毕业设计文档4单片机控制的反应缶系统终稿
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本 科 毕 业 设 计 (论 文)基于单片机的反应罐监控系统设计Design of Monitoring System for Reactor Tank Based on Single Chip Microcomputer学 院 :专 业 班 级 :学 生 姓 名 :学 号:指 导 教 师 : 年 月毕业设计(论文)中文摘要基于单片机的反应罐监控系统设计摘 要:反应罐是用来完成化学反应及物理反应的容器,在工业和科研项目中具有广泛的应用。由于反应罐反应过程中非常容易受到温度、湿度等环境的影响,在某些情况下甚至可能会发生安全性事故。因此,如何能够在反应罐的反应过程中进行有效的监控就显得尤为重要。本课题的主要步骤:首先,通过温度传感器来检测反应罐中的温度、压力传感器来检测反应罐中的压力以及流量传感器来检测反应罐中的流量的值,其次,将检测到的值与设定的值的范围作对比。如果测定的值不在设置的范围之内,那么通过相应的程序来进行操作。本课题使用单片机、pt100 热电阻温度传感器、MPX4115 压力传感器、涡轮流量传感器、LCD 液晶显示屏等设计了一个能够有效地实现对反应罐进行温度控制、压力控制、流量控制的具体电路和实时系统,在化学反应过程中能够利用相应的程序对温度、压力、流量变化进行有效地模拟和控制;最后,通过相应的程序进行实时监控的模拟。关键词:反应罐;单片机;温度控制;压力控制;流量控制。毕业设计(论文)外文摘要Design of Monitoring System for Reactor Tank Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: Reaction tank is a container for chemical reaction and physical reaction, which is widely used in industry and scientific research projects. As the reaction tank reaction process is very susceptible to the external environment, in some cases even affect the production process of security. Therefore, it is very important that how to monitor the reaction process effectively.The main steps of this subject: Firstly, through the analysis of the temperature and pressure of the reactor, the relationship between the flow rate and the temperature and pressure in the reactor was obtained. Secondly, through the use of SCM, relay, PT100 thermal resistance temperature sensor, MPX4115 pressure sensor, ceramic turbine flow sensor, LCD liquid crystal display design a specific circuit can effectively realize the temperature control, pressure control, flow control and real-time system of reaction tank, In the process of chemical reaction, the algorithm can be used to simulate and control the temperature, pressure and flow; Finally, the real-time monitoring of the whole chemical reaction process is simulated by the configuration software.Keywords: reaction tank; single chip; temperature control; pressure control; flow control目 录1 绪论 .11.1 研究意义和背景 .11.2 研究现状和发展趋势 .11.3 本文的主要结构安排 .22 总体方案 .42.1 最小系统的构成 .42.2 温度、压力、流量测量 .42.3 A/D 转换 .53 硬件电路的设计 .63.1 总体设计 .63.2 单片机的介绍 .63.2.1 AT89S52 单片机 .73.2.2 单片机最小系统介绍 .83.3 测量电路 .103.3.1 传感器的介绍及选择 .103.3.2 A/D 转换器的认识及选择 .173.4 外围电路 .193.4.1 报警电路 .193.4.2 显示电路 .203.4.3 键盘接口 .224 系统的软件设计 .244.1 系统主程序的设计 .244.2 各模块子程序的设计 .24结 论 .28致 谢 .29参 考 文 献 .30附 录 .31附录 1:原理图、仿真图 .31附录 2:程序 .33本科毕业设计(论文) 第 1 页共 47 页1 绪论1.1 研究意义和背景反应罐是一种能够实现化学反应和物理反应的反应容器,其内部结构带有搅拌装置,用于实现混合化合物浓度的均衡。一般来说,液体与液体反应,液体与固体反应,液体与气体反应等都是比较常见的化学反应。因此,反应罐在工业和科研项目中具有广泛的应用并且占据着较高的地位。但是,化学反应很容易受到外界环境的影响,因此,在发生化学反应时,反应罐的一些外界条件难以精确的控制。从上述分析中可以看出,对反应罐的系统参数进行实时有效的监控具有很大的价值。在传统的过程控制系统中,温度的有效控制一直是衡量产品质量和产量的一个不可或缺的因素之一。对于聚合反应来说,如若在反应过程中加入的冷水过多就很可能会导致反应失败,相反的,如若不能够及时地进行降温处理,又会很容易发生“爆聚”或者跳闸现象。如若这样,那么现场工作人员的安全就很难得到保障。因此,如何能够对反应罐进行有效地监测与控制就成为重中之重1。在正常情况下,由于温度、压力以及流量等参数往往是具有滞后性的,因此,在无形中就给控制系统的参数的调节带来巨大的困难。就我国目前现状来说,大多数的锅炉的监控仍处于人工根据仪表进行监控阶段,再加上反应罐加热过程中的滞后性、复杂性以及耦合性,致使控制系统的参数调节更加困难。为了改变这种状态,最好的解决办法就是进行监控系统改造,技术工程师利用远程计算机平台通过网络进行分析、调整和控制反应罐的参数,而现场所需的一些操作只需现场工作人员通过对触摸屏进行基本的操作就可以轻易地完成。1.2 研究现状和发展趋势我国反应罐的监控系统与西方发达国家相比来说,落后长达几十年。国内的反应罐监控完全是依靠现场操作人员自身的操作经验来进行手动或者半自动的调节与控制,直接导致反应罐控制精度的不确定性2 。如果现场操作人员没有进行正确的判断与操作,就会造成最直接的经济损失,如反应材料报废,产品收率低,产品质量差,严重时甚至会产生安全事故。随着现代科技和现代控制理论的快速发展,人们对反应罐的监控进行了深入的探索与研究,手动调节的方式正逐渐被现代控制理论与自动控制技术取代,现如今提出了采用模糊控制、自适应控制、预测控制等先进的控制系统3 。模糊控制器4的工作原理是根据人工控制所获得的经验得出系统的各种情况下的参数,汇集信息,然后根据一些推理规则从而决定控制方案5 。模糊控制相对于传统方案的控制来说,更容易构造,鲁棒性较好。但是用模糊控制有一个非常重要的前提即有足够的人工控制经验6 。本科毕业设计(论文) 第 2 页共 47 页自适应控制7是指当被控对象产生某些变化时,控制系统可以根据它的变化及时调整系统参数。自适应控制系统8 在现代工业上主要分为自适应控制系统、模型参考自适应控制系统以及简单自校正适应控制系统三类9 。其系统框图如下图 1-1 所示。图 1- 1 模型参考自适应方框图预测控制10是利用在一段时间内采样得到的值来得到阶跃响应曲线,之后我们可以根据这个曲线来动态的预测对象。内部模型、参考轨迹和控制算法是预测控制系统的三大要点1112 。其系统框图如下图 1-2 所示。图 1- 2 预测控制系统方框图1.3 本文的主要结构安排本课题的主要任务有:(1)能够对反应罐的压力进行实时采集与显示。(2)能够对反应罐的流量进行实时采集与显示。(3)能够对反应罐中的温度进行实时检测与显示。本科毕业设计(论文) 第 3 页共 47 页(4)根据采集数据进行相应的控制与调节。根据课题的任务,本文的主要研究内容为:首先根据现场实际生产需求对反应罐的监控系统降的流程进行初步的设计与规划;然后以反应罐为研究对象,进而深入地研究反应罐的温度、压力、流量控制的过程;之后,通过 proteus 仿真来来判定设计的电路是否可以完成我们的任务要求;最后,根据上述工作得到的结果来进行系统的设计,主要包括电气设计以及控制程序的设计。本科毕业设计(论文) 第 4 页共 47 页2 总体方案2.1 最小系统的构成整个系统的组成部分包括:单片机、传感器、模数转换器、LCD 显示屏等,整体形成一个数字采集与自动控制系统。鉴于此次的设计是一个温度、压力、流量控制系统,即控制反应罐中的温度、压力、流量与上位机通信是本次课题的主要方向。根据本课题任务要求,我们决定选用51 系列的单片机来进行控制,因为其不仅可以提高整个被控系统的精度和性能,还可以方便控制等。选择 51 系列单片机的主要目的是为了保证反应罐可以根据现场实际需求进行精确的调节,但其快速性不高。所以本系统设计过程为:用传感器测量罐中的温度、压力、流量;之后再经过模数转换器将之前所测得的三个变量的连续型的信号转换为离散型的信号在传送给单片机,之后,再由数模转换器将离散型的信号转换为连续性的信号输出,由于信号可能会比较微弱,那么,我们在进行使用的时候就需要将它放大到我们需要的信号,我们可以采用放大电路对其放大。其中,还应考虑到键盘输入、输出显示环节以及温度、压力、流量超限的报警环节。总体框图如下图 2-1 所示。图 2-1 总体框图2.2 温度、压力、流量测量由于反应罐在反应过程中很容易受外界环境的影响(比如:温度、反应物质、浓度等因素) ,因此,在生产过程也极易产生安全事故,为了保证现场工作人员的安全,就必须要确保反应罐可以被精确的控制。反应罐能够被精确的控制主要取决于三方面:温度、压力和流量。因此,如何能够对反应罐在其反应过程中内部的温度、压力、流量进行实时的检测与控制就是本课题最主要的问题与研究方向。传感器,从名字我们就可以看出,就是将其感受到的信息传输出去。准确地来说,传感器13 就是去检测现场需要被获得的信息并且能够将其转换为某种信号传输出去。针对于本课题的要求,我们可以采用相应的传感器来依次测量温度、压力、流量。根据本课题的任务,我们选择传感器的时候应该注意测量范围、稳定性、以及抗腐蚀性等性能。针对于温度传感器,由于罐中化学反应多为放热,温度较高,因此我们决定本科毕业设计(论文) 第 5 页共 47 页选择 PT100 热电阻温度传感器,它的特点是可以用于温度较高的场所、并且抗氧化性好。而压力传感器可以选择 MPX4115 压力传感器,其特点是高稳定特性及高精度性,另外,它的压力采集范围在 15kp115kp 之间,电压输出在 0.27V-4.76V。而流量传感器则可以选择涡轮流量传感器,它的特点则是读书清晰、可靠性高等。2.3 A/D 转换模数转换简称 A/D 转换。事实上,A/D 转换必不可以少,因为一般来说,我们传感器采集到的信号基本上都不是数字信号,然而,在处理上面,模拟信号较难处理,而数字信号相对来说,比较容易处理。因此,我们在处理之前,可以先将其转换,那么这里就需要 A/D 转换。在设计中使用了 A/D 转换电路,实现温度、压力以及流量信号的检测变换,与主控芯片实现连接。然后,我们又知道模拟信号它是一个连续变换的信号,而数字信号则相反,它是不连续变化的。所以在进行 A/D 转换时,首先就需要将模拟信号连续的这一特点给打破。A/D 转换的一般步骤如下图 2-2 所示。图 2-2 A/D 转换原理图本科毕业设计(论文) 第 6 页共 47 页3 硬件电路的设计3.1 总体设计首先,温度检测采用 PT100 热电阻传感器,构成电桥电路,采集温度信号电压变化,压力检测直接采用 MPX4115 压力传感器,流量检测通过涡轮流量计;之后经过ADC 将信号检测变化之后送给单片机;单片机根据传输进来的信号进行分析之后采取相应的措施来实现我们想要达到的功能;最后单片机再向 LCD 传输信号,LCD 最主要的作用就是能够将这些参数实时的显示出来。LCD 显示温度、压力、流量,当上述三项超过上下限时,自动启动报警电路产生报警信号。系统结构图如下图 3-1 所示。图 3- 1 系统硬件结构图3.2 单片机的介绍由于科技的快速发展和企业日益庞大的需求,单片机的应用越来越广泛。因而,越来越多的的生产厂家也推出了各种可以满足其需求的单片机。在其类型多如繁星的单片机中, 51 单片机因为其众多优点(如:性能好、性价比高)被各行业最为认可并且广泛使用。因此,51 系列单片机发展日益成熟,越来越多的配套硬件和软件如雨后春笋般油然而生,并日趋完善。因而,我们可以很容易的利用现有的资源就开发出可以满足不同需求的各类应用系统。单片机最小系统14或者说是单片机最小应用系统,指的是采用最少的元器件就可以组成的一个可以正常工作的单片机系统。一般来说,单片机最小应用系统由单片机、晶振电路、复位电路构成。其不仅方便控制、构成简单、灵活性强,更重要的是很大程度上提高了被测对象的精度和范围,进而提高了产品的质量和数量。根据上述介绍,我们决定采用 51 系列中的 AT89S52 单片机。本科毕业设计(论文) 第 7 页共 47 页3.2.1 AT89S52AT89S52 其内部部件有:(1)8 位 CPU;(2)8K 可编程 flash 存储器;(3)可编程 I/O 线共 32 个;(4)16 位定时/计数器共 3 个;(5)中断源共 8 个;(6)全双工串行通道;另,其引脚图如下图 3-2 所示。图 3- 2 AT89S52 引脚图引脚功能如下(1)主电源引脚(GND 和 VCC)GND:接地端。V CC:接 +5V 电源。(2)外界晶振引脚(XTAL1 和 XTAL2)XTAL1:既可以是内部振荡器的输入端又可以是外部振荡信号的驱动端。XTAL2:反向振荡器的输出端。(3)控制引脚 本科毕业设计(论文) 第 8 页共 47 页 RST/VPD:RST 为复位信号端口,VPD 为备用电源端口。当它的引脚电平为高电平状态并且这个状态能够一直保持在两个机器周期内不发生变化,此时就会使单片机复位。当单片机出现意外情况掉电时,为了保证 RAM 中的信息不被丢失破坏,此时就需要此引脚(VPD)接通备用电源来为单片机供电。ALE/PROG:ALE 为允许地址锁存信号,PROG 为编程脉冲输入端口。ALE 在正常工作情况下,会将低地址锁存在单片机访外部存储器。另外,在不对外部存储器访问期间,它会以固定的频率输出脉冲,因此,凭借这个特性,它也可以作为定时器使用。在 flash 编程期间 PROG 可作为输入编程脉冲。EA/VPP:EA 的高低电平的状态会决定访问内部还是外部程序存储器/编程电压输入端。EA 为低电平时表示访问外部程序存储器。(4)多功能 I/O 端口16 P0 口:它具有两种功能,第一种是作为双向输入 /输出口,第二种是可以用作地址线/数据线。在本设计中用的是输入/输出口,连接 LCD,但是,在连接 LCD 之前需要接上上拉电阻,否则会呈现高阻态,变成悬空状态。 P1 口:它也具有两种功能,第一种是是用来作为输入 /输出口,在本系统中,就是用此功能来连接 ADC0832 模数转换器。第二种是在编程时,用作低 8 位地址总线。 P2 口:它也是具有两种功能。第一种同 P0 口、P1 口一样,是作为双向输入/输出口。而另一种是作为系统的地址总线,输出高 8 位地址。 P3 口:同样具有两个功能。第一是一个 8 位输入 /输出口,第二个则是具有第二功能。第二功能如下表 3-1 所示。表 3- 1 P3 口的第二功能端口引脚 第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)INT0(外中断 0)INT1(外中断 1)T0(定时/计数器 0)T1(定时/计数器 1)WR(外部数据存储器写选通)RD(外部数据存储器读选通)3.2.2 单片机最小系统介绍在前面章节中,我们已经解释过单片机最小系统,现在我们详细探讨一下单片机系统主要构成部分及功能。其最小系统组成部分电路图如下图所示。本科毕业设计(论文) 第 9 页共 47 页图 3- 3 最小应用系统电路图 3- 4 复位电路本科毕业设计(论文) 第 10 页共 47 页图 3- 5 晶振电路由图 3-4 可知,本设计的复位电路由三个器件组成,包括电容、电阻和按键。本设计中,当按下 K17 时电路就会复位,其原理如下:按下 K17 时,此时,电容被短路,那么 RST 复位信号就与电源连接,电路复位。当松开 K17 时,电路不会在产生复位信号。因为松开 K17 时,此时,电容就直接与电源相连接,电容处于充电状态,当其充电完成后,电容开路,此时,RST 就处于低电平状态,因此,不会产生复位信号。在单片机系统中,单片机执行的速度与晶振频率成正比。晶振中的两个电容可以起稳定的作用。3.3 测量电路3.3.1 传感器的介绍及选择由于某些特殊的原因与需求,我们需要从外界获取相应的信息,那么这时候就需要一样东西来借助我们获取它们,这个东西就是传感器。严格的来说,它主要的功能就是来检测信号并可以将其变换成我们可以容易控制的信号。在前面我们已经了解到,我们需要对温度、压力、流量三个信号进行检测变换。那么使用的传感器就必然不同,下面就进行详细的介绍。(1)温度传感器从前面我们也已经了解到,反应罐中的温度会比较高,因此在本课题中,我们选择 PT100 铂热电阻。基本原理是:利用 PT100 热电阻阻值的升高或下降来判定温度的升高或下降。之所以称其为 PT100,是因为当室温为 0OC 时,其阻值为 100 欧姆。它常用于在温度采集的范围可以在-200 oC+850oC,它是通过将温度转换成电阻以达到测温度目的。其优点有很多,例如:结构简单、使用方便、热惯性小、自动记录等。目前,PT100 接线方式主要有三种,分别为:两、三、四线制。两线制:两线制从名字我们就可以看出是有两根导线连接。那必然就是在 PT100左边一条导线、右边一条导线。虽然结构简单,但是连接导线就一定会出现导线电阻。本科毕业设计(论文) 第 11 页共 47 页三线制:从名字我们也可以看出来。就是用三条导线来连接。必然就是左右端分别一根、两根导线。在测温时,将电桥电路和三线制搭配使用,可以很好地消除导线电阻这一问题。四线制:通过在 PT100 热电阻温度传感器两边各接两条导线。PT100 在测温的时候,首先是将电阻信号转换为电压信号,之后将转换之后的电压信号传输给相应的机构中去。两组导线分别完成了相对应的功能。四线制接法可以很好的实现消除导线电阻,因此,四线制的接法主要应用于需要高精度测量的温度检测中。综上所述,考虑到性价比与精确度的问题,在本课题中,我们决定采用三线制。其测量原理如下图 图 3- 6 所示。其中,除了 RT 之外,剩下的三个电阻都是测量时的导线电阻。图 3- 6 三线制测量原理图在前面介绍的三线制中,我们提到了其经常与电桥电路搭配使用,那么除了电桥电路之外,我们还有一种电路用来搭配测温,称为恒流源式测温电路。测温电路如下图所示。图 3- 7 三线制连接的桥式测温电路本科毕业设计(论文) 第 12 页共 47 页图 3- 8 两线制连接的桥式测温电路图 3- 9 恒流源式测温电路由图 3-7、3-8 我们可以看见,电路通过 R1、R2、VR1、PT100 四个电阻来构成电桥。其中 R1=R2,当 VR1 与 PT100 不想等的时候,此时,就会产生一个电压差,由于电压差会比较微弱,所以我们需要将该信号通过 LM324 放大器放大之后才可以输出,在本次设计中,我们采用的就是图 3-7 测温电路。由图 3-9 我们可以看见,主要是将 PT100 上产生的压降经过放大器放大之后直接与模数转换器相连接。(2)压力传感器MPX4115 压力传感器MPX4115 压力传感器常用于在压力采集范围在 15kp115kp 之间,电压输出在0.27V-4.76V。它是一个结合先进的微电子技术,并且能够精确的输出信号的一个硅压力传感器。其管脚说明如下表 3-2 所示,引脚图如下图 3-10 所示。本科毕业设计(论文) 第 13 页共 47 页表 3- 2 MPX4115 压力传感器的管脚说明1 2 3 4 5 6VOUT GND VS N/S N/S N/S图 3- 10 MPX4115 压力传感器引脚图MPX4115 压力传感器通过采集大气压值来测量压力,其原理图如 图 3- 11 所示。其中,1 脚为输出端,其输出的是经过将大气压值进行相应转换之后的电压。本科毕业设计(论文) 第 14 页共 47 页图 3- 11 MPX4115 压力传感器原理图(3)流量传感器涡轮流量计涡轮流量计的原理是利用被测物体对叶片冲击之后,叶片会随之转动,然后根据叶片转动的速度与流量呈正比的关系,进而可以间接测得流量的值。因此,我们主要任务就是获得转速,之后通过磁电装置将转速转换为相应的电信号,但由于此时电信号可能会比较微弱 ,所以,中间还需要加入放大的步骤,经过放大器放大之后传送给相应的仪表中去。最后我们可以根据相应的脉冲数来获得相应的流量值。其结构图如下图 3-12 所示。本科毕业设计(论文) 第 15 页共 47 页图 3- 12 涡轮流量传感器我们从前面介绍的原理很容易得到下面表达式:kQ = f其中17 ,k 为仪表系数,单位为次/升,代表每立方米或者每升流量中会产生的脉冲的个数;Q 为每秒钟的流量,单位为 L/S;f 为电脉冲频率,单位为 Hz。当被测流体经过涡轮流量计的时候,因为流体不断的运动,所以一定会或多或少的对叶片产生推力,叶片因为推力而旋转,因为其旋转的时候会切割流量计中电磁铁产生的磁感线。因此,就会有脉冲信号产生。当流体流量大的时候,叶片旋转的速度也会较快,那么其产生的脉冲信号也就会越快。反之,脉冲信号产生的速度就会越慢。霍尔效应霍尔效应:若在磁场中有一导体或半导体垂直放立,那么在这导体或者半导体的两端必然存在电位差。该18 电位差就称为霍尔电势 U,表达式为:U=(KIB)/d其中18 ,K 为霍尔系数,I 为经过该导体或半导体的电流,B 为外加磁场的磁感应强度,d 是该导体或者半导体的厚度。其基本电路如下图 3-13 所示。本科毕业设计(论文) 第 16 页共 47 页图 3- 13 霍尔元件基本电路实体电路根据我们之前介绍的霍尔效应的原理,设计了如下图 3-14 所示的电路。其主要包括转盘、磁钢、磁体以及霍尔器件。磁钢的作用是用来产生磁场,霍尔器件作用就是感受磁体是否经过,若经过就产生一个脉冲。主要原理就是:首先,电路通电,磁体随着转盘转动,霍尔器件感受磁体存在就产生一个脉冲。我们再固定一个叶片在转轴上,当有流体流经时,叶片就会随之转动,此时就构成了一个流量传感器。流量表达式如下:累计流量: Q=KM=KD其中,Q 为累计流量,单位为升(L) ;K 为仪表系数,单位为升/转(L/r) ;M 为转数,单位为转(r) ;D 为脉冲数。瞬时流量: q=Km=Kf其中,q 为瞬时流量,单位为升/秒(L/s) ;m 为转体角速度,单位为转/ 秒(r/s) ;f 为脉冲频率,单位为赫兹(Hz) 。本科毕业设计(论文) 第 17 页共 47 页图 3-14 旋转传感器磁体设置我们前文也已经介绍过,当我们所需要的信号比较微弱的时候,最好的办法就是将其放大之后在传输出去。在这里我们用霍尔元件检测流量的时候,其输出的信号比较小,那么,显然,第一步我们就需要先将它放大。那么这里我们就需要一个放大电路。我们从以前学过的知识可以知道差动放大电路,可以抑制零点漂移。所以,本设计中,我们选用了差动放大电路。放大电路只需选择三个运算放大器和几个电阻,电路图如下图 3-13 所示。其中,R1=R2,R3=R4 ,R5=R6,差模电压增益为:考虑到输入电压可能为正也可能为负,因此,我们电路的供电电源就必须有正有负以此来满足需求。图 3- 15 放大器原理图3.3.2 A/D 转换器的认识及选择在第二章节中,我们已经介绍过可以用 A/D 转换器来检测温度、压力、流量变化信号。在本次设计中,我们选用了 ADC0832 模数转换器。ADC0832,这个模数转换器它是一个 8 位的串行口,它可以较低的能耗运行,却以较高的速度进行模数转换。其管脚图如下图 3-16 所示。本科毕业设计(论文) 第 18 页共 47 页图 3- 16 ADC0832 管脚图ADC0832 管脚功能如下表 3-3 所示:表 3- 3 ADC0832 管脚功能引脚名称 引脚功能CSCH0CH1GNDD1D0CLOCKVCC/VREF片选信号,低电平有效。模拟信号输入端 0,或作为 IN+或 IN-使用。模拟信号输入端 1,或作为 IN+或 IN-使用。GND 接地。数字信号输入端 1,选择通道控制。数字信号输入端 0,转换通道输出。为时钟输入端。电源输入端 /参考电源端。ADC0832 的工作原理:片选、时钟输入、两个数字信号输入是模数转换器与单片机接口的 4 条数据线。然而,因为在与单片机的通信期间,两个数字信号输入端并不是同一时间使用。因此,当输入/输出口紧缺的时候,可以将 D0、D1 两个数字信号输入端当做数据线使用。当CS 片选信号为高电平时,说明其并未开始转换工作。也就是说,如若开始进行模数转换,那么,此时 CS 必定为低电平状态,并且这种低电平状态需要一直保持直到转换工作结束。ADC0832 与 AT89S52 接口电路如下图 3-17 所示。本科毕业设计(论文) 第 19 页共 47 页图 3- 17 ADC0832 与 AT89S52 接口电路3.4 外围电路3.4.1 报警电路当单片机系统处于正常工作状态时,工作人员可以通过指示灯或者显示屏的提示来操作。但倘若在紧急的情况下,就需要工作人员立即发现并作出相应的反应,为此,我们就需要在这种情况下给出一种特殊的信号。报警可以有多种方式。有的是从视觉上提醒工作人员,此类的报警方式有闪光报警。那么不仅除了视觉上可以提醒工作人员有意外情况发生,我们还可以从听觉上提醒工作人员,此类的报警方式又包括鸣音报警和语音报警。那么它们两者的区别在于:语音报警可以直接提醒工作人员有紧急情况,还可以帮助、指导工作人员。然而,鸣音报警只能提醒工作人员有意外情况发生,去不能作出相应的指导。为了能够及时的提醒工作人员有紧急情况发生以及考虑到经济性和实用性,在本次设计中,我们决定采用鸣音报警。那么既然决定采用鸣音报警,我们就势必要考虑到发音器件的选择。在本次设计中,我们决定压电式蜂鸣器来作为报警电路中的发声器件。采用压电式蜂鸣器,那么这里又存在一个问题,就是它需要约 10MA 的电流才可以启动,那么,针对这个问题,我们决定采用晶体三极管与其相连。电路如下图 3-18 所示,通过 8031 的 P1.0 口与驱动器的输入端相连接,之后,P1.0 与晶体三极管的基极相连接。当 P1.0 为高电平时,此时, NPN 由于基极加上了正极电压,因此 NPN本科毕业设计(论文) 第 20 页共 47 页将被导通,发音器得电发音报警;反之,失电停止发音报警。图 3- 18 报警电路3.4.2 显示电路液晶显示器(LCD)在本设计中用来与单片机连接,进而显示压力、温度、流量。液晶显示器分类的方式有很多比如按照显示方式、显示色彩等。按照显示色彩来分类,它又可以分为灰度和彩色两种。按本课题选择 LCD1602 类型,如下图 3-19 所示。图 3- 19 液晶显示器(1)LCD1602 其引脚功能如下表表 3- 4 所示。本科毕业设计(论文) 第 21 页共 47 页表 3- 4 引脚功能表编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明12345678VSSVDDVLRSR/WED0D1电源地电源正极液晶显示偏压数据/命令选择读 /写选择使能信号数据数据910111213141516D2D3D4D5D6D7BLABLK数据数据数据数据数据数据背光源正极背光源负极(2)LCD1602 内部控制器指令如下表 表 3- 5 所示。表 3- 5 LCD1602 控制指令序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D000000100001DL0001S/CN001DR/LF01I/DC*1*RSB*0000001 字符发生存储器地址显示数据存储器地址00000001BF 计数器地址1234567891011清显示光标返回置输入模式显示开关控制光标或字符移位置功能置字符发生存储器地址置数据存储器地址读忙标志或地址写数到CGRAM 或DDRAM从 CGRAM或 DDRAM 读数0000000001100000000101要写的数据内容读出的数据内容本科毕业设计(论文) 第 22 页共 47 页(3)液晶显示器与单片机连接电路如图 3-20 所示。图 3- 20 LCD 与 AT89S52 接口电路3.4.3 键盘接口键盘我们选择非编码,它是将键盘按照矩阵的形式进行排列。下面我们来详细的介绍非编码键盘的两种形式。(1)线选键盘的工作原理与接口线选键盘接口电路如下图图 3- 21 所示。由该电路可以看出,按键一端接 CPU 和一个上拉电阻,一端接地。若每个输入都为高电平,则表示没有任何按键被按下;按照这个理解方式,我们也可以说当有低电平时,那么就表示有相对应的按键被按下。CPU 通过查询输入口的高低电平就可以得出是否有按键及哪一个按键闭合。在本课题中,我们选择线选键盘。本科毕业设计(论文) 第 23 页共 47 页图 3- 21 线选键盘的接口电路(2)矩阵键盘的工作原理与接口矩阵键盘,顾名思义,即为矩阵结构。如若有一个 6 X 5 的键盘,若选用线选键盘结构,那么此时将需要 30 条输入/输出口线;但若采用矩阵键盘结构,那么此时仅需要11 条输入/输出口线。一旦有按键按下,CPU 就需要通过程序来识别并进行相应的处理。本科毕业设计(论文) 第 24 页共 47 页4 系统的软件设计4.1 系统主程序的设计系统软件主要采用 C 语言编写来实现各项功能。首先19 ,初始化各模块,后调用读温度、压力、流量;之后处理温度、压力、流量;然后显示、键盘等模块。主程序的主要功能是保证温度、流量、压力可以实时显示,并可以根据相应的情况及要求来处理当前值。总体结构图如下图 图 4- 1 所示。图 4- 1 主程序流程图主程序主要完成以下任务20 :(1)初始化:设置各模块的初始参数。(2)温度、压力、流量检测:实现对三者的检测与转换。(3)按键检测:判断是否有按键按下。(4)控制程序:根据之前的温度、压力、流量的比较来执行相应的措施。4.2 各模块子程序的设计1.显示子程序如下图 图 4- 2 所示。本科毕业设计(论文) 第 25 页共 47 页图 4- 2 显示程序流程图2.控制子程序如下图 图 4- 3 所示。图 4- 3 控制子程序流程图本科毕业设计(论文) 第 26 页共 47 页3.键盘扫描处理子程序完成对温度、压力、流量的上下限的设定子程序如下图图4- 4 所示。图 4- 4 键盘扫描子程序4.报警子程序如下所示。本科毕业设计(论文) 第 27 页共 47 页图 4- 5 报警子程序本科毕业设计(论文) 第 28 页共 47 页结 论本课题能够实现对反应罐中的温度、压力、流量进行检测并控制。在控制过程中,主要使用了 AT89S52 单片机,PT100 热电阻温度传感器,MPX4115 压力传感器,涡轮流量传感器,ADC0832 数模转换器以及 LCD 显示器。通过各个传感器来检测反应罐中相应的需要检测的值,之后再通过 ADC0832 模数转换器将检测到的信号进行转换之后传送给单片机,并通过 LCD 液晶显示实时温度、压力、流量。当其温度、压力、流量三者中的任何一个不在我们预先设定的范围之内的时候,系统将自动启动报警电路以通知现场的工作人员采取相应的措施。本设计以 AT89S52 为核心,利用软硬件相结合来实现对反应罐的的监控。如今,单片机已经广泛地应用于人们的生活中,传统电路来控制反应罐已经被逐步取代。这个系统的实现为反应罐的监控开辟了一条新的道路。根据我国现如今的科技水平和工业现状可以说,本设计是符合工业生产需要的。这次的课题设计基本完成了任务书的要求,实现了对反应罐的监控。本科毕业设计(论文) 第 29 页共 47 页致 谢在本设计完成之际,本人要在这里感谢我这一路走来遇见的每一个人!首先,我要感谢论文导师李教授,在我最初的拿到课题时不知所措,就连开题报告都不知道如何下笔的时候,是老师通过 qq 和电话一点一点的指导我,引导我。之后,在设计过程中,老师一直不断地督促我、监督我、时刻的提醒我论文所需要完成的进度。其次,我要感谢这一路走来遇见的所有人,一路走来遇见的所有困难。正是因为这些,我才能成长,不惧风雨。我希望有一天我可以越挫越勇!最后,很想说一句,遇见你们,我很幸运!本科毕业设计(论文) 第 30 页共 47 页参 考 文 献1 刘学君,反应釜温度控制系统的研究D.河北:燕山大学,2004.2 鞠丽叶 ,适应预测控制在炉温控制的应用 J.青岛科技大学学报,2008,25(1):83-87.3 杨君民,反应釜温度控制的研究现状及化工自动化发展现状 J.广东化工,2010,37(5):288-290.4 诸静,模糊控制原理与应用M:第 2 版.北京:机械工业出版社,2005.5 葛新成,胡永霞.模糊控制的现状与发展概述 J.现代防御技术,2008,36(3):51-55.6 RE Precup, H Hellendoom. A survey on industrial applications of fuzzy control. Computers in IndustryJ. 2011, 62(3): 213-226.7 谢新民主编.自适应控制系统M:第 1 版.北京:清华大学出版社, 2002.8 刘幸,刘潇.自适应控制系统的发展与应用J.物联网技术,2011,1(7):61-63.9 DJ Li. Adaptive neural network control for a class of continuous stirred tank reactor systems. Science China (Information Sc- 配套讲稿:
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