【文章內(nèi)容簡介】 正確為止，故不存在廢品。（５）可進(jìn)行反復(fù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。用ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且隨客戶的需要和發(fā)展還可以進(jìn)行修改。是系統(tǒng)不斷追隨用戶的最新要求。２．３，３變頻囂的選擇Ｉｌ”ＴＫＧＫ。ｌ實(shí)驗(yàn)裝置采用的是三菱ＦＲ—ｓ５２０Ｓ變頻器，這是～個(gè)智能型器件，內(nèi)有嵌入式微控制器具有可編程參數(shù)設(shè)置和完善的自動(dòng)故障檢測及保護(hù)功能。具有ＲＳ—４８５通信接口，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信，由機(jī)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置或在計(jì)算機(jī)直接控制下的運(yùn)行。和大多數(shù)智能型變頻器一樣，Ｆｆ己．一ｓ５２０Ｓ可以有四６種操作和控制的方式供用戶選擇：（１）面板操作方式（即手動(dòng)操作方式）；（２）多段位操作方式（一般適合于用ＰＬＣ對其進(jìn)行控制時(shí)使用）；（３）外部模擬量輸入控制方式；（４）計(jì)算機(jī)通信控制方式。２．３．４ＰＬＣ可編程控制器的選擇在ＴＫＧＫ－－ｉ實(shí)驗(yàn)裝置中，采用了西門子公司的Ｓ７－２００ＰＬＣ可編程控制器。它集成了１４個(gè)輸入／１０個(gè)輸出，總共有２４個(gè)數(shù)字量Ｉ／Ｏ點(diǎn)。１３Ｋ字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間，６個(gè)獨(dú)立的３０ＫＨＺ高速計(jì)數(shù)器。具有ＰＩＤ控制器，１個(gè)Ｒｓ—＿４８５通信／編程口。具有ＰＰＩ通訊協(xié)議、ＭＰＩ通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。Ｉ／Ｏ端子排可很容易地整體裝／卸，是具有較強(qiáng)控制能力的控制器。２．３．５溫度變送器的選擇實(shí)驗(yàn)裝置中，溫度監(jiān)控的任務(wù)是由監(jiān)測控制儀表——溫度變送器ＡＰ－－７０８Ｐ實(shí)現(xiàn)的。溫度變送器ＡＰ一７０８Ｐ是一臺內(nèi)含單片機(jī)的智能化儀表。具有溫度一電量變送、調(diào)節(jié)控制、測量顯示、設(shè)置及設(shè)置顯示、報(bào)警及通信等多項(xiàng)功能。作為一個(gè)相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集單元，操作者可以通過變送器面板上的操作按鈕對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行手工操作，也可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。由以上介紹不難看出’ＴＫＧＫ—ｌ實(shí)驗(yàn)裝置給我們提供了一個(gè)具體的、多參量的過程控制對象，又提供了多種智能化的執(zhí)行部件和檢測控制儀表，這些部件和儀表的選型應(yīng)能滿足可靠性、實(shí)用性和先進(jìn)性的要求。但是，如同其他自動(dòng)控制系統(tǒng)一樣，過程控制系統(tǒng)也是在不斷發(fā)展之中，從即將成為過程控制主流的集散控制系統(tǒng)（ＤＣＳ）的角度來看。一臺１ＫＧＫ一１實(shí)驗(yàn)裝置只是其中的一個(gè)現(xiàn)場控制站。２．４單容水箱液位／壓力控制系統(tǒng)簡介圖２１３為單容水箱液位，壓力控制系統(tǒng)簡圖。這是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，控制的任務(wù)是使水箱的液位，壓力等于給定值，減小或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。我們僅以上水箱為例，設(shè)定萁液位，壓力參數(shù)為被控對象。交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵通過閥Ｉ向上水箱供水，調(diào)節(jié)閥２使之同時(shí)向外排水，令入水的速度大于出水的速度，達(dá)到被控參數(shù)（液位／壓力）的動(dòng)態(tài)調(diào)整。本文的主要研究對象是：以單片機(jī)為控制核心，輔助以與單片機(jī)系統(tǒng)配套的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字ＰＩＤ程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整（設(shè)定值在單片機(jī)鍵盤上完成），使水箱的實(shí)際液位／壓力值與設(shè)定值接近，最終穩(wěn)定于設(shè)定值。單回路控制系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、投資小、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛應(yīng)用168。ｗ。當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇的不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果。因此，當(dāng)一個(gè)單回路系統(tǒng)搭建好以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個(gè)很重要的實(shí)際問題。圖２．３單容水箱液位壓力控制系統(tǒng)簡圖Ｆｉｇ ２．３Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ吐１ｅ ｌｉｑｕｉｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ／ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ一個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。系統(tǒng)從原來的手動(dòng)操作要切換到自動(dòng)操作狀況，必須要無擾動(dòng)的，這就要求調(diào)節(jié)器的輸出量能跟蹤手動(dòng)的輸出值，同時(shí)在切換時(shí)應(yīng)使測量值與給定值無偏差存在。由此可見，本文的研究內(nèi)容為單回路的控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程做出了十分有益的嘗試。２．５單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖２．４所示，其主要組成部分有：基于擴(kuò)散硅傳感器的液位，壓力檢測單元、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換單元、以ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)為核心的控制’單元以及調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水量的變頻調(diào)速單元。塑圖２．４單片機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖皇Ｆｉｇ．２．４ Ｔｈｅ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆｃｏｍｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄｏｎｓｉｎ掣ｅｃｈｉｐ單片機(jī)控制系統(tǒng)具體的工作過程是：設(shè)定欲穩(wěn)定的水箱的液位高度，通過檢測元件獲取當(dāng)前水箱的實(shí)際的液位高度，經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)蘭字信號，送單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號ｅ，ｅ經(jīng)過調(diào)節(jié)器做ＰＩＤ運(yùn)算，給變頻器輸出一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號Ｕ，通過數(shù)，模轉(zhuǎn)換器將變頻器調(diào)速信號由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，由于變頻器的輸出頻率與輸入電壓成比例，可變的輸出頻率調(diào)整電動(dòng)機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量，達(dá)到調(diào)節(jié)水箱液位／壓力的目的。在對ＴＫＧＫ～１實(shí)驗(yàn)裝置的電子電路作進(jìn)一步深入的研究和分析后，我們看到，單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在本裝置中起到了核心和關(guān)鍵的作用。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由采樣電路、模擬量信號調(diào)理電路、儀表顯示電路、單片機(jī)監(jiān)控電路、電源電路共計(jì)６種單元電路組成。這些電路以ＡＴ９９Ｃ５１為核心，主要執(zhí)行以下四項(xiàng)任務(wù)【１’“Ｉ：（１）現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測?，F(xiàn)場產(chǎn)生的液位、壓力、流量等非電量實(shí)時(shí)信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號之后，經(jīng)過信號調(diào)理，被送到單片機(jī)電路板的模擬量輸入端口。再經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換之后被變換為數(shù)字量，單片機(jī)定時(shí)采集這些數(shù)字信號，將其存儲起來。并及時(shí)更新存儲空間，等待ＰＣ主機(jī)的查詢。（２）現(xiàn)場控制。和現(xiàn)場監(jiān)測不同的是現(xiàn)場控制是指單片機(jī)電路板的輸出，這種輸出可以是數(shù)字量－也可以是模擬量。在本裝置中，所謂控制，其實(shí)是指對變頻調(diào)速器的控制。單片機(jī)是通過其電路板上的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)其對輸出模擬量信號的控制的。（］）數(shù)據(jù)通信。單片機(jī)作為下位機(jī)，必須不停地與上位ＰＣ機(jī)保持聯(lián)系，以便及時(shí)地將最新的現(xiàn)場被控參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)ＰＣ機(jī)，同時(shí)，獲取ＰＣ機(jī)發(fā)出的最新的調(diào)控轉(zhuǎn)速的指令。（４）鍵盤及顯示監(jiān)控。在單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，可以通過鍵盤進(jìn)行通道的選擇和參數(shù)的設(shè)置等方面的工作。第三童數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)３．１數(shù)據(jù)采集的基本任務(wù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學(xué)科，所研究的對象是物理或生物等各種非電或電信號。根據(jù)各種電或非電物理信號的特征，利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換成為可真實(shí)反映事物特征的電信號后，經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的有限長二進(jìn)制數(shù)字編碼，以此作為研究自然科學(xué)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制的重要依據(jù)。在本實(shí)驗(yàn)裝置中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務(wù)是將檢測元件獲取的當(dāng)前水箱的實(shí)際液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，以便單片機(jī)將該電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，從而按所得偏差ｅ進(jìn)行控制運(yùn)算。３．２數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的硬件部分在當(dāng)今的微機(jī)測控系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到需要輸入各種模擬信號的狀況，這時(shí)必須進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。有時(shí)，在某些實(shí)際項(xiàng)目中，為了采集模擬量而選用～些專用的數(shù)掘采集卡，不僅使系統(tǒng)更加復(fù)雜，還增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。本實(shí)驗(yàn)裝置針對液位／壓力緩慢變化的模擬信號，考慮到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等因素，在原有控制器的基礎(chǔ)上，以ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)為核心，利用少量的Ｉ／Ｏ接口，采用ＴＬＣ２５４３串行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，擴(kuò)展出一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制部分采用的是ＡＴＥＭＬ公司出產(chǎn)的ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)，其主要特性如下‘１５～６１：１）工作頻率為０～２塒Ｈｚ２）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器３）可編程Ｉ／０口線３２條，中斷源５個(gè)４）４Ｋ字節(jié)俠閑ＲＯＭ．１２８字節(jié)ＲＡＭ５）工作電壓２．７～６ｖ，編程電壓１２Ｖ／５Ｖ６）可電擦寫１０００次７）４０引腳，ＤＩＰ封裝本實(shí)驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集對象為隨時(shí)間緩慢變化的液位，壓力信號，因此選用ＴＩ公司的１２位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ＴＬＣ２５４３，其分辨率較高，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換過程，而且采用的是串行輸入結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了單片機(jī)的ＦＯ資源。其主要特點(diǎn)為：１）１２位分辨率Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器２）在工作溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為１０腳３）ｎ個(gè)模擬輸入通道４）３路內(nèi)置自測試方式ｌＯ５）采樣率為６６ｋｂ／ｓ６）線形誤差177。ｌ￡凹ｉ－ｌ＇ｌａｘ７）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出ＥＯＣ８）具有單、取極性輸出９）可編程的ＬＳＢ或ＭＳＢ前導(dǎo)ｌＯ）可編程輸出數(shù)據(jù)長度『Ｉ。ＬＢ㈠；：。３；：１０：；謄：；ｉ【圖３．１ＴＬＣ２５４３引腳Ｆｉｇ．３．１ ＴｈｅＰｉｎｓ ｏｆＴＬＣ２５４３ＴＬ０２５４３的引腳排列如圖３．１所示。圖中的ＡＩＮ０～ＭＮｌ０為模擬輸入端，１１路輸入信號由內(nèi)部多路器選通；ＣＳ為片選端，在ｃ，端由高變低時(shí)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位。由低變高時(shí)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)禁止ＤＡＴＡ ＩＮＰｕＴ和Ｉ／ＯＣＬＯＯＫ；ＤＩＮ為串行數(shù)據(jù)輸入端。由４位的串行地址輸入來選擇模擬量的輸入通道；Ｄｏｕｒ?yàn)椋粒霓D(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端，ｃｓ為高時(shí)，處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，ＣＳ為低時(shí)，處于激活狀態(tài)；ＥＯＣ為轉(zhuǎn)換結(jié)束端，在最后的Ｉ／Ｏ ＯＬＯＣＫ下降沿之后，ＥＯＯ從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸為止；ＥＬＫ為Ｕ０時(shí)鐘，其接收串行信號并完成以下４個(gè)功能，（１）在Ｉ／ｏ ＣＬＯＣＫ的前８個(gè)上升沿，８位輸入數(shù)據(jù)存入輸入數(shù)據(jù)寄存器；（２）在Ｉ／０ ＣＬＯＣＫ的第４個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到Ｉ／０ｃＬＯＣＫ的最后一個(gè)下降沿為止：（３）將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余ｌｌ位輸出到ＤＡＴＡ ０Ｌｒｒ端，在Ｉ／０ ＣＬＯＣＫ的下降沿時(shí)數(shù)據(jù)開始變化；（４）Ｉ／０ ＣＬＯＣＫ的最后一個(gè)下降沿，將轉(zhuǎn)換的控制信號傳送到內(nèi)部狀態(tài)控制位；ＲＥＦ＋為正基準(zhǔn)電壓端；ＲＥＦ－為負(fù)基準(zhǔn)電壓端；Ｖｃｃ為電源；ＧＮＤ為內(nèi)部電路的她回路端…１ｗ。３．３模擬信號的采集與處理３．３．１液位的測量本裝置中液位的測量采用的是ＭＰＸ２．０１０ＤＰ型傳感器。其工作原理是在單晶硅的基礎(chǔ)上擴(kuò)散出Ｐ型或Ｎ型電阻條，接成電橋。在壓力作用下，根據(jù)半導(dǎo)體的壓一阻效應(yīng)，把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化，經(jīng)過測量電路所測的輸出電壓反映出所受壓力的變化，即液位的變化。當(dāng)硅膜片上受到壓力Ｐ．和ｐ，作用時(shí)，由于它們對膜片產(chǎn)生的壓力正好相反，因此作用在膜片上的壓力為矗ｐ＝Ｐ．一ｐ，從而可以進(jìn)行壓差測量。實(shí)驗(yàn)中具體的測量方式為空氣管傳感方式：將一根管子（橡皮或塑料）豎直立起，其一端放于液體容器中，另一端完全敞開，則在管子里面的液面與容器中的是完全相同的。若將管子的上端封住（接到ＭＰＸ２０１０ＤＰ的壓力面），管子內(nèi)就會留有一定體積的氣體。當(dāng)容器內(nèi)液位變化時(shí)，管內(nèi)空氣的壓力將會成比例地變化，則ＭＰＸ２０１０ＤＰ傳感器的壓力面會將其所感知的壓力變化傳送給ＴＬＣ２５４３串行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換芯片，將該壓力的變化轉(zhuǎn)換成電信號。３．３．２ＴＬＣ２５４３的控制字格式“”ＴＬＣ２５４３有１２個(gè)輸入通道，有三種輸出數(shù)據(jù)長度，每種數(shù)據(jù)又可以設(shè)定為不同的數(shù)據(jù)順序（高位在前還是低位在前）。通道的選擇、數(shù)據(jù)格式的設(shè)定，都是通過控制器向ＴＬＣ２５４３寫控制字來實(shí)現(xiàn)的?？刂谱指袷饺绫恚常彼?。表３－１控制寄存器中各位定義Ｉ通道選擇輸出數(shù)據(jù)長度輸出數(shù)據(jù)順序極性選擇Ｄ７（ＭＳＢ）ＩＩ）６Ｄ５Ｄ４Ｄ３ＩＤ２Ｄ１Ｄ０表３－２通道的選擇或測試電壓的選擇通道選擇功能Ｄ７（ＭＳＢ）Ｄ６Ｄ５Ｄ４００ｌ１ｌＩ１００００ｌ１ｌ００ｌｌ００ｌ０１Ｏｌ０Ｉ０選擇通道０選擇通道Ｉ選擇通道１０選擇（％耵．＋％口一）肛作為預(yù)４試電壓％。＋Ｋ。．軟件關(guān)閉電源控制字相當(dāng)于ＴＬＣ２５４３內(nèi)部一個(gè)８位的控制寄存器，用于選擇通道、選擇傳輸數(shù)據(jù)格式、傳輸數(shù)據(jù)長度。具體定義如表３－２～３—５所示。表３－３數(shù)據(jù)＆度的選擇Ｄ３０ＸｌＤ２１０１表３＿４輸出數(shù)據(jù)的格式Ｔａｂ．３—１４ Ｔｈｅ ｅｈｏｌｃｅ ｏｆｄａｔａ ｆｏｒｍａｔ輸出數(shù)據(jù)長度ｇｂｉｔ１２ｂｊｔ１６ｂｉｔｌＩＤ１功能０輸出數(shù)據(jù)的高位在（ＭＳＢ）ｌ輸出數(shù)據(jù)低位在前（ＬＳＢ）表３－５極性的選擇Ｔａｂ．３—＿５ＴｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｐｏｌａｒｉｔｙｌｌＤＯ功能０單極性二進(jìn)制數(shù)｛ＪＩ烈極性二進(jìn)制數(shù)３．３．３轉(zhuǎn)換過程ＴＬＣ２５４３與ＡＴ８９Ｃ５１的接口電路如圖３