液体流量测试平台的嵌入式控制系统设计
液体流量测试平台的嵌入式控制系统设计[20191213105229]
中国 常州摘要
随着改革开放经济的快速发展，过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急速增长，对流量计的精度以及灵敏度的要求越来越高，流量测量已经成为当今社会的一个重要问题。
论文针对工业流量测量控制问题，为解决当今工业对流量测量的需求，研究了测量过程中流量的流速、如何控制等问题，提出了可以利用上位机进行实时监控，设计了基于单片机电路的硬件平台，基于KEIL的嵌入式软件平台。实现了对流量进行实时控制的功能。硬件平台由A/D采集模块、PID模块、D/A转换模块、液晶显示模块、通信模块等组成。课题用流量计来检测流量信号，经过A/D转换后，将得到的数字信号传送给单片机，并进行PID调节，将调节后的数据发送给PC机还有流量调节模块，流量调节模块中的固态继电器根据收到的模拟信号，固态继电器通过得到的模拟电压控制电动机的转速，通过电动机转速来控制流量流速。经试验测试，课题达到了对流量的流速的控制，并且记录传输的目的，达到了开始时的预期效果。
本课题综合应用了嵌入式控制技术、传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术。设计了液体流量测试平台的嵌入式控制系统，实现了测量流量数据显示到LCD上，然后通过串口通信模块将数据传输到PC机上，达到了对流量进行控制的目标。课题对自动检测的其他项目具有极大地帮助作用，本课题对现代工业的发展尤其是对石油工业的发展具有巨大的推动作用。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:嵌入式技术、PID调节、A/D、D/A转换
目 录
摘要 III
Abstract IV
目 录 V
第一章 绪论 1
1.1 课题背景分析 1
1.2 课题研究目的及意义 1
1.3 课题内容 2
1.4 本章小结 2
第 二章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统总体设计 3
2.1 硬件总体结构设计 3
2.2 软件总体结构设计 3
2.3 本章小结 4
第三章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统详细设计实现 5
3.1 STC89C52单片机最小系统设计 5
3.1.1 STC89C52单片机原理研究分析 5
3.1.2 STC89C52最小系统实现 9
3.2 A/D、D/A转换的设计与实现 10
3.2.1 模拟信号与数字信号 10
3.2.2 PCF8591原理分析 10
3.2.3 I2C总线原理分析 11
3.2.4 A/D转换 12
3.2.5 D/A转换 15
3.2.6 A/D、D/A转换的设计及实现 16
3.3 LCD 显示设计及实现 17
3.3.1 LCD显示原理研究 17
3.3.2 LCD 显示设计及实现 18
3.4 调节流量模块设计及实现 22
3.4.1 固态继电器原理分析 22
3.4.2 调节流量模块设计及实现 22
3.5 上、下位机通信的设计及实现 23
3.5.1串口通信原理研究 23
3.5.2串口通信的实现 24
3.6 PID控制 27
3.6.1 PID算法研究 27
3.6.2 PID控制实现 29
3.7 本章小结 31
第四章 系统测试 32
4.1 软件测试 32
4.2 A/D、D/A模块及LCD显示模块测试 32
4.3 系统数据传输测试 34
4.4 本章小结 35
第五章 总结 36
参考文献 37
致谢 39
附录 40
附录一 程序代码 40
附录二 原理图 48
附录三 英文翻译 49
附录四 任务书 69
附录五 期中检查表 71
附录六 指导老师评语 72
附录七 评阅老师评语 73
附录八 答辩记录及评语 74
附录九 成绩评分表 75
第一章 绪论
1.1 课题背景分析
在现代工业生产过程中，流量是重要的参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据。因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以流量的测量是实现工业生产过的一项重要任务。
石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术[1]可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
因此本文就根据现在工业生产的具体要求，通过对相关知识的分析研究综合而设计的基于STC89C52单片机的控制系统?。本系统的研究对象就是液体如石油、水等的流量，通过对流量的测量，完成对流量的控制。流量与温度、压力和物位一起称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。
1.2 课题研究目的及意义
课题研究目的及意义：由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表[2]也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。
开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
1.3 课题内容
本课题的主要研究内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号转换为数字信号传送给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,将数据发送给上位机并在液晶屏上显示。然后经过DA转换将模拟量发送给固态继电器，通过固态继电器控制电动机的转速从而达到控制流量大小的目的。其中，硬件电路的搭接是本设计的重点，控制系统软件的设计是本课题的核心。硬件电路部分，采用STC89C52单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器[3]，AD转换器进行输入，通过固态继电器控制电动机转速来控制输出。系统软件设计部分，分别对上下位机通信，AD、DA转换控制，液晶显示等程序进行了设计，并且设计了主程序和流量控制PID程序。
1.4 本章小结
本章主要研究了课题的背景，意义及目的以及主要内容。从而设计了液体流量测试平台的控制系统，能够对液体流量实现控制，提高了工作效率，在一定程度上保证了操作人员的人身健康和生命安全不受威胁。
本课题主要完成的内容是一个“液体流量测试平台的嵌入式控制系统”的硬件及软件部分。主要由数据采集A/D输入模块、PID控制模块、串口通信模块、LCD显示模块、调速模块等部分组成。
第 二章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统总体设计
2.1 硬件总体结构设计
系统的总体设计思想是流量传感器采集到流量信息，通过AD转换，转化为数字信号传给单片机[4]。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。输出数字的控制信号通过DA转换[5]将数字量转化为模拟电量。通过模拟电量来控制固态继电器，通过固态继电器控制电动机的转速从而调节流量，实现流量的精确控制。
2.2 软件总体结构设计
在完成了系统硬件的搭接之后，剩下来的主要任务接是系统软件的设计。该控制系统的软件设计可以分为三部分[6]：一、主程序。该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调用各个子程序，完成主要的控制功能；二、流量控制程序。通过PID控制算法，编写出相应的流量控制子程序，实现对流量控制；三、各子程序。完成具体的实现方法。主要包括：设定值输入、LCD显示、流量调节、AD转换、上下位机通信等。我们能得到系统的框图如下：
图2.1 系统结构框图
2.3 本章小结
本章主要研究的是课题的总体结构设计，主要包括总体的设计思想，所需要的硬件以及硬件平台的搭建，以及软件设计的具体模块，软件设计思想。本文选择的是较为经济适用的STC89C52芯片，设计了一个基于STC89C52的控制系统，最后并给出了系统的框图。
第三章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统详细设计实现
前面章节已经陈述了液体流量测试平台嵌入式系统[7]所需的各个环节，对整个系统所需功能有了系统的认识。本章的目的即是根据该控制系统的各个环节做充分的设计并通过实例实现。
3.1 STC89C52单片机最小系统设计
3.1.1 STC89C52单片机原理研究分析
STC89C52RC单片机[8]是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。
工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
用户应用程序空间为8K字节。
片上集成512字节RAM。
通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口有上拉电阻，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
具有EEPROM功能。
具有看门狗功能。
共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。
外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
STC89C52RC单片机的工作模式：
掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
空闲模式：典型功耗2mA。
正常工作模式：典型功耗4mA～7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。
STC89C52引脚如图所示：
图3.1 STC89C52RC引脚图
STC89C52RC引脚功能说明：
VCC（40引脚）：电源电压。
VSS（20引脚）：接地。
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体参见下表：
在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
表1 P1.0和P1.1引脚复用功能
引脚号 功能特性
P1.0 T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出
中国 常州摘要
随着改革开放经济的快速发展，过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急速增长，对流量计的精度以及灵敏度的要求越来越高，流量测量已经成为当今社会的一个重要问题。
论文针对工业流量测量控制问题，为解决当今工业对流量测量的需求，研究了测量过程中流量的流速、如何控制等问题，提出了可以利用上位机进行实时监控，设计了基于单片机电路的硬件平台，基于KEIL的嵌入式软件平台。实现了对流量进行实时控制的功能。硬件平台由A/D采集模块、PID模块、D/A转换模块、液晶显示模块、通信模块等组成。课题用流量计来检测流量信号，经过A/D转换后，将得到的数字信号传送给单片机，并进行PID调节，将调节后的数据发送给PC机还有流量调节模块，流量调节模块中的固态继电器根据收到的模拟信号，固态继电器通过得到的模拟电压控制电动机的转速，通过电动机转速来控制流量流速。经试验测试，课题达到了对流量的流速的控制，并且记录传输的目的，达到了开始时的预期效果。
本课题综合应用了嵌入式控制技术、传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术。设计了液体流量测试平台的嵌入式控制系统，实现了测量流量数据显示到LCD上，然后通过串口通信模块将数据传输到PC机上，达到了对流量进行控制的目标。课题对自动检测的其他项目具有极大地帮助作用，本课题对现代工业的发展尤其是对石油工业的发展具有巨大的推动作用。
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关键字:嵌入式技术、PID调节、A/D、D/A转换
目 录
摘要 III
Abstract IV
目 录 V
第一章 绪论 1
1.1 课题背景分析 1
1.2 课题研究目的及意义 1
1.3 课题内容 2
1.4 本章小结 2
第 二章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统总体设计 3
2.1 硬件总体结构设计 3
2.2 软件总体结构设计 3
2.3 本章小结 4
第三章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统详细设计实现 5
3.1 STC89C52单片机最小系统设计 5
3.1.1 STC89C52单片机原理研究分析 5
3.1.2 STC89C52最小系统实现 9
3.2 A/D、D/A转换的设计与实现 10
3.2.1 模拟信号与数字信号 10
3.2.2 PCF8591原理分析 10
3.2.3 I2C总线原理分析 11
3.2.4 A/D转换 12
3.2.5 D/A转换 15
3.2.6 A/D、D/A转换的设计及实现 16
3.3 LCD 显示设计及实现 17
3.3.1 LCD显示原理研究 17
3.3.2 LCD 显示设计及实现 18
3.4 调节流量模块设计及实现 22
3.4.1 固态继电器原理分析 22
3.4.2 调节流量模块设计及实现 22
3.5 上、下位机通信的设计及实现 23
3.5.1串口通信原理研究 23
3.5.2串口通信的实现 24
3.6 PID控制 27
3.6.1 PID算法研究 27
3.6.2 PID控制实现 29
3.7 本章小结 31
第四章 系统测试 32
4.1 软件测试 32
4.2 A/D、D/A模块及LCD显示模块测试 32
4.3 系统数据传输测试 34
4.4 本章小结 35
第五章 总结 36
参考文献 37
致谢 39
附录 40
附录一 程序代码 40
附录二 原理图 48
附录三 英文翻译 49
附录四 任务书 69
附录五 期中检查表 71
附录六 指导老师评语 72
附录七 评阅老师评语 73
附录八 答辩记录及评语 74
附录九 成绩评分表 75
第一章 绪论
1.1 课题背景分析
在现代工业生产过程中，流量是重要的参数之一。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据。因为在大多数工业生产中，常用测量和控制流量来确定物料的配比与耗量，实现生产过程自动化和最优控制。同时为了进行经济核算，也必须知道如一个班组流过的介质总量。所以流量的测量是实现工业生产过的一项重要任务。
石油化工是我国国民经济的支柱产业之一，其所实现的利润约占全国国有及国有控股企业总利润的1/4左右。开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术[1]可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
因此本文就根据现在工业生产的具体要求，通过对相关知识的分析研究综合而设计的基于STC89C52单片机的控制系统?。本系统的研究对象就是液体如石油、水等的流量，通过对流量的测量，完成对流量的控制。流量与温度、压力和物位一起称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。流量是衡量设备的效率和经济性的重要指标；流量是生产操作和控制的依据，流量的测量与控制是实现工业生产过程自动化的一项重要任务。
1.2 课题研究目的及意义
课题研究目的及意义：由于石油是重要的能源，无论上从节约能源的角度，还是从经济性角度来看,对于流量的精确控制都是十分必要的，所产生的经济效益也是十分明显的。在自来水的监测与流量控制中，应用高精度的流量计量与控制仪表[2]也是必须的，所带来的经济效益是十分巨大且显而易见的。
开展石油化工过程流程模拟、先进控制与过程优化技术的研究与应用具有十分重要的现实意义，是当前国内外石油化工界广泛关注的一个话题。自动化技术可以提高计量准确度、数据可靠性和及时性，为优化生产运行、核算经济效益、强化生产调度和有效监控生产过程，进一步降低泵站工业噪声污染，改善职工工作条件，减轻劳动强度，避免职业伤害，延长设备使用寿命以及企业节能降耗工作起到积极作用。
1.3 课题内容
本课题的主要研究内容是对流量进行检测，主要由流量传感器采集流量信息，然后经过AD转换器将连续的模拟信号转换为数字信号传送给单片机，单片机在软件系统的控制下，根据预先的设置和预期的控制要求,将数据发送给上位机并在液晶屏上显示。然后经过DA转换将模拟量发送给固态继电器，通过固态继电器控制电动机的转速从而达到控制流量大小的目的。其中，硬件电路的搭接是本设计的重点，控制系统软件的设计是本课题的核心。硬件电路部分，采用STC89C52单片机，外扩EPROM存储器，构成单片机控制系统的主体部分。通过电磁流量传感器[3]，AD转换器进行输入，通过固态继电器控制电动机转速来控制输出。系统软件设计部分，分别对上下位机通信，AD、DA转换控制，液晶显示等程序进行了设计，并且设计了主程序和流量控制PID程序。
1.4 本章小结
本章主要研究了课题的背景，意义及目的以及主要内容。从而设计了液体流量测试平台的控制系统，能够对液体流量实现控制，提高了工作效率，在一定程度上保证了操作人员的人身健康和生命安全不受威胁。
本课题主要完成的内容是一个“液体流量测试平台的嵌入式控制系统”的硬件及软件部分。主要由数据采集A/D输入模块、PID控制模块、串口通信模块、LCD显示模块、调速模块等部分组成。
第 二章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统总体设计
2.1 硬件总体结构设计
系统的总体设计思想是流量传感器采集到流量信息，通过AD转换，转化为数字信号传给单片机[4]。单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。输出数字的控制信号通过DA转换[5]将数字量转化为模拟电量。通过模拟电量来控制固态继电器，通过固态继电器控制电动机的转速从而调节流量，实现流量的精确控制。
2.2 软件总体结构设计
在完成了系统硬件的搭接之后，剩下来的主要任务接是系统软件的设计。该控制系统的软件设计可以分为三部分[6]：一、主程序。该部分完成存储器分区、数据定义和系统的初始化等，以及调用各个子程序，完成主要的控制功能；二、流量控制程序。通过PID控制算法，编写出相应的流量控制子程序，实现对流量控制；三、各子程序。完成具体的实现方法。主要包括：设定值输入、LCD显示、流量调节、AD转换、上下位机通信等。我们能得到系统的框图如下：
图2.1 系统结构框图
2.3 本章小结
本章主要研究的是课题的总体结构设计，主要包括总体的设计思想，所需要的硬件以及硬件平台的搭建，以及软件设计的具体模块，软件设计思想。本文选择的是较为经济适用的STC89C52芯片，设计了一个基于STC89C52的控制系统，最后并给出了系统的框图。
第三章 液体流量测试平台的嵌入式控制系统详细设计实现
前面章节已经陈述了液体流量测试平台嵌入式系统[7]所需的各个环节，对整个系统所需功能有了系统的认识。本章的目的即是根据该控制系统的各个环节做充分的设计并通过实例实现。
3.1 STC89C52单片机最小系统设计
3.1.1 STC89C52单片机原理研究分析
STC89C52RC单片机[8]是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
主要特性如下：
增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。
工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。
工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
用户应用程序空间为8K字节。
片上集成512字节RAM。
通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口有上拉电阻，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。
ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
具有EEPROM功能。
具有看门狗功能。
共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。
外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。
STC89C52RC单片机的工作模式：
掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
空闲模式：典型功耗2mA。
正常工作模式：典型功耗4mA～7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。
STC89C52引脚如图所示：
图3.1 STC89C52RC引脚图
STC89C52RC引脚功能说明：
VCC（40引脚）：电源电压。
VSS（20引脚）：接地。
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体参见下表：
在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
表1 P1.0和P1.1引脚复用功能
引脚号 功能特性
P1.0 T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出
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