制線A分別與4根BCD碼輸出線中的某根或某幾根接通。其接通的BCD碼輸出線狀態(tài)正好與撥盤知識的十進(jìn)制數(shù)相一致。表1 BCD碼撥盤的輸入輸出狀態(tài)表撥盤輸入控制端A輸出狀態(tài)84210100001100012100103100114101005101016100110710111811000911001*：輸出狀態(tài)為1時，表示該輸出線與A相遇。2 BCD碼撥盤與單片機(jī)的接口a．單片BCD碼撥盤與單片機(jī)的接口單片BCD碼撥盤可以與任何一個4位I/O口或擴(kuò)展I/O口相連，以輸入BCD碼，A端接+5V。為了使輸出端在不與控制端A相連時有確定的電平，常將8，4，2，1輸出端通過電阻拉低?！? AT89C51與撥盤的接口電路控制端A接+5V，當(dāng)撥盤撥至某輸入十進(jìn)制數(shù)時，相應(yīng)的8，4，2，1有效端輸出高電平（如撥至“6”時，4，2端為有效端）無效端為低電平。這時撥盤輸出的BCD碼為正邏輯（原碼），如果控制端A接地，8，4，2，1輸出端通過電阻上拉至高電平時，撥盤輸出的BCD碼為負(fù)邏輯（反碼）。3 多片BCD碼撥盤與單片機(jī)的接口在應(yīng)用系統(tǒng)中，要輸入多位十進(jìn)制數(shù)時，應(yīng)將多片BCD碼撥盤拼接。N位十進(jìn)制撥盤需占用4N根I/O口線，為了減少I/O口線占用數(shù)量，可將撥盤的輸出線分別通過4個與非門與單片機(jī)的I/O口相連，而每片撥盤的控制端A不再接+5V或地，而是分別與I/O口線相連，用來控制選擇多片撥盤中的任意一片。這時，N位十進(jìn)制撥盤，用N片BCD碼撥盤拼成時只需占用4+N根I/O口線。通過P1與4片BCD碼撥盤相連的4位BCD碼輸入電路。4片撥盤的BCD碼輸出相同端接入同一個4個與非門。四個與非門輸出8，4，2，。，、百、十、個位BCD碼撥盤的控制端相連。當(dāng)選中某位時，該位的控制端置0，其他三個控制端置1。例如選中千位時，～，此時四個與非門所有其它位連接的輸入端均為1狀態(tài)，因此四個與非門輸出的狀態(tài)完全取決于千位數(shù)BCD撥盤輸出狀態(tài)。由于該位的控制端置0，因此，撥盤所置之?dāng)?shù)輸出為BCD反碼，通過與非門輸出為該千位數(shù)BCD碼。 步進(jìn)電機(jī)控制接口步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，也是一種能把輸出機(jī)械位移增量和輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的驅(qū)動器件。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力，只要電機(jī)的負(fù)荷不超過它所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，就能通過輸入脈沖來控制它在一瞬間啟動和停止。步進(jìn)電機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速只和輸入的脈沖頻率有關(guān)，和環(huán)境溫度、氣壓、沖擊和振動無關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動和負(fù)載變化的影響，它每轉(zhuǎn)一周都有固定的步數(shù)，步進(jìn)精確和步距誤差不會長期積累。因此，步進(jìn)電機(jī)在需要精確定位場合應(yīng)用廣泛。（一）步進(jìn)電機(jī)的工作原理電機(jī)定子上均勻分布有六個磁極，相鄰兩磁極間夾角為60176。，磁極上繞有三相控制繞組，分別對應(yīng)于A、B和C三相電源。轉(zhuǎn)子外側(cè)均勻分布有40個齒，每個齒的齒距為9176。定子的每個極弧上也有5個齒，定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距都相同，而每個定子磁極的極距為60176。，故每個磁極所占的齒距數(shù)不是整數(shù)。為了弄清步進(jìn)電機(jī)的工作原理，將定子和轉(zhuǎn)子展開成平面圖。圖中，定子A極上的齒和轉(zhuǎn)子上的齒是對齊的，但B極和C極上的齒分別和轉(zhuǎn)子上齒錯1/3齒距（即3176。）。若使B相繞組通電，電機(jī)就會沿B極軸向產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子因受到 反應(yīng)轉(zhuǎn)矩作用而轉(zhuǎn)動，直到B極上齒和轉(zhuǎn)子上齒對齊為止。但A極和C極上的齒又分別和轉(zhuǎn)子上對應(yīng)齒錯新的1/3齒距（即