第9章 微型计算机控制系统应用实例.ppt

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1．将煤气表出气口密封住，然后打开控制负压的电磁 阀，压缩空气高速流经负压阀产生负压，抽出表内的 气体，使表内形成负压，则斜管压力计液面上升； 2 ．当抽到设定值时（要求斜管压力计显示270Pa，此 液面处设置一个光电管），关闭电磁阀，斜管压力计 的液面要继续上升一段，停在一个确定的位置 3．如果在规定的时间内（一般要求6s），斜管压力计 的液面不回落到光电管位置，则表的密封性合格，否 则表的密封性不合格 9.1 煤气表机心负压试漏中的应用9.1.2 系统的构成检测系统由密封汽缸、定位汽缸、换向汽缸、负压 阀、光电检测装置、斜管压力计，以及Intel8031为核 心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，换向汽缸保证滑阀盖旋转180°处于第二点 测试位置，测另外二个行腔两点测试都合格，则表合格，视为不漏；否则不合 格设: 电磁阀DF1 → 控制密封汽缸电磁阀DF2 → 控制定位汽缸电磁阀DF3 → 控制换向汽缸电磁阀DF4 → 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， DF2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DF1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DF4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，单片机检测到该信号时，DF4失电 ，停止抽负压，同时定时开始若在规定的时间内（取6s）液 面不回落到光电管的位置，则第一点测试合格，绿灯亮 DF1失电，密封汽缸抬起，稍微延时后，DF3得电，换向汽缸使 滑阀盖旋转180°处于第二点测试位置，换向结束后，DF1再得 电，密封汽缸压下，压紧后，绿灯灭 DF4得电，又开始抽负压，当液面上升到光电管位置时，DF4失 电，停止抽负压，同时定时开始。

若在规定的时间内液面不回 落到光电管的位置，则第二点测试合格，绿灯亮 DF2先失电，定位汽缸抬起，稍延时后，DF1失电，密封汽缸抬 起，DF3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：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 不合格另外，对于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 述两种情况下，系统都不能自动返回，要手动复位9.1.４硬件电路的设计硬件电路由89C51、锁存器74LS373、输入电路、输出电路、光电检测电 路、电源电路等构成，如上图（图9-1）所示1．输入回路 输入电路如下（图9-2）所示 当AN1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；当AN1按下时，发光管发光，接收管导通，反相后变成高电平当 计算机检测到Ｐ3.4＝1时，就执行相应的动作 采用光电耦合器4N25是为了抗干扰本系统定时器定时0.1s，其初值计算如下： 定时器工作在定时方式，所以每一个机器周期，计数器加１， 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６MHZ晶振，所以，Ｔ0工作在方 式１时机器周期： 2．拨盘开关电路拨盘开关电路如下页（图9-3）所示，当开始抽负压时微控器 89C51由Ｐ3.7发出读信号，把74LS373锁存的数据经Ｐ0送到累 加器Ａ中，再送到寄存器中来控制定时器Ｔ0定时时间，为增加 实时性，采用定时器溢出中断。

则有：(216 －X)×2us＝100ms （9-1） 得 X＝3CB0H 所以 TH0＝3CHTL0＝B0H如要定时６s即６s＝3CH×0.1s，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74LS04反相变成低电平输入到 P3.5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 P3.5，当计算机检测到P3.5＝１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Ｋ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（4～20mA），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，推动阀芯移动或转动，从而达到阀芯的准确定位阀门定位器的控制原理图如下（图9-8）所示图9-8 阀门 定位器的控制原理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 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 阀芯的最大、最小行程等参数进行设定； 5）调节阀在自动运行过程中，当阀芯开度大于90%或小于 10%时，以及阀芯被卡住时，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 2．A/D转换电路 3．键盘、显示器接口电路芯片Intel8279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 系统设计中要求0～100%的阀门开度，而通过A/D转换后得 到的是0～255的数，因此进行线性的标度变换，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 与阀芯反馈杆的连接带来方便因为电位器的最大行程距离 与阀芯的最大行程距离是不可能相同的，而我们要通过改变机 械结构使阀芯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芯的最大行程的X1来 替换默认的h值这样就可以在阀芯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，无论阀芯的最大行程距离 是多少，都可以准确的测出阀芯的开度。

从调节器过来的信号经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，每次采样值为Xi，则该次采样值Y(k)计算公式为：图9-10 系统主控制 程序两个中断服务程序的流程图如下（图9-11、图9-12）如图9-13所示为IC卡智能煤气表硬件电路它是以 87C51为核心的单片机最小系统 为了方便研制阶段进行反复调试和修改，采用内含 EPROM 87C51批量生产时，则采用80C51为CPU（ 内带ROM并具有程序禁读功能）。

1．IC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I²C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 9.3.1 硬件设计图9-13 IC卡智能煤气表硬件电路用户将IC卡插入家中煤气表的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I²C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I²C总线时序及AT24C02的数据传送格式，。