工業(yè)生產(chǎn)中過程控制是流量測量與儀表應用的一大領域，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)對生產(chǎn)過程進行監(jiān)視與控制。對流體流量進行正確測量和調(diào)節(jié)是保證生產(chǎn)過程安全經(jīng)濟運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低物質(zhì)消耗、提高經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學管理的基礎。流量的檢測和控制在化工、能源電力、冶金、石油等領域應用廣泛。

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，AD轉(zhuǎn)換器將模擬電信號轉(zhuǎn)化為離散信號，傳給單片機。單片機軟件系統(tǒng)根據(jù)事先的設定值對采集的信息進行處理，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、電動閥門和MCS-51單片機控制系統(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)的任務是對通過某一管道截面的物料數(shù)量即降粘劑流量進行控制。本系統(tǒng)采用單片機控制，通過流量計采集流量信息，傳給單片機。單片機通過預先設定值和系統(tǒng)軟件進行分析，發(fā)出相應的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)閥動作，從而確定降粘劑的配比與耗量，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

其中，電磁流量計作為流量傳感器，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)化為單片機能接受的離散的數(shù)字量。單片機收到流量信號后，在控制系統(tǒng)軟件的作用下，發(fā)出相應的執(zhí)行命令給執(zhí)行機構(gòu)——步進電機。步進電機帶動閥門動作，對流體流量進行控制。軟件設計

軟件設計思路

該控制系統(tǒng)的軟件設計可以分為三部分：

1.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。

2.流量控制程序：通過PID控制算法，編寫出相應的流量控制子程序，實現(xiàn)對流量的控制，達到預期的控制要求；

3.各子程序：各個子程序完成具體的實現(xiàn)方法，主要包括：設定值輸入、數(shù)碼管顯示、步進電機控制、AD轉(zhuǎn)換中斷、T0定時器中斷、采樣中斷等。 軟件流程圖如下

主程序設計

主程序部分，主要完成存儲器分配、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，實現(xiàn)軟件的總體設計功能。

初始化：系統(tǒng)初始化程序的功能是對8155和89C51進行初始化，使D/A輸出為0，步進電機處于停機狀態(tài)，將RAM中的標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。當系統(tǒng)處于停機狀態(tài)時，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，在運行狀態(tài)時，73H～77H作為瞬時流量緩沖器，78H～7FH作為累計流量緩沖器。 初始化程序的流程如圖所示：

流量控制子程序

在流量測試的基礎上，把流量設定值和實際測試得到的瞬時流量進行比較計算出誤差，采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法，計算輸出到AD0809的變量Uio增量式PID控制算法的計算公式為

式中：ei為本次實際測得的流量和設定值之差；

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

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

中斷服務子程序

設定值輸入程序

本程序?qū)?位BCD碼按千、百、十、個依次存放在89C51片內(nèi)RAM的30H～33H單元中，每個地址單元的高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；送入存儲單元

INC R0；指向下個存儲單元

MOV A，R2；準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 ；保護現(xiàn)場

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

MOV C， ACC.0 ；

MOV 30H， C MOV C， ACC.7

MOV 37H，C AJMP D14

D51： MOV C，ACC.0 ；萬位和標志位→荷重信號緩沖器

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

ANL A， #0FH ；千位→零信號緩沖器

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

MOV R1， #25H ；百位→零信號緩沖器

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

ANL A， #0FH ；十位→零信號緩沖器

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

ANL A，#0FH ；個位→零信號緩沖器

MOV R，#24H

XCHD A，@R1 CLR 02H

MOV DPTR，#0DFF3H ；啟動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)束標志

D14： POP PSW ；恢復現(xiàn)場

POP DPL

POP DPH

POP ACC

RETI

定時器中斷子程序

定時器T0中斷程序流程圖如下圖所示。

程序代碼如下

PIT0： PUSH PSW ；保護現(xiàn)場

PUSH ACC

PUSH DPH

PUSH DPL

JNB 00H， T01 ；允許采樣否？

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

DJNZ 11H，T02

MOV 10H，#0A0H ；恢復采樣周期計數(shù)器初值

MOV 11H， #0FH

SETB 0FH

CLR 0DH

CLR P3.4

MOV DPTR， #0DFF3H ； 對零點采樣

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)試用脈沖周期計數(shù)器減1

CPL P1.4 ；使P1.4產(chǎn)生方波

MOV 16H，17H

T06： POP DPL ；恢復現(xiàn)場

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

在單片機內(nèi)部RAM的20H和21H單元中有四位十六進制數(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

步進電機控制程序

程序代碼如下： ORG 2100H

PUSH ACC ；保護現(xiàn)場

MOV R4，#N ；步進馬達步進數(shù)送R4

CLR C ；Cy清零

ORL C，PSW.5 ；轉(zhuǎn)向標志狀態(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（形成脈寬） INC R

0 ；準備下個模型指針 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 ；若步進數(shù)未走完，則N

EXT

POP AC

C ；恢復現(xiàn)場

RE

T ：返回

TPL：MOV A，R0 CLR C

SUBB A，#06H MOV R0，A ；恢復模型始址

AJMP LOOP ；判斷步進馬達步數(shù)走完？

DELAY：MOV R2，#M1 ；延時

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來控制電機的通電時間（即形成控制脈沖）以達到正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動和停止的。這種控制的缺點是CPU因執(zhí)行延時程序而降低了效率。為了提高CPU的使用效率，常常也可采用單片機內(nèi)部定時/計數(shù)器編制上述程序。