微型计算机控制技术 教学课件 ppt 作者 王洪庆 第9章 微型计算机控制系统应用实例

1、第9章 微型计算机控制系统应用实例,9.1 微型机在煤气表机心负压试漏中的应用 9.2 微型机在阀门定位器中的应用 9.3 IC卡智能煤气表的设计 9.4 微型机实现电加热锅炉系统的自动控制 9.5 单片机与微机RS-485通信 9.6 微机控制的公共汽车自动报站系统 9.7 温度控制系统的设计,9.1.1 煤气表机心负压试漏原理,首先，把煤气表出气口密封住，然后打开控制负压的电磁阀，这时高速流动的压缩空气，经负压阀产生负压，把表内的气体往外抽，表内形成负压，同时斜管压力计液面往上升，当抽到设定值时（煤气表工艺要求斜管压力计显示270Pa），即光电管所在的位置时，关闭电磁阀，这时斜管压力计的液面要继续往上升，停在一个确定的位置。如果在规定的时间内（一般工艺要求s），斜管压力计的液面不回落到光电管所在的位置，则表的密封性好，不漏；相反，表的密封性不好，漏。,9.1.2 系统的构成,本系统由密封汽缸、定位汽缸、换向汽缸、负压阀、光电检测装置、斜管压力计，以及由 8031为CPU的控制器构成。煤气表机心由二个囊壳通过二个膜片分成四个行腔。定位汽缸保证滑阀盖处于第一点测试位置，测其中二个行腔，

2、换向汽缸保证滑阀盖旋转180度处于第二点测试位置，测另外二个行腔。只有两点测试都合格，表合格，不漏，否则,表不合格，有漏气。,设: 电磁阀 控制密封汽缸 电磁阀 控制定位汽缸 电磁阀 控制换向汽缸 电磁阀 控制负压阀,系统的初始状态：所有的电磁阀不得电，红灯、绿灯、都不亮，斜管压力计液面对应标度尺的零点。 当按下启动按钮时，得电，定位汽缸下落，压住偏心齿轮使滑阀盖处于第一点测试位置，接着得电，密封汽缸下降，密封住出气口，然后稍延时（延时长短应保证密封气缸和定位气缸到位）这时得电，负压阀工作，斜管压力计的液面往上升，同时单片机检测光电信号。,9.1.3 控制原理,当液面上升到光电管位置，单片机检测到了这个信号时，失电，停止抽负压，同时定时开始，如果在规定的时间内（一般取s），液面不回落到光电管的位置，则第一点测试合格，绿灯亮。同时失电，密封汽缸抬起，稍微延时后，得电，换向汽缸使滑阀盖旋转180度外于第二点测试位置，换向结束后，得电，密封汽缸压下，压紧后，绿灯灭。这时得电，又开始抽负压，当液面上升到光电管位置时，失电，停止抽负压，同时定时开始，如果在规定的时间内液面不回落到光电管的位置，则

3、第二点测试合格，绿灯亮，这时先失电，定位汽缸抬起，稍延时后，失电，密封汽缸抬起，失电，换向汽缸回位，同时绿灯灭，自动返回完成一个测试的工作循环。 注：检测中当在规定时间内，液面回落到光电管位置时，则红灯亮，停止检测，表不合格；或者是：有少数表由于漏得严重，在抽负压时，很长时间内（一般取15s）液面也上升不到光电管位置，则红灯亮，停止检测，表不合格，上述两种情况，系统都不能自动返回，要手动复位。,1输入回路 平时当没按下时，发光管不发光，接收管不导通，经74LS04反相后变成低电平输入到3.4，当按下时，发光管发光，接收管导通,经74LS04反相后变成高电平输入到3.4，当计算机检测到3.41时，就执行相应的动作。采用光电耦合器4N25是为了抗干扰。输入电路如图9-2所示。,9.1.硬件电路的设计,图 输入回路,本系统定时器定时0.1s，其初值计算如下： 时器工作在定时方式，所以每一个机器周期，计数器加，由于每一个机器周期包含12振荡周期，所以计数速率是振荡频率的1/12，由于本系统采用MHZ晶振，所以，0工作在方式时机器周期：,2拨盘开关电路 拨盘开关电路如图9-3所示，当开始抽负压时

4、微控器89C51由3.7发出读信号，把74LS373锁存的数据经0送到累加器中，再送到寄存器中来控制定时器0定时时间，为增加实时性，采用定时器溢出中断。收到了很好的效果。,则有： (216 X)2us100ms （9-1） 得 X3CB0H 所以 TH03CH TL0B0H 如要定时s即s3CH0.1s，把拨盘开关设置为 3CH即00111100B。,图9-3 拨盘开关电路,3光电检测电路 斜管压力计是有机玻璃制成的，中间钻一个斜长圆管，里面装着白油，压力计背面有一个钻着圆孔的铝板标度尺，发光管和接收管通过支架分别安装在压力计的正面和背面，而且保证发光管、接收管、标度尺上的圆孔，三点在一条直线上。如图9-4所示。,图9-4 斜管压力计,光电检测电路如图9-5所示，平时发光管始终在发光，通过调节电位器W1使发光管5GLB发出的光最强。由于系统各表面光洁，光的反射量很少，可忽略不计。真正起作用的是折射光。 当没有抽负压时，白油在斜长圆管的最底端，圆孔内是空气，发光管发出的垂直入射光，经交界面后改变了方向，光比较分散，透过标尺圆孔的光很少，结果导致接收管不导通，光电检测电路中为高电平，经74

5、LS04反相变成低电平输入到 3.5。 相反，当抽负压时，液面上升到光电管位置，圆孔内是白油，但由于白油密度接近于有机玻璃密度，所以发光管发出的垂直入射光，经交界面后，沿直线传播，不改变方向，所以光比较集中，大都透过了标尺上的圆孔，照射在接收管上。结果导致接收管导通,变为低电平，经74LS04反相变成高电平输入到3.5，当计算机检测到3.5这个信号时,送出输出信号，关断负压电磁阀，停止抽负压。,图9-5 光电检测电路,4输出回路 输出电路如图9-6所示，由89C51的P1控制，输出的低电平信号经74LS240反相驱动后变成高电平，光电耦合器截止，再经4N25转换成+24V高电平，经1413反相驱动后变成低电平，使继电器导通，常开触点闭合，电磁阀得电，汽缸做相应的运动。,图9-6 输出电路,5软件设计,图9-7 软件流程图,9.2 微型机在阀门定位器中的应用,9.2.1 系统工作原理,阀门定位器的控制系统采用的是89C51为核心的单片机控制系统，它接收来自调节器的设定阀门开度的电流信号（420mA），用这个信号与从调节阀阀杆反馈回来的实际开度信号进行比较，如果微处理器得到一个偏差信号，就

6、利用这个信号去控制压电阀，使一定量的压缩空气经过压电阀进入到调节阀的执行机构的气室，推动阀心花怒放的移动或转动，从而达到阀心花怒放的准确定位。阀定位器的控制原理图如图9-8所示：,图9-8 阀门定位器的控制原理图,9.2.2 系统的控制要求 阀门定位器对单片机控制系统的设计要求 有以下几点：,（1）能够接受来自调节器的电流信号并能将它转换成为 电压信号，能够采集阀位反馈回来的模拟信号； （2）能对以上采集到的信号进行运算、整理，最后根据 偏差的大小输出连续信号或一定宽度的脉冲来控制 压电阀； （3）利用数码管能现场显示输入的参数以及阀门开度； （4）利用按键能在现场对阀门的工作流量特性的参数， 以及阀心花怒放的最大、最小行程等参数进行设定； （5）调节阀在自动运行过程中，当阀心花怒放开度大于 90%或小于10%时，以及阀心花怒放被卡住时，控 制系统能进行报警；,（6）具有断电保存功能、看门狗功能、电源电压监测功能； （7） 能够和上位机实现通信，使上位机能够对阀门定位器 实现数据的设定、管理，并且可以显示、打印。,9.2.3 系统的硬件设计 1系统的基本组成 2A/D转换电路 3Int

7、el8279键盘、显示器接口芯片 与 89C51的连接电路 4压电阀控制电路 5电源监测电路及RS-232接口转换 电路,图9-9 单片机控制系统电路原理图,1调节阀开度显示的设计 因为系统设计中要求0100%的阀门开度，而通过A/D转换后得到的是0255的数，为此我们采用如下公式来把A/D转换的数据换算成阀门的开度。,100% （9-2）,其中：X为电位器动触点输出的转换后的实际值；H为电位器动触点最大行程时输出的转换后的值，其默认值为255；h为电位器动触点最小行程时输出的转换后的值，其默认值为0。,9.2.4 软件设计,通过公式（9-2），我们可以为阀门定位器的电位器在现场与阀心花怒放反馈杆的连接带来方便。因为电位器的最大行程距离与阀心花怒放的最大行程距离是不可能相同的，而我们要通过改变机械结构使阀心花怒放的最大行程与电位器的最大行程完全匹配是相当困难的，所以可以根据实际安装时候阀心花怒放的最大行程的X1来替换默认的h值。这样就可以在阀心花怒放的最大行程距离小于且接近电位器的最大行程距离的条件下，无论阀心花怒放的最大行程距离是多少，都可以准确的测出阀心花怒放的开度。,从调节器过来

8、的信号经A/D转换后得到的数据也需通过公式（9-2）进行转换。所得到的设定开度与阀门的实际开度进行比较即可得出偏差，如果偏差大于所允许的误差值（小于0.2%），89C51便输出控制信号给压电阀。,2数字滤波 在由微型机组成的自动控制系统中，为了减少对采样值的干扰，提高系统的可靠性，常常采用数字滤波的方法。本系统采用算术平均值滤波和中值滤波相结合的复合数字滤波。它即可消除周期性脉冲干扰又可以消除随机脉冲干扰。 中值滤波是把几次采样值按一定顺序排列，如从小到大排列，然后取其中间值为本次采样值。这种方法适用于变量变化比较缓慢的过程，消除由于偶然因素造成的干扰。,算术平均值滤波是把几次连续采样值相加求和，除以采样次数n,所得结果作为该次采样值。设第k个采样周期内共采样i次，每次采样Xi为,则该次采样值Y(k)计算公式为：,图9-10 系统主控制程序,9.3.1 硬件设计 IC卡智能煤气表硬件电路如图9-13所示。这是一个以内含EPROM的87C51为核心的单片机最 小系统采用87C51是为了方便研制阶段进行反复调试和修改，批量生产时则采用内带ROM并具有程序禁读功能的80C51为CPU。 1I

9、C卡与非易失性内存 AT24C02（1）IC卡内存储芯片，该芯片是一种具有IC总线结构的串行EEPROM，容量为256字节。用气前，用户持卡向煤气公司购买煤气，由煤气公司写卡机把所购煤气量编码加密后写入IC卡中。,9.3 IC卡智能煤气表的设计,然后插入家中煤气表的IC卡插槽内，由87C51对该卡进行解码和核对工作，并读取购气量。卡中的密码信息经某种算法得到且每次不同，内容完全相同的两次插卡操作，其后一次将被视为非法，这样可防止通过复制IC卡进行窃气的行为。同时，表内的累积已耗用气量被写进IC卡中，供购气插卡时煤气公司的计算机管理系统查对，发现累积已耗用气量比累积购气量大的情况，即进行调查。在插槽中插入IC卡时，触动K2闭合，引起 中断，且P1.5由高变低供该中断服务程序查询确认是IC卡插入。,表内非易失性内存芯片与IC卡内芯片一样，即AT24C02（2）。煤气表中诸如累积已耗用气量、结余气量、购气次数等重要数据都存放在AT24C02（2）,这样可克服由充电电池长期维持RAM中的信息所潜在的不可靠性。AT24C02仅有8条引脚，串行通信只用两根口线，做成IC卡时,外接连线少，作为非易失性内存更是比采用并行EEPROM减少许多连线，PCB布线更简洁，体积更小。IC卡煤气表中所需存取的重要数据少，且数据存取速度要求不高，故这种小容量的串行EEPROM非常适用。AT24C02是IC总线结构器件，87C51非此类器件，这就要求87C51通过编程使其P1.0和P1.1完全遵循IC总线时序及AT24C02的数据传送格式，去分别等效串行数据线SDA和串行时钟SCL，从而实现两者的通信。,2 耗气量计数电路及显示电路 沿用传统煤气表的气量计量部分，将霍尔器件H固定在转轴附近，当贴在转轴上小磁钢转过H时，霍尔器件CS837就会产生一个正脉冲，经施密特触发器倒相整形，送到87C5

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