【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 生在過(guò)程輸出變量出現(xiàn)偏差之前，比單回路控制及時(shí)。前饋控制必須使用針對(duì)具體過(guò)程的干擾和受控輸出變量特性的專(zhuān)用控制器。不可能有專(zhuān)用的前饋控制器。這也給實(shí)際應(yīng)用增加了麻煩和困難。一種前饋控制作用只能消除一種干擾的影響。前饋和反饋完全不同，前饋控制不是閉環(huán)而是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)?？刂谱兞勘徽{(diào)節(jié)后并不反過(guò)來(lái)影響干擾變量；調(diào)節(jié)作用對(duì)受控輸出變量影響的結(jié)果也沒(méi)有反饋機(jī)制。相形之下，一個(gè)反饋回路有可能克服多種干擾的影響。由此可以看出，盡管前饋控制具有在理論上可以實(shí)現(xiàn)完美控制的吸引力，實(shí)際應(yīng)用還仍然受到許多限制。 方案的確定不同的控制方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，由于此系統(tǒng)干擾很小可以忽略不計(jì)，以上三種方案都能實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的控制，但是從成本上來(lái)看單回路控制更經(jīng)濟(jì)些，因此經(jīng)過(guò)分析采用單回路控制能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要，而且單回路控制形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是蒸汽溫度，測(cè)量便采用溫度傳感器，控制器是單片機(jī)，執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖28所示。圖28 單回路控制系統(tǒng)方框圖第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的主控部分由單片機(jī)構(gòu)成。通過(guò)按鍵電路進(jìn)行溫度報(bào)警值的設(shè)定，并對(duì)鍋爐的過(guò)熱蒸汽溫進(jìn)行采集及處理，然后與報(bào)警值比較，當(dāng)過(guò)熱蒸汽溫度的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門(mén)不動(dòng)，系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。[8]此時(shí)，若爐膛燃燒工況發(fā)變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測(cè)量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥門(mén)以適當(dāng)形式打開(kāi)噴水流量。測(cè)量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。下圖31為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖31 系統(tǒng)方案框圖 單片機(jī)與8155的接口電路MCS51單片機(jī)可直接和8155連接，不需要任何外加邏輯電路，可以直接為系統(tǒng)增加256B外部RAM、22根I/O線(xiàn)及一個(gè)14位定時(shí)器。其基本硬件連接方法如圖32所示。由于8155片內(nèi)有鎖存器，所以單片機(jī)P0口輸出的低8位地址不需要另加鎖存器，直接與8155的AD7～AD0相連，既作為低8位地址總線(xiàn)，又作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)，利用8051的ALE信號(hào)的下降沿鎖存P0送出的地址信息。片選信號(hào)CE和IO/。圖32 51單片機(jī)與8155的連接方式 信號(hào)輸入部分 溫度信號(hào)采集與處理采用構(gòu)建橋式電路，電橋的四個(gè)電阻中三個(gè)是恒定的，另一個(gè)用Pt100熱電阻，當(dāng)Pt100電阻值變化時(shí)，測(cè)試端產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)差，由此電勢(shì)差換算出溫度。電路中使用的是1kΩ（0℃）的鉑電阻，因?yàn)殂K電阻阻值高達(dá)1kΩ所以不受布線(xiàn)溫度的影響。R0、RRt構(gòu)成橋式電路橋式電路的輸出電壓經(jīng)由差動(dòng)放大器放大?？梢员硎緸椋? （31）在圖中所示參數(shù)的條件下，℃。為了將他放大為10mA/℃的靈敏度，差動(dòng)放大器的增益G必須為10/=。具體電路如圖33所示。該電路中為了使橋式電路的電阻不受影響，將輸入電阻選取了高達(dá)1MΩ的數(shù)值，由此決定了運(yùn)算放大器必須是低輸入偏置電流的場(chǎng)效應(yīng)管晶體管輸入型。經(jīng)過(guò)儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片的INO口，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。[18]圖33 信號(hào)采集與處理 A/D轉(zhuǎn)換利用熱電阻PT100溫度傳感器具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓、線(xiàn)性較好的特點(diǎn)作為溫度傳感器，然后通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)建差分放大將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的05V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)。AD轉(zhuǎn)換器選ADC0809，ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，內(nèi)部具有所存功能，故不需加地址鎖存器。ALE腳為地址所存信號(hào)，高電平有效，三根地址線(xiàn)固定接地，由于地址信號(hào)已經(jīng)固定，固將ALE接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號(hào)，選擇IN0作為輸入。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號(hào)，固選擇ADC0809的VREF接+5V和5V。由圖可以看出，ALE信號(hào)和START信號(hào)聯(lián)系在一起，這樣連接可以在信號(hào)的前沿寫(xiě)入地址信號(hào)，在其后沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。START和ALE互連可以使ADC0809在接收模擬量路數(shù)地址時(shí)啟動(dòng)工作。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由8155的PA0～PA7口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與8155的PA0～PA7口相連，高地位依次相連。AD轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口電路如下圖34所示。圖34 ADC0809與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示實(shí)際是將所有數(shù)碼管的8個(gè)筆畫(huà)段a～h的各同名段分別并接在一起，并把他們接在單片機(jī)的字段輸出口上。為了防止各個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示相同的數(shù)字，各個(gè)數(shù)碼管的公共端COM還要收到另一組信號(hào)的控制，即把他們連到位輸出口上。這樣，一組數(shù)碼管顯示器需要由兩組信號(hào)來(lái)控制：一組字段輸出口輸出的字形代碼，用來(lái)控制顯示的字形，稱(chēng)為段碼；另一組是位輸出口的控制信號(hào)，用來(lái)選擇第幾個(gè)顯示器工作，稱(chēng)為位碼。所謂動(dòng)態(tài)顯示就是利用循環(huán)掃描的方式，分時(shí)輪流宣統(tǒng)各個(gè)數(shù)碼管的公共端，使各個(gè)數(shù)碼管輪流導(dǎo)通，在導(dǎo)通的同時(shí)送上不同的段碼。當(dāng)掃描速度達(dá)到一定程度時(shí)，人眼就分辨不出來(lái)了，即認(rèn)為各個(gè)數(shù)碼管在同時(shí)顯示。[12]如圖35所示，8155的PB口作為段控制，PC口通過(guò)4個(gè)PNP型三極管8550控制數(shù)碼管的4個(gè)COM公共端。如果要第一個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，PC0需要輸出低電平0，則此時(shí)第一個(gè)PNP三極管導(dǎo)通，通過(guò)第一位數(shù)碼管的COM公共端向第一個(gè)數(shù)碼管供電。以此類(lèi)推，可以分時(shí)點(diǎn)亮4個(gè)LED數(shù)碼管。但是，需要注意的是不能讓PC0～PC3中的2個(gè)或2個(gè)以上同時(shí)輸出低電平0，否則就會(huì)造成顯示混亂，除非2個(gè)數(shù)碼管上要顯示的內(nèi)容相同。本例中數(shù)碼管選擇的是SM410364共陽(yáng)極四位一體的LED顯示器。三極管采用PNP型8550，PB口接的限流電阻是8個(gè)470Ω的；；。圖35 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路 信號(hào)輸出部分 D/A轉(zhuǎn)換DAC0832的基本原理是把數(shù)字量的每一位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對(duì)應(yīng)的模擬分量相加，輸出相應(yīng)的電流或者電壓。DAC0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，可以直接與51單片機(jī)相連，參考電壓+5V，直接與供電電源相連。DAC0832是電流型輸出，在應(yīng)用時(shí)外接運(yùn)放使之成為電壓型輸出。CSDA：片選信號(hào)輸入線(xiàn)（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR：數(shù)據(jù)鎖存器寫(xiě)選通輸入線(xiàn)，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線(xiàn)變換，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存；DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的P1口相連。如圖36為DAC0832與單片機(jī)的連接電路。圖36 DAC0832與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出 LM324的5管腳與DAC0832的（IOUT2）12管腳相連，LM324的6管腳與DAC0832的（IOUT1）11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF（9）管腳相連。第一級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1，第二級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將輸出的05V電壓轉(zhuǎn)換為420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。從而控制輸出調(diào)節(jié)蒸汽溫度減溫閥，達(dá)到減溫的目的。420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出如下圖37所示。圖37 420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出 串口與上位機(jī)通信電路單片機(jī)與外部設(shè)備或單片機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸稱(chēng)為通信，其傳輸介質(zhì)稱(chēng)為通信接口。按信號(hào)傳輸方式，通信可分為并行通信與串行通信兩種基本方式。[14]上位機(jī)的RS232串口標(biāo)準(zhǔn)為：正電平在+3V～+15V，負(fù)電平在3V～15V。也就是說(shuō)對(duì)于RS232信號(hào)而言，當(dāng)傳輸點(diǎn)評(píng)的絕對(duì)值大于3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于3V～+3V之間的電壓無(wú)意義，低于15V或高于+15V的電壓也認(rèn)為無(wú)意義。因此，實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在177。（3～15）V之間。而單片機(jī)使用的是TTL/COMS電平，與RS232串行借口標(biāo)準(zhǔn)是不兼容的，因此要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信，必須進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。這里采用電平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片MAX232進(jìn)行RS232與TTL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信，51單片機(jī)與該芯片接口電路如圖38所示，T1IN、T2IN為T(mén)TL/CMOS電平輸入端，T1IN、T2IN可連接單片機(jī)的TXD（發(fā)送）引腳。R1OUT、R2OUT為T(mén)TL/COMS電平輸出端，R1OUT、R2OUT可連接單片機(jī)的RXD（接收）引腳。R1IN、R2IN為RS232電平輸入端，R1IN、R2IN連接DB9借口的3腳，接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。T1OUT、T2OUT為RS232電平輸出端，T1OUT、T2OUT連接到DB9的2腳，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。3和5引腳之間分別接電容，Vcc和V+之間接電容，GND和V之間接電容。DB9接口的5腳必須接地。圖38 單片機(jī)與MAX232的接口電路 報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路與8155的PC4口相連接，由于單片機(jī)的I/O口輸出的電流無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，所以設(shè)計(jì)了報(bào)警電路如圖39所示：當(dāng)蒸汽溫度高于上限溫度、低于下限溫度或者在輸入錯(cuò)誤時(shí)，單片機(jī)給8155的PC4口輸出一個(gè)低電平信號(hào)來(lái)導(dǎo)通三極管8550以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈，進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)溫度恢復(fù)到設(shè)置范圍內(nèi)后，聲光報(bào)警自動(dòng)撤銷(xiāo)。圖39 報(bào)警電路 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)鍵盤(pán)是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個(gè)按鍵實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，也就是說(shuō)鍵盤(pán)是一組規(guī)則排列的開(kāi)關(guān)。本次設(shè)計(jì)中，按鍵較少，故而選擇獨(dú)立式按鍵。進(jìn)入系統(tǒng)之前首先對(duì)溫度報(bào)警值的設(shè)置。本系統(tǒng)有四個(gè)按鍵分別K1,K2,K3,K4。(1)K1功能鍵：選擇修改溫度設(shè)定值、上限值、下限值、顯示溫度。(2) K2確認(rèn)鍵：對(duì)結(jié)果確認(rèn)并保存。(3) K3加1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報(bào)警值的溫度值增加按鍵；K3每按下一次，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值加比上一次值增加一。(4) K4減1鍵：設(shè)置余熱鍋爐鍋爐溫度報(bào)警值的溫度值減少按鍵；K4每按下一次，位選標(biāo)志所指的當(dāng)前位的值比上一次值減少一。、各個(gè)按鍵的開(kāi)關(guān)處均采用了4*10KΩ的上拉電阻，這是為了保證按鍵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，各I/O口線(xiàn)有確定的高電平。圖310 鍵盤(pán)電路 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)如下圖311所示是由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電源等幾部分電路組成。變壓器的輸出端是三抽頭的，經(jīng)過(guò)兩組整流二極管整流，在通過(guò)電容CC6和CC7濾波后分別輸入到穩(wěn)壓片子7812和7912的輸入端，從7812 和7912的輸出端就可以得到比較穩(wěn)定的12V電壓和12V電壓。12V電壓在通過(guò)兩個(gè)電容濾波后輸入到7805穩(wěn)壓芯片的輸入端，在7805的輸出端就可以得到5V的穩(wěn)定電壓。圖311中兩個(gè)發(fā)光二極管起到電源指示作用。圖311 穩(wěn)壓電源電路圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在第18腳XTAL第19腳XTAL2上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀(guān)察到XTAL2輸出的時(shí)鐘信號(hào)。~12MHz之間選擇，電容值無(wú)嚴(yán)格要求，但在電容值取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CXCX2可在20pF~100pF之間取值。在外部晶體上選用晶體振蕩器，頻率為12MHz，為提高頻率穩(wěn)定性，CXCX2都為30pF。時(shí)鐘電路如圖312所示。圖312 時(shí)鐘電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，在其上電后第9腳RESET出現(xiàn)24個(gè)振蕩周期以上的高電平后，單片機(jī)內(nèi)部初始復(fù)位。如圖313所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的手動(dòng)復(fù)位與上電復(fù)位綜合的復(fù)位電路。RR2構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路，R2一般取1~=200Ω時(shí)，R2=1KΩ時(shí)，若按鍵按下。當(dāng)k閉合、Urst3V時(shí)，是可靠的復(fù)位電平，則該電路的復(fù)位時(shí)間約為11ms。為保證可靠復(fù)位，一般選取復(fù)位時(shí)間為10ms即可。[2]圖313 復(fù)位電路第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)思路本章詳細(xì)的介紹了基于AT89S51單片機(jī)的余熱鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為若干個(gè)子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，如溫度采集子程序、PID控制子程序、顯示子程序等。本章從設(shè)計(jì)思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體思路，在逐一分析各模塊程序算法的實(shí)現(xiàn)，最終編寫(xiě)滿(mǎn)足任務(wù)需要的程序。本系統(tǒng)要完成溫度信號(hào)的采集與控制，需要實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可以將其分為信?hào)輸入、控制單元、信號(hào)輸出三大部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)軟件流程圖 主程序流程圖在系統(tǒng)軟件中，主程序依次完成系統(tǒng)初始化、溫度信號(hào)采集與處理、PID控制算法、溫度顯示、（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化），LED顯示的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計(jì)數(shù)據(jù)的初始化。A/D轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（主要實(shí)現(xiàn)將測(cè)量電路監(jiān)測(cè)到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類(lèi)型）。顯示數(shù)據(jù)包括顯示溫度的上限值、下限值以及溫度數(shù)值顯示。其程序主流程圖如下圖41所示。設(shè)計(jì)時(shí)采用單回路控制系統(tǒng)對(duì)余熱鍋爐的過(guò)熱蒸汽溫度進(jìn)行控制，以AT89S51單片機(jī)為核心，包括溫度采集模塊、按鍵處理模塊、溫度顯示模塊、控制輸出模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和通信模塊等組成。圖41 主程序流程圖 采樣子程序首先由熱電阻溫度傳感器檢測(cè)外部輸入的模擬量信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)建差分放大后，溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADC模擬通道輸入的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行顯示溫度測(cè)量結(jié)果，圖42所示為溫度信號(hào)采集流程圖。圖42 采樣子程序流程圖 數(shù)字濾波由于干擾的存在，可能導(dǎo)致A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果與鍋爐蒸汽溫度出現(xiàn)差異，為了提高系統(tǒng)的可靠性和信號(hào)的真實(shí)性，采用程序計(jì)算的方法對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑加工，從而克服虛假信號(hào)，這種算法稱(chēng)為數(shù)字濾波。數(shù)字濾波的方法有以下幾種：，其基本方法是通過(guò)比較相鄰(n和n1時(shí)刻)的兩個(gè)采樣值和，如果它們的差值過(guò)大．超出了參數(shù)可能的最大變化范圍，則認(rèn)為發(fā)生了隨機(jī)干擾，并視后一次采樣值為非法值，應(yīng)予剔除。，就是連續(xù)采樣三次，取中間值