工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測(cè)量與儀表應(yīng)用的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起統(tǒng)稱為過程控制中的四大參數(shù)，人們通過這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與控制。對(duì)流體流量進(jìn)行正確測(cè)量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)。流量的檢測(cè)和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

系統(tǒng)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(hào)，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)，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(duì)采集的信息進(jìn)行處理，輸出離散的控制信號(hào)。DA轉(zhuǎn)換器將離散的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電量。通過模擬電量來控制閥門的動(dòng)作，從而調(diào)節(jié)流量，實(shí)現(xiàn)流量的精確控制。

硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由水泵、流量傳感器、電動(dòng)閥門和MCS-51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：

流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過管道某一截面的物料數(shù)量。本控制系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)通過某一管道截面的物料數(shù)量即降粘劑流量進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，通過流量計(jì)采集流量信息，傳給單片機(jī)。單片機(jī)通過預(yù)先設(shè)定值和系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

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(hào)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(dòng)閥門動(dòng)作，對(duì)流體流量進(jìn)行控制。軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)思路

該控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為三部分：

1.主程序部分：該部分完成存儲(chǔ)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(gè)子程序，完成主要的控制功能。

2.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(duì)流量的控制，達(dá)到預(yù)期的控制要求；

3.各子程序：各個(gè)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(shí)器中斷、采樣中斷等。 軟件流程圖如下

主程序設(shè)計(jì)

主程序部分，主要完成存儲(chǔ)器分配、系統(tǒng)初始化和系統(tǒng)整體控制等，并通過調(diào)用各子程序段，實(shí)現(xiàn)軟件的總體設(shè)計(jì)功能。

初始化：系統(tǒng)初始化程序的功能是對(duì)8155和89C51進(jìn)行初始化，使D/A輸出為0，步進(jìn)電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，將RAM中的標(biāo)志位和工作單元置為初始狀態(tài)，提示符CPUREADY寫入緩沖器。更新顯示器子程序的功能是將顯示緩沖器的內(nèi)容，分別轉(zhuǎn)化為段數(shù)據(jù)，輸出到8155。顯示器0～12的顯示數(shù)據(jù)緩沖器分別為73H～7FH單元。當(dāng)系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，顯示器0～4顯示參數(shù)，顯示器5～7顯示參數(shù)地址，所以73H～77H作為數(shù)據(jù)緩沖器，78H～7AH作為地址緩沖器，在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，73H～77H作為瞬時(shí)流量緩沖器，78H～7FH作為累計(jì)流量緩沖器。 初始化程序的流程如圖所示：

流量控制子程序

在流量測(cè)試的基礎(chǔ)上，把流量設(shè)定值和實(shí)際測(cè)試得到的瞬時(shí)流量進(jìn)行比較計(jì)算出誤差，采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法，計(jì)算輸出到AD0809的變量Uio增量式PID控制算法的計(jì)算公式為

式中：ei為本次實(shí)際測(cè)得的流量和設(shè)定值之差；

P為比例系數(shù)；I為積分系數(shù)；D為微分系數(shù)；輸出控制變量表達(dá)式為：

程序的入口參數(shù)：偏差ek、ek-1、ek-2、測(cè)量值y、給定值r。這5個(gè)參數(shù)均為3字節(jié)的浮點(diǎn)數(shù)，分別將它們存放在RAM單元中。低字節(jié)存放浮點(diǎn)數(shù)的階數(shù)和符號(hào)，其中符號(hào)存放在最高位，階數(shù)以補(bǔ)碼的形式存放在另7位中。尾數(shù)以原碼的形式存放在另2個(gè)字節(jié)中。

中斷服務(wù)子程序

設(shè)定值輸入程序

本程序?qū)?位BCD碼按千、百、十、個(gè)依次存放在89C51片內(nèi)RAM的30H～33H單元中，每個(gè)地址單元的高4位為0，低4位為BCD碼。 程序代碼如下：

RDS：MOV R0，#30H；初始化，存放單元首址

MOV R2，#7FH；P1口高4位置控制字及低4位置輸入方式

MOV R3，#04H；讀入4個(gè)BCD碼 MOV A，R2

LOOP：MOV P1，A；P1口送控制字及低4位置輸入方式

MOV A，P1；讀如BCD碼 ANL A，

#0FH；屏蔽高4位

MOV @R0，A；送入存儲(chǔ)單元

INC R0；指向下個(gè)存儲(chǔ)單元

MOV A，R2；準(zhǔn)備下一片撥盤的控制端置0

RR A；

MOV R2，A；

DJNZ R3，LOOP；未讀完返回

RET；讀完結(jié)束

A/D中斷子程序

A/D中斷子程序流程圖如下所示：

程序代碼如下：

INT0：PUSH ACC ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSH DPH

PUSH DPL

PUSH PSW

SETB PSW.3 ；選工作寄存器區(qū)1

MOV DPTR，#0DF01H；讀取8155A口數(shù)據(jù)

MOVX A，@DPTR MOV R2， A

ANL A， #0F0H ；屏蔽低4位 JNZ ND5 ；

MOV A，R2

JNB 02H， D51 ；判斷是否采樣零信號(hào)

MOV C， ACC.0 ；

MOV 30H， C MOV C， ACC.7

MOV 37H，C AJMP D14

D51： MOV C，ACC.0 ；萬位和標(biāo)志位→荷重信號(hào)緩沖器

MOV 48H，C

MOV C，ACC.7

MOV 4FH，C

AJMP D14

ND5： MOV A，R2 ；判斷是否讀出千位

JNB ACC.7，ND4

JNB 02H，D41 ；判斷是否采樣零信號(hào)

ANL A， #0FH ；千位→零信號(hào)緩沖器

SWAP A

MOV 25H，A

AJMP D14

D41： ANL A，#0FH

SWAP A

MOV 28H， A

AJMP D14

ND4： JNB ACC.6， ND3 ；判斷是否讀出百位

JNB 02H，D31 ；判斷是否采樣零信號(hào)

MOV R1， #25H ；百位→零信號(hào)緩沖器

ANL A，#0FH

XCHP A，@R1

AJMP D14

D31： MOV R1， #28H

ANL A，#0FH

XCHD A，@R1

AJMP D14

ND3： JNB ACC.5， ND2 ；判斷是否讀出十位

JNB 02H， D21 ；判斷是否采樣信號(hào)

ANL A， #0FH ；十位→零信號(hào)緩沖器

SWAP A

MOV 24H， A

AJMP D14

D21： ANL A， #0FH

SWAP A MOV 24H，A

AJMP D14

ND2： JNB 02H，D11 ；判斷是否采樣零信號(hào)

ANL A，#0FH ；個(gè)位→零信號(hào)緩沖器

MOV R，#24H

XCHD A，@R1 CLR 02H

MOV DPTR，#0DFF3H ；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

MOV A， #30H

MOVX @DPTR，

A ADS1：SETB P1.6

NOP

NOP

CLR P1.6

AJMP D14

D11： ANL A，#0FH

MOV R1，#27H

XCHD A，@R1

MOV 2AH，24H ； 采樣數(shù)據(jù)送處理緩沖器

MOV 2BH，25H

MOV 2CH，26H

MOV 2DH，27H

MOV 2EH，28H

MOV 2FH，29H

SETB 03H ；置一次A/D采樣結(jié)束標(biāo)志

D14： POP PSW ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP DPL

POP DPH

POP ACC

RETI

定時(shí)器中斷子程序

定時(shí)器T0中斷程序流程圖如下圖所示。

程序代碼如下

PIT0： PUSH PSW ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

PUSH ACC

PUSH DPH

PUSH DPL

JNB 00H， T01 ；允許采樣否？

DJNZ 10H， T02 ；采樣周期計(jì)數(shù)器減1，不為1轉(zhuǎn)T02

DJNZ 11H，T02

MOV 10H，#0A0H ；恢復(fù)采樣周期計(jì)數(shù)器初值

MOV 11H， #0FH

SETB 0FH

CLR 0DH

CLR P3.4

MOV DPTR， #0DFF3H ； 對(duì)零點(diǎn)采樣

MOV A， #00H

MOVX @DPTR， A

SETB 04H

SETB 04H

T02： JB 01H， T05

T01 SETB P1.7

NOP

CLR P1.7

T05：CLR P1.6

DJNZ 16H， T06 ；調(diào)試用脈沖周期計(jì)數(shù)器減1

CPL P1.4 ；使P1.4產(chǎn)生方波

MOV 16H，17H

T06： POP DPL ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

POP DPH

POP ACC

POP PSW

ERTI

數(shù)碼管顯示子程序

程序流程圖如下所示：

15

在單片機(jī)內(nèi)部RAM的20H和21H單元中有四位十六進(jìn)制數(shù)（20H中為高兩位），以下是將其自左到右顯示出來的程序。 程序代碼如下：

ORG 2000H

SDIAPLAY：MOV A，20H ；20H中數(shù)送A

ANL A，#0F0H ；截取高4位

MOV P1，A ；送1#MC14495

MOV A，20H ；20H中數(shù)送A

SWAP A ；低4位送高4位

ANL A，#0F0H ；去掉低4位

INC A ；A1A0指向2#MC14495

MOV P1，A ；送2#MC14495

MOV A，21H ；21H中數(shù)送A

ANL A，#0F0H ；截取高4位

ADD A，#02H ；A1A0指向3#MC14495

MOV P1，A ；送3#MC14495

MOV A，21H ；21H中數(shù)送A

SWAP A ；低4位送高4位

ANL A，#0F0H ；去掉低4位

ADD A，#03 ；A1A0指向4#MC14495

MOV P1，A ；送4#MC14495

RET

步進(jìn)電機(jī)控制程序

程序代碼如下： ORG 2100H

PUSH ACC ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

MOV R4，#N ；步進(jìn)馬達(dá)步進(jìn)數(shù)送R4

CLR C ；Cy清零

ORL C，PSW.5 ；轉(zhuǎn)向標(biāo)志狀態(tài)送Cy

JC ROTE ；若為反轉(zhuǎn)，則轉(zhuǎn)ROTE

MOV R0，#20H ；正轉(zhuǎn)模型始址送R0

AJMP NEXT ； 轉(zhuǎn)入NEXT

ROTE：MOV R0，#27H ；反轉(zhuǎn)模型始址送R0

NEXT：MOV A，@R0 ；輸出控制模型的值

MOV P1，A ；輸出控制脈沖 ACALL DELA

Y ；延時(shí)（形成脈寬） INC R

0 ；準(zhǔn)備下個(gè)模型指針 MOV A，#00

H ；判斷送完一遍模型值

ORL A，@R0 JZ TP

L ；若模型結(jié)束，則TPL LOOP：DJNZ R4，NEXT ；若步進(jìn)數(shù)未走完，則N

EXT

POP AC

C ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

RE

T ：返回

TPL：MOV A，R0 CLR C

SUBB A，#06H MOV R0，A ；恢復(fù)模型始址

AJMP LOOP ；判斷步進(jìn)馬達(dá)步數(shù)走完？

DELAY：MOV R2，#M1 ；延時(shí)

DELAY1：MOV R2，#M2

DELAY2：DEC A JNZ

DELAY2 DJNZ R2，DELAY1

RET

END

上述控制程序是利用程序延時(shí)來控制電機(jī)的通電時(shí)間（即形成控制脈沖）以達(dá)到正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止的。這種控制的缺點(diǎn)是CPU因執(zhí)行延時(shí)程序而降低了效率。為了提高CPU的使用效率，常常也可采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器編制上述程序。