氨冷器被冷却介质出口温度液位超驰控制系统的智能化设计.docx
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氨冷器被冷却介质出口温度液位超驰控制系统的智能化设计
氨冷器被冷却介质出口温度-液位超驰控制系统的智能化设计
摘要
氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。
为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统，即温度-液位超驰控制系统。
该控制系统中需要用到温度及液位调节器，传统的调节器采用DDZ-Ⅲ型电动组合仪表，而随着单片机在控制领域广泛应用,利用计算机软件实现控制算法,具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。
因此，本论文主要设计智能化的温度-液位超驰控制系统，该系统以AT89C51单片机为主控单元，采用温度传感器DS18B20进行温度采集，使用液位变送器采集液位信号，使用ADC0809作为A/D转化器，具有温度和液位的自动调节功能，采用LCD12864液晶模块进行数字显示。
同时，本文还详细的给出了部分相关的硬件电路图和软件流程图，并编制了汇编程序。
关键词：
超驰控制系统，89C51单片机，DS18B20，A/D转化器，LCD显示
THEINTELLIGENTDESIGNOFAMMONIACOOLEROVERRIDECONTROLSYSTEMBYTHECOOLINGMEDIUMOUTLETTEMPERATURE-FLUIDPOSITION
ABSTRACT
Ammonialmainroleistomakerenewableliquidammoniacopperacetateforrecycling.Inordertoachievetheproductioncontrolsystemrequirements,superpositionasolutiononthebasisofsimpletemperaturecontrolsystemforsuperrelaxationsystem,thatis,temperature-leveloverridecontrolsystem.TheneedtocontrolsystemoftemperatureandLiquidLevelregulatorregulatorDDZ-Ⅲtypeelectriccombinationoftraditionalinstruments,butwiththewideapplicationofSingleChipComputerincontrolfield,usingcomputersoftwarerealizationofcontrolalgorithmwithgreaterflexibility,reliability,andbettercontrol.therefore,ThispapermainlytheDesignofIntelligentTemperature-leveloverridecontrolsystem,thesystemofAT89C51Single-ChipMicrocomputerformaincontrolunit,TemperatureSensorDS18B20temperaturecollection,usingliquidliquidlevelsensorcollectingsignalusingADC0809astheADconverter,withtemperatureandliquidlevelautomaticadjustmentfunctions,useLCD12864LCDdigitaldisplay.meanwhile,Italsogivessomeofthemorerelevantsoftwareandhardwarecircuitdiagramaflowchart,andcompilingtheassembler.
KEYWORDS:
overridecontrolsystem,c51monolithic,ds18b20,adconverters,lcddisplay
1绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1氨冷器温度-液位超驰控制系统概述
在合成氨生产过程中，采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳，吸收是一个放热反应，吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸铜氨液温度高达80℃以上，为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。
其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却到8～10℃，其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸铜氨液的热量，使铜氨液的温度下降这一原理进行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的时间，氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大，因此，当液氨高度超过最大的汽化面积高度后，液位越高汽化面积越小，调节过程会出现反常现象，这是氨冷器调节的一个重要特点。
为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统的基础上叠加上一个液位超驰调节系统。
如图1-1所示。
图1-1氨冷器温度-液位超驰控制系统
正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。
增加液氨量，经液氨的蒸发，使出口温度下降。
如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度，由液位控制器取代温度控制器，根据液位控制进氨量，保护了后续设备，一旦温度下降，温度控制器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就自动取代液位控制器，工艺操作恢复到正常工况。
在该控制系统中，调节器既可安装在液氨管线上，也可安装在氨气管线上，调节阀安装在氨气管线上对象迟后较小，反应比较灵敏，但缺点是需要用一个较大管径耐高压的气体阀门，这种阀门成本比较高，而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多，所以调节阀一般是安装在液氨管线上。
无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。
对于处于开环的调节器，其偏差长时间存在，如果有积分控制作用，其输出将进入深度饱和状态。
一旦选择器选中这个调节器工作，调节器因处于饱和状态而失去控制能力，只能等到退出饱和以后才能正常工作。
所以在超驰控制系统中，对有积分作用的调节器必须采取抗积分饱和措施。
而对于计算机在线运行的控制系统，只要利用计算机的逻辑判断功能进行适时切换即可。
1.1.2智能化设计背景及优点
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统采用的传感器是温度传感器。
传统的PID调节器多为模拟调节器,这种调节器多用电动或气动单元组合仪表来完成,随着微机的不断发展和应用,特别是单片机在控制领域广泛应用,利用计算机软件实现控制算法,具有更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果。
因此,以单片微机为中心、采用数字算法的数字调节器正不断代替模拟调节器。
自从80年代初期数字调节器推出以来,随着微处理机技术的发展,数字调节器不断向智能化、微型化调节器发展，调节器的功能也不断进步,由于数字设定、运算功能的增强,不仅使调节器的功能大幅度提高,而且由PID自整定、多种信号制输入、自由电源、EEPROM等新技术的使用,使用户操作变得简单化,并且减少了库存,方便了备品备件的管理。
PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器（intelligentregulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
通过本次毕业设计对掌握电路设计和89C51程序设计的思路与方法，掌握氨冷器控制系统的意义与运用，结合单片机与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少控制，生产安全成为本系统研究的主要目的和意义。
1.2设计优点和要实现的功能
1.优点
1）引入超驰系统防止液氨液位超过最大汽化面积高度
。
本系统的控制目标是维持温度在给定值附近（8～10℃），液位仅作为系统的一个参考信号，在正常工况下，液位调节系统对液氨调节阀不起作用，只是在当液位超过时才切断温度调节系统，有液位调节器取代温度调节器对液氨调节阀进行控制，不使
超过
当
信号低于
时，又重新由温度调节器对液氨调节法进行控制。
保证自动调节系统使用安全。
2）智能调节器
包含四个独立程序，即温度控制程序、液位控制程序、低选程序、报警输出功能。
温度控制程序用来对温度进行控制；液位控制程序用来控制液位；低选程序即在单片机中设定门限值程序，根据数字温度和液位调节器的输出，来进行适时切换。
报警输出功能即当温度和液位超过限定值时进行报警。
总的来说，氨冷器控制系统的智能化设计，可以在线实现PID参数和程序的修改，使控制系统的响应速度加快，超调量减少，过渡过程时间缩短，振荡次数减少等优点。
2.要实现的功能
（1）完成基于PID的超驰调节系统的设计；
（2）实现温度环和液位环的自动控制及切换；
（3）具有温度液位显示功能；
（4）具有键盘设定PID控制参数功能；
（5）当超过报警范围时能通过声光报警。
1.3主要研究内容
本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能化设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核心控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。
在本次毕业设计过程中，主要涉及到如下工作：
（1）研究与分析PID控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。
（2）选择以单片机为核心的中央处理器。
在设计的过程中，熟悉AT89C51单片机汇编语言的设计流程和开发环境。
同时对各功能模块进行软硬件的设计与实现。
（3）在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写，以及电路仿真和调试，最终实现显示、自动调节的功能。
2系统总体设计方案
2.1系统工作原理
在温控部分，用89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20采集温度信号，ADC0809将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并进行PID处理，然后经DAC0832输出模拟信号驱动电气转换器QZD-1000，继而控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对温度的控制。
在液位控制部分，当液位低于最大汽化面积高度
时，液位变送器的输出信号经A/D转换后送入单片机，单片机仅控制显示器显示此时的液位；当液位超过最大汽化面积高度
时，单片机中的门限值判断程序会做出相应动作，此时切断温度调节程序，由液位调节程序取代，控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对液位的控制，不使
超过
，当
信号低于
时，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。
在温度和液位超出限定值时，会进行声光报警。
2.2总体设计方案
超驰控制系统的智能化设计的目的是实现温度液位的自动调节，维持温度在给定值附近，系统安全运行。
本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块、温度液位采集模块、执行模块、报警模块等。
2.2.1温度采集方案的选择
方案一：
采用传统的热电阻传感器测量温度值，再将信号送入温度变送器，输出标准电信号，经ADC0809转化为数字信号送入单片机。
成本简单，但结构较复杂，涉及多个元器件。
方案二：
采用集成温度传感器DS18B20，DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，不需经过ADC转换再送入单片机中
综合各项因素，选择方案二。
2.2.2显示电路方案的选择
方案一：
显示电路采用4位共阳LED数码管，从P3口RXD,TXD串口输出段码。
显示电路是使用的串口显示，最大的优点就是使用口资源比较少，该显示电路只使用单片机的3个端口P1.7，P3.0,P3.1。
并配以4片串入并出移位寄存器74LS164（LED驱动）四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。
但结构为复杂。
方案二：
采用LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。
LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。
LCD12864，即像素为128*64的显示液晶。
其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。
综合考虑，选用方案二。
2.2.3声光报警电路方案的选择
方案一：
采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。
它是高电平报警，一旦监测到温度、液位值达到报警限时，就发出报警。
该电路简单、可靠。
方案二：
采用语音芯片，在超过上下限时能够通过语音进行报警，其人机交互友好，但控制复杂，成本较高。
综合考虑，选用方案一。
2.2.4系统总体设计
本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样，同时液位采集模块也对氨冷器中液氨高度进行采样，将采集到的信号送到89C51单片机进行处理，当在正常工况时，采用温度调节程序，最后单片机将处理过的数字信号通过D/A转换为模拟信号输出，驱动电气转换器，将电流信号转化为标准气压信号，推动执行机构，控制液氨的进入量，从而实现温度的调节；在液位超过最大汽化面积高度时，单片机自动转向液位调节程序，使液位高度恢复正常值，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。
另外，本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能。
总体方案如图2-1。
图2-1总体设计方案框图
3系统的硬件电路设计
3.1核心控制模块的设计
3.1.1AT89C51单片机简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
其管脚图如图3-1所示。
图3-1AT89C51管脚图
1.主要性能参数
◆与MCS-51产品指令系统完全兼容
◆4k字节可重擦写Flash闪速存储器
◆1000次擦写周期
◆全静态操作：
0Hz－24MHz
◆三级加密程序存储器
◆128×8字节内部RAM
◆32个可编程I／O口线
◆2个16位定时／计数器
◆6个中断源
◆可编程串行UART通道
◆低功耗空闲和掉电模式
2.功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.引脚功能说明
（1）VCC为电源电压，GND为地。
（2）P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／O口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在FIash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
（3）P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。
（4）P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能。
如表3-1所示：
表3-1第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时∕计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时∕计数器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
（5）RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
（6）ALE／PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（
）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
（7）PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次
有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的
信号不出现。
（8）EA／VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。
（9）XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
（10）XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.1.2AT89C51单片机最小系统
89C51单片机有4KEPROM,所以不需外扩EPROM，所以我们将AT89C51芯片的第31脚（
/VPP）固定接高电平。
单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。
复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。
二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。
如图3-2所示。
图3-2AT89C51最小系统电路图
3.2温度采集模块的设计
3.2.1温度传感器DS18B20
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
T0－92封装的DS18B20的引脚排列见图3-3。
图3-3DS18B20（底视图）
其引脚功能描述见表3-2。
表3-2引脚功能
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
DS18B20的性能特点如下：
◆独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
◆多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；
◆无须外部器件；
◆可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；
◆零待机功耗
◆温度以9或12位数字显示；
◆用户可定义报警设置，报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；
◆负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；
◆检测温度范围为–55℃～+125℃（–67℉～+257℉）；
◆多样封装形式，适应不同硬件系统。
DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-4所示。
图3-4内部结构框图
64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3-5所示。
头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如图3-5所示。
低5位一直为１，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
温度LSB
温度MSB
TH用户字节1
TL用户字节2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
图3-5DS18B20字节定义
由表3-3知DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
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