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【摘要】本文設計了以PC 機為上位機、AT89C51 單片機為下位機，并輔之以傳感器、變頻器以及相關接口部件的二級集散壓力控制系統(tǒng)。著重介紹了基于TLC2543 單片機的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。總結了基于單片機的過程控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。
關 鍵 詞：過程控制，單片機，數(shù)據(jù)采集
1、引言
本課題來自某管道的流量、液位控制系統(tǒng)，主要研究的是基于單片機的壓力參數(shù)的控制和調節(jié)，即以單片機為調節(jié)器，輔助以配套的A/D , D/A 轉換單元及電路，通過執(zhí)行數(shù)字PID程序實現(xiàn)自動調整。圖1 為該壓力控制系統(tǒng)簡圖，這是一個單回路反饋控制系統(tǒng)，控制的任務是使水箱的壓力等于某定值，減小或消除來自系統(tǒng)內部或外部擾動的影響。交流電動機帶動齒輪泵通過閥1 向上水箱供水，調節(jié)閥2 使之同時向外排水，達到被控壓力參數(shù)的動態(tài)調整。單回路控制系統(tǒng)由于結構簡單、投資小、操作方便、且能滿足一般生產(chǎn)過程的要求，故它在過程控制中得到廣泛應用。當一個單回路系統(tǒng)設計安裝就緒之后，控制質量的好壞與控制器參數(shù)的選擇有著很大的關系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇的不合適，則會使控制質量變壞，達不到預期的效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)搭建好以后，如何整定好控制器的參數(shù)是一個很重要的問題。
2、系統(tǒng)總體設計
2.1 單片機監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能
該系統(tǒng)實現(xiàn)控制功能的主要單元是一個基于單片機的壓力控制系統(tǒng)，其結構框圖如圖2所示。主要組成部分有：基于擴散硅傳感器的壓力檢測單元、A/D 轉換單元、以AT89C51單片機為核心的控制單元以及調節(jié)水箱進水量的變頻調速單元。
具體的工作過程是：設定欲穩(wěn)定的水箱的液位高度，通過壓力檢測元件獲取當前水箱的液位壓力值，經(jīng)模/數(shù)轉換芯片將模擬信號轉換為數(shù)字信號，送單片機與設定值進行比較，得到偏差信號，該信號經(jīng)過調節(jié)器做PID 運算后，輸給變頻器一個轉速控制信號，通過數(shù)/模轉換器將變頻器調速信號由數(shù)字信號轉換成模擬信號，由于變頻器的輸出頻率與輸入電壓成比例，可變的輸出頻率調整電動機和水泵的轉速，從而調節(jié)流量，達到調節(jié)水箱壓力的目的。
2.2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)
在本實驗裝置中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務是將檢測元件獲取的當前水箱的實際液位高度轉換成相應的電壓值，以便單片機將該電壓值與設定的電壓值進行比較，從而按所得偏差信號進行控制運算。本實驗裝置針對壓力緩慢變化的模擬信號，考慮到經(jīng)濟、實用等因素，在原有控制器的基礎上，以AT89C51 單片機為核心，利用少量的I/O 接口，采用TLC2543串行A/D 轉換芯片，擴展出一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
AT89C51 單片機是ATEML 公司出產(chǎn)的一款經(jīng)濟、高性能單片機，其主要特性如下：
1）工作頻率為0~24MHz
2）兩個標準16 位定時/計數(shù)器
3）32 條可編程I/O 口線，5 個中斷源
4）4K 字節(jié)快閃ROM, 128 字節(jié)RAM
5）40 引腳，DIP 封裝
模數(shù)轉換器選用TI 公司的12 位串行TLC2543，其分辨率較高，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D 轉換過程，且采用的串行輸入結構。TLC2543 有12 個輸入通道，有三種輸出數(shù)據(jù)長度，每種數(shù)據(jù)又可以設定為不同的數(shù)據(jù)順序(高位在前還是低位在前)。通道的選擇、數(shù)據(jù)格式的設定，都是通過控制器向TLC2543 寫控制字來實現(xiàn)的。控制字格式如表1 所示。
本裝置中液位的測量采用的是MPX201 ODP 型傳感器。其工作原理是在單晶硅的基礎上擴散出P 型或N 型電阻條，接成電橋。在壓力作用下，根據(jù)半導體的壓—阻效應，把壓力的變化轉換成電阻的變化，經(jīng)過測量電路所測的輸出電壓反映出所受壓力的變化，即液位的變化。當硅膜片上受到壓力1 P 和2 P 作用時，由于它們對膜片產(chǎn)生的壓力正好相反，因此作用在膜片上的壓力為1 2 ΔP=P−P從而可以進行壓差測量。
實驗中具體的測量方式為空氣管傳感方式：將一根管子豎直立起，其一端放于液體容器中，另一端完全敞開，則在管子里面的液面與容器中的是完全相同的。若將管子的上端封住（接到MPX201ODP 的壓力面），管子內就會留有一定體積的氣體。當容器內液位變化時，管內空氣的壓力將會成比例地變化，則MPX201ODP 傳感器的壓力面會將其所感知的壓力變化傳送給TLC2543 串行A/D 轉換芯片，將該壓力的變化轉換成電信號。
2.3 PID 控制器設計
常規(guī)PID 控制作為一種傳統(tǒng)的控制方法，綜合了關于系統(tǒng)的過去（I）、現(xiàn)在（P）和未來（D）三方面信息，以其計算量小、實時性好、易于實現(xiàn)等優(yōu)點廣泛應用于過程控制中。
PID 有兩種基本結構，即完全微分型PID 和不完全微分型PID。不完全微分型PID 又有三種變異法。完全微分型PID 的傳遞函數(shù)為，不完全微分型PID 的傳遞函數(shù)為：
3、系統(tǒng)軟件部分設計
3.1 數(shù)據(jù)采集子程序
對于串行輸入輸出數(shù)模轉換器，在編程應特別注意TLC2543 的工作時序，其I/O CLOCK引腳接收串行輸入信號，在I/O CLOCK 的前8 個上升沿，DIN 引腳的8 位輸入數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器；在I/O CLOCK 的第4 個下降沿，被選通的模擬輸入電壓開始向電容器充電，直到I/O CLOCK 的最后一個下降沿為止；將前一次轉換數(shù)據(jù)的其余11 位輸出到DATA OUT端，在I/O CLOCK 的下降沿時，數(shù)據(jù)開始變化；I/O CLOCK 的最后一個下降沿，將轉換的控制信號傳送到內部狀態(tài)控制位。因此，TLC2543 在每次I/O 周期讀取到的數(shù)據(jù)都是前一次的轉換結果，應該丟棄，再讀一次，即為當前轉換值。數(shù)據(jù)采集子程序的程序流程圖如圖3所示：
3.2 數(shù)據(jù)傳輸子程序
單片機數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將單片機通過TLC2543 采集到的數(shù)據(jù)，通過單片機的串行口以一個固定的波特率發(fā)送到PC 機。本實驗中采用的是9600b/s 的波特率。為簡單起見，發(fā)送數(shù)據(jù)以6 個字節(jié)為一幀，其傳輸格式為前16 位的同步碼，中間16 位數(shù)據(jù)（其中后12 位有效，即為系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)），最后16 為CRC 校驗碼。其程序流程圖如圖4 所示：
3.3 PID 控制子程序
PID 控制程序的入口參數(shù)是經(jīng)A/D 轉換的實際值，而它的各個系數(shù)均由初始化時確定，若要修改，則通過單片機控制屏來完成。PID 增量型的出口參數(shù)是直接輸入D/A 轉換的數(shù)值。本設計是將PID 控制作為主要控制方法，將其放在初始程序中。不需要時，只要將其入口地址改變即可。PID 控制子程序流程如圖5 所示。
該PID 控制算法的主要目的是消除靜差和提高控制精度，系統(tǒng)短時間內輸出偏差很大會導致控制量超出執(zhí)行機構允許的最大動作范圍，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調量甚致發(fā)生系統(tǒng)振蕩。采用變速積分法根據(jù)系統(tǒng)偏差的大小改變積分項的累積速度，對提高系統(tǒng)的品質十分有效。
圖5 變速積分PID 控制子程序流程圖
4、系統(tǒng)其他部分設計
上位機和下位機之間采用基于RS232C 通信標準的半雙工數(shù)據(jù)通信方式，為提高系統(tǒng)抗干擾能力的設計了看門狗電路。文中的數(shù)據(jù)采集與處理程序、上位機與下位機之間的通信程序都使用執(zhí)行效率較高的匯編語言來完成，上位機的人機交互界面與數(shù)據(jù)輸出程序采用高級語言VB 來開發(fā)。
5、總結
本系統(tǒng)以AT89C51 單片機為核心，利用少量的I/O 接口，采用TLC2543 串行A/D轉換芯片，擴展出一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在某液壓控制試驗系統(tǒng)中得到了利用，并表現(xiàn)出良好的效果。該基于單片機的過程控制系統(tǒng)具有體積小、簡單實用、成本低、性能價格比高等特點，且系統(tǒng)不易受到干擾，可靠性好，具有很大的市場價值。
參 考 文 獻：
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[4]談宏華,陳康,涂坦,肖仁偉.基于AT89C51 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].機電一體化,2005,6:55—57
說明（文章創(chuàng)新點）：
1、本文所設計的過程控制系統(tǒng)體積小、簡單實用、成本低、抗干擾性好，可靠性高。為過程控制自動化相關產(chǎn)品的設計提供了有參考價值的設計思路。
2、完成了系統(tǒng)的完整設計，并應用到實際的某試驗裝置中，卻表現(xiàn)出良好效果。
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