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1、聚合反响釜温度控制系统设计摘要聚合反响机理复杂，是强放热反响，过程具有大滞后、大惯性、非线性等特性。温度、压力、浓度及催化剂的活性及牌号等都对化学平衡产生重要影响。因此，反响釜温度控制的效果将直接影响产品的质量及装置的正常运行，为此将反响釜温度控制回路列为重点监控回路，严格将反响釜温度控制在要求范围内。传统的PID控制是一种基于过程参数的控制方法，具有控制原理简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的准确数学模型，在线整定参数的能力差，因反响釜机理复杂，各个参数在系统反响过程中时变。因而采用一般的PID控制器无法实现对反响釜的准确控制。模糊控制与预测控制都是对不确定系
2、统进展控制的有效方法。本文将模糊控制与预测控制结合起来运用于聚合反响釜温度控制器的设计，设计以聚合反响釜温度控制系统为中心,从控制系统的硬件系统组成、软件选用到系统的设计。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低与开发周期短等优点，成为自动化与各个测控领域中广泛应用的器件，在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。在工业生产中，如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，都用到了电阻加热的原理。鉴于单片机技术应用的广泛性与优越性，温度控制的重要性，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本文就是根据这一思想来展开的。结果说明预测模糊控制作为模糊控制与预测控制相结合
3、的产物该控制方法具有使系统超调量小、调整时间短、对系统参数变化与外界干扰有较强的鲁棒性等优点，是一种提高聚合反响釜温度控制效果的有效方法。关键词：聚合反响 ；预测控制 ；模糊控制 ；单片机Summary of polymerization Kettle temperature control system designABSTRACTPolymerization reaction mechanism for complex, is a strong exothermic reaction, process with large time delays, large inertia, nonli
4、near and other features. Temperature, pressure, density and chemical equilibrium catalyst activity and grades, and so on have a major impact. Therefore, the effect of the temperature control of reactors will directly affect the normal operation of the quality of the products and equipment, for which
5、 the reactor temperature control circuit as a key monitoring circuit, strictly within the reactor temperature control requirements. Traditional PID control is a control method based on process parameters, with the control principle of simple, good stability, high reliability, easy parameter adjustme
6、nt, and other advantages, but its design relies on precise mathematical model of the controlled object, poor online tuning parameters of power, reactor mechanism of complex, individual parameters in the system to time-varying reactions. Thus average PID controller to achieve precise control of react
7、or. Fuzzy control and prediction control are effective methods of control for uncertain systems. This article combines the fuzzy control and prediction control applied to the design of polymerization Kettle temperature controller, design centered on the polymerization Kettle temperature control syst
8、ems, hardware system, from the control system design of the software to the system. Monolithic integrated circuit with its powerful, small size, high reliability, low cost and short development cycles, and other advantages, become widely used devices in the field of automation and control, temperatu
9、re control system, single-chip computer a is at the core has played an irreplaceable role. In industrial production, such as heat treatment furnace, Crucible resistance furnace used for melting metal, are used to the principle of resistance heating. Given the breadth of application of single-chip mi
10、crocomputer and superiority, the importance of temperature control and temperature control system design of an ideal is a valuable. This article is based on this idea to expand. Results indicate that predictive fuzzy control as a product of the combination of fuzzy control and prediction control met
11、hod of the control has a small amount of overshoot the system, adjust the time is short, on the system parameter change and outside interference robustness of strong advantages, is an effective method of improving the effect of polymerization Kettle temperature control.KEYWORDS：Polymerizingkettle；Pr
12、edictive control； Fuzzy logic control；temperature control； Single-chip ；目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论国内研究开展现状研究现状1.1.2 开展前景1.2 选题背景和研究意义第2章 聚合反响釜生产工艺和构造特点聚合反响釜工艺简介聚合反响釜构造及工艺特点第3章 相关理论介绍8预测模糊控制算法的根本原理8第4章 聚合反响釜控制方案11预测模糊控制方案的选择11聚合反响釜温度控制流程图12第5章 系统硬件设计和设备选型及调试13温度控制器的选择13单片机的选择13数据采集输入通道设计15输出控制电路设计16温度超限报警
13、电路设计17键盘接口电路设计175.7 LED显示接口电路设计18单片机温控系统的调试过程19第六章 结论21参考文献22谢辞23第 25 页第1章 绪论聚合反响机理复杂，是强放热反响，过程具有大滞后、大惯性、非线性等特性。温度、压力、浓度及催化剂的活性及牌号等都对化学平衡产生重要影响。因此，反响釜温度控制的效果将直接影响产品的质量及装置的正常运行，为此将反响釜温度控制回路列为重点监控回路，严格将反响釜温度控制在要求范围内。伴随着我国经济的开展,高分子聚合物在各个领域得到了广泛的应用,同时也对聚合物的产品质量与生产过程自动化提出了更高的要求,比方碳纤维的生产研制。在影响聚合反响的参数(如温度、
14、压力、流量、速度等)中,最重要的是反响器的温度控制,其控制品质直接影响产品质量与产量。间歇式反响釜具有时变、非线性、反响机理复杂等特点,一直是过程控制领域的研究热点。但单纯的经典控制理论难以在聚合反响釜温度控制上取得好的控制效果,所以建立起反响过程的数学模型并对生产过程进展仿真研究,对于实现聚合反响过程的先进控制具有重要的理论与实际意义。 本文全面的分析了反响釜温度变化的特点以及控制难点,在对反响釜夹套加热系统的传热原理系统分析的根底上,根据热量平衡原理与反响釜的热量传递关系,采用机理建模与阶跃响应曲线方法建立了釜内温度的数学模型,并利用实验数据与理论分析验证了模型的有效性。 在算法研究方面,
15、参阅了大量的中外文献并结合实际控制要求的根底上,提出了基于模糊控制的间歇反响温度控制系统,设计了模糊PID自整定控制器,给出了详细分析步骤与控制算法研究。同时把常规PID控制与模糊PID自整定控制策略进展比拟论证、仿真分析与研究。实验结果说明,及常规的PID控制方案相比,该方案提高了系统的鲁棒性与适应性,较好的解决了反响釜温度控制的难题,对其它类似的被控对象的控制问题有一定的参考价值。1.1国内研究开展现状1.1.1研究现状自上个世纪70年代以来，由于工业过程控制的需要，特别在微电子技术与计算机技术的突飞猛进开展以后及自动化控制理论与设计方法的推动下，国外温度控制系统开展迅速并在智能化、自适应
16、、参数自整定等发面取得成果，在这方面，一日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行各业广泛应用。它们主要具有以下的特点：1适用于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2能够使用于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。3能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统。4这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围更广泛。5普遍温控器具有参数自整定的功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进展自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据
17、历史经历及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。6温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。结合温度控制器的开展，多年来，许多学者在反响釜的温度控制问题上做了很大量的探索并提出一些有效地解决方案。比方：Shinskey或weinstein提出反对的双模控制，采用Bang-Bang+PID控制，其大致步骤为;过程开场时，全力加热，直至反响釜温度举起设定值为t1度，然后全力冷却，持续TD1分钟，此后，将夹水套水温设定在某个适宜的中间温度，持续TD2分钟，最后，串级PID控制器控制夹套水温。如果选择参数得当，双模控制是有效的。ArthurJutan及Asho
18、k Uppal提出将反响热作为一种扰动，采用适当的方法估计出来，用前馈控制抵消：余下的局部近似为线性系统，可以用PID控制。Barry及Sandro1989采用GMC方法控制反响釜温度，得到了很好的仿真效果，并且进一步考察了操作条件及过程参数变动是被控对象的鲁棒性，发现GMC的鲁棒性明显强于双模控制。及采用模糊控制及PID混合控制的策略控制间歇放热聚合反响釜的温度，在他们的方法中，模糊控制器的输出用来调整PID控制器的设定值，以补偿反响放热对过程温度造成的扰动；将此方案应用及乳液聚合的实验设备上，发现能明显提高控制性能。此外还有一些研究者采用预测控制解决这一难题，如Nagy及Agachi S采
19、用非线性预测控制算法控制间歇PVC聚合釜的温度；Xia等采用基于小波神经网络的预测控制算法控制间歇聚丙烯反响器温度；栾志业等采用基于模型分解的预测控制算法也取得了较好的效果1.1.2 开展前景 几十年来， 化工行业工业自动化技术随着工艺与装备技术的不断开展而开展，从初期简单的手工操作到连续工业及负荷不断加大，对生产稳定性要求越来越高，对控制及自动化水平的要求也越来越高，仪表使用越来越普遍，从简单回路的闭环控制到单元装置的全面自动化，使用的控制工具也从控制单元组合仪表、电动单元组合仪表到DCS的广泛应用；控制水平也从单参数简单控制回路到多变量复杂控制回路，先进控制系统、优化控制系统在各种场合都有
20、成功应用的典范。随着工业规划的进一步开展，快速反响、林杰文泰工艺、能量综合平衡等工艺的开发成功，对自动化提出了更高的要求。另外，剧烈的市场竞争也对自动化提出了新的目标及要求。同时，信息技术对化工行业自动化技术的开展也注入了新的活力。为适应化工生产的新特点，一些过程控制领域的新技术正在有理论研究转向生产时间，如综合信息处理技术、现场总线控制系统、各种智能控制技术、软计算技术与快速仿真技术、多媒体及时等。过程控制产生的技术工具，由基地是仪表、气动单元式组合式仪表、电动单元组合式仪表型、型、型，开展到现在的可编程单回路、双回路、三回路调节器与分散综合控制系统DCS。当前，传统的DCS正借助于微处理器
21、硬软件与通信网络技术，朝着标准化、开放化与尽量采用市场通用的优良硬、软的方向，逐渐的、相互融合地向开放的DCS开展。如Honeywell的TPS(Total Plant Solution System),它采用通用的软件将企业的internet网及局部控制网、通用控制网与系统总线连接在一起，配备各种平台、操作站以满足不同层次使用人员的要求。另外，最近开展起来的现场总线网络控制系统FCS也是一种新的开放式的分布式控制系统。它把专用封闭协议变成标准开放协议，是系统有完全是数字计算与数字通信能力：在构造上，采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统的灵活性与可靠性 ：它突破了集散型控制
22、系统DCS中采用专用网络的缺陷。因此对于现场总线的工业控制系统研究具有重大的意义。据报道，美国犹他州盐湖城Flying炼油厂、孟山都化工厂、我国安陵化工厂、吉林油田甲醇厂以采用FCS，取得了明显的经济效益。专家估计，FCS将在石化行业得到广泛的应用。过程检测控制仪表与控制器也将由现场总线以及由此产生的现场总线智能仪表与控制系统所代替。新一代的检测仪表主要特点是智能化与数字化。这些检测仪表均是以微型计算机为核心，可以实现自动校零、线性化补偿环境因素变化等功能甚至包括模型运算与人工智能的应用。一次检测技术采用超声波、微波、激光等新技术，是自动化控制的精度得到进一步的提升。研制新型的传感器，广泛应用
23、新技术，如核磁共振、激光与相关技术等，使传感器集成化。专用集成电路的广泛应用将促进传感器与执行器沿着多功能与智能化的方向开展，便于形成现场控制回路子系统，还将极大方便仪表的安装调试与维护工作。在硬件条件得到改善后，将目前分散研究的软测量技术、先进控制技术开发成通用的商品化软件包，也是开展方向之一。现有的工业软件包大局部是以多变量控制技术为主，在此根底上进一步采用了神经网络、模糊技术及遗传学算法等软计算技术，开发包括初级数据预处理、数据挖掘、软测量技术的先进控制软件，国内的高校与科研机构先后在一些石化企业的典型装置上通过各种方法实现了软测量与先进控制技术。但是我们也应该看到，国产开发软件在设备上
24、无关性、软件通用性、运行可靠性机界面友好性等几个方面及国外的一些成熟的商业软件包相比还有一定的差距。如何将理论研究的最新成果反开展成工程化、标准化与商品化的软件包，是我国过程自动化的研究重点之一。在控制理论上，自从美国数学家魏拿在20世纪七十年代中期以后出现的大系统理论与智能控制理论，为石化工业的开展及控制要求的提高，提供了理论根底。智能理论的研究应运而生，也成为当前控制理论的研究热点之一。因此，石化工业的过程控制也由串级、比值、前馈、选择性、均匀控制等简单控制系统开展到解祸、时滞补偿、推断预估、预测、非线性。状态反响、双重、自适性、人工神经元网络、模糊、智能等高级控制系统。据setpiont
25、公司统计，在生产过程中采用先进过程控制以取得良好的效果。例如：1994年Gensym公司与Neuralware公司联合将神经网络与优化软件及专家系统联合，用于Star炼油厂的非线性工艺过程，一年内就收回资金，英国帝国化工研究员院ICI实时操作优化专家系统在威尔顿石油联合企业应用，并取得实效；日本三菱化学合成公司开发成功了乙烯工程模糊控制系统；美国杜邦公司研究出用于化工聚合中间物生产强度的Pace专家系统。 选题背景与研究意义反响釜是化工生产过程中的重要设备，反响过程中伴随有大量的吸、放热现象，具有大滞后、时变、非线性、反响机理复杂等特点。传统的PID控制是一种基于过程参数的控制法，具有控制原理
26、简单、稳定性好、可靠性高、参数易调整等优点，但其设计依赖于被控对象的准确数学模型，而反响釜因为机理复杂各个参数在系统反响过程中时变，不能建立准确地数学模型，参数调整往往比拟困难，难以解决系统的相对稳定性与快速性的矛盾，因而采取一般的PID控制器无法实现对反响釜的准确控制。模糊控制是一种基于规那么的控制，在设计中不需要建立被控对象的准确数学模型，鲁棒性强，干扰与参数变化作为输入变量，这种控制器具有模糊比例微分控制作用，精度不太高、稳态误差较大、自适应能力有限与易产生震荡现象。预测控制是一种优化控制算法，它是通过对某一种性能指标是我最优来确定未来的控制作用的，具有对模型要求低，鲁棒性好。适用于数字
27、计算机控制的优点，但稳定性仍待提高。本文针对反响釜的温度变化特点，将模糊控制、PID控制及预测控制结合起来，设计处温度控制系统，并根据反响釜装制的特点，采用比例调节阀控制液体流量，增加系统功能并提高响应速度。第2章 聚合反响釜生产工艺与构造特点聚合反响釜是利用导热介质通过反响釜的夹套来提高釜内 物料的温度，通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高导热速度，并 使其温度均匀。反响釜内物料的温度常常要求被恒定在1或 更小的范围内。导热介质的选择是根据各厂产品的工艺温度要求确定的，常见的导热介质有热水、过热蒸汽与导热油。温度测量常用热电阻或热电偶及其变送器组成。通入反响釜的导热介质要求保持温度恒定，通过调节
28、流入反响釜夹套的导热介质的流量，来控制反响釜内物料的温度使之符合工艺要求。 构造及工艺特点反响釜是化工生产中常用的反响器，构造示意图见图2-1.反响釜温度控制是 通过俩个阀门即加热水阀门与冷水阀门来实现的，通过搅拌机的搅拌使物料均匀、提高到热速度，并使其温度均匀。在升温阶段，翻开加热水阀门，对釜内的蛇管同一家热水，使釜温升高，通过控制阀门开度来控制阀门温度升高的速率，当加热到预定反响温度后就停顿加热，反响过程中在夹套中通以冷却水，将反响产生的多余热量移走，控制温度保持恒定。导热介质的选择根据各厂产品的工艺温度要求确定的，常见的导热介质有过热蒸汽与导热油。温度测量常用热电阻或热电偶机器变送器组成
29、。通入反响釜的导热介质要求保持温度恒定，通过调节流入反响釜夹套的导热介质的流量，来控制反响釜内物料的温度符合工艺要求。图2-1反响釜构造示意图按照工艺要求，反响釜的操作流程一般包括以下几个阶段：1投料：反响物计量后一批或几批投入反响釜。2加热升温阶段：投料完毕后，向反响釜同热水升温，原料在及催化剂充分混合的根底上，吸收热水提供的热量，当加热到一定值时，放热反响开场。该阶段须在较短的时间内把釜内温度或压力升至开场反响的状态，并且必须保持连续升温升压。3反响放热阶段：本阶段开场后，反响过程中伴有强烈的放热效应，并且反响的放热速率及反响温度之间是一种正反响自激的关系。如果不及时移走反响热，将使温度超
30、出正常范围，造成反响不可控制，易引起“爆聚或产生平安阀跳；如果参加过量的冷水又将使反响激落，甚至造成“僵釜现象。该阶段控制时，不仅要求釜内温度或压力连续上升，同时又要求不能产生超调。因此，这一阶段是控制的难点，直接影响能否获得高质量的产品。4恒温，恒压阶段：这是正常反响阶段，该阶段反响时间长，对控制精度要求较高。因此，恒温段是反响工艺的关键阶段。5冷却、回收及放料阶段。按反响过程的生产坏境及其动态特性来分析，反响釜具有以下几条工艺特点：1反响一般包括俩个过程：一个是有自衡能力的开环稳定的过程加热升温阶段与反响初期；另一个是无自衡能力的、部可逆的开环不稳定的强放热反响过程反响中后期。2工业用反响
31、釜容量大、釜壁厚，因此是一个热容量大、纯滞后时间长的被控对象。3聚合反响具有较大的时变性、不确定性与高度非线性。例如过程增益变化很大，甚至增益变化的方向都不一样的；随着反响的进展，釜内固体颗粒增多，釜的传热系数也会发生变化。4外界环境的变化如催化剂活性、原料质量、循环水、热水及环境温度变化等对系统的干扰很大。5难以建立其机理模型。第3章 相关理论介绍模糊控制系统输出的采样值y(t)(t=1，2，n)可看作一个时间序列，对这个序列总可以找到某个连续函数H(t)，来准确地刻划出其变化规律，于是，系统下一个采样值，即将来时刻的值可以表示为当前采样值的Taylor展开式： 1其中T为采样周期，以差商代
32、替微商，那么上式变为 2对上式只取一阶近似，记为 3称；为t时刻对时刻的误差预报值。在对模糊控制规那么的解析描述式中，假设取a=05，那么控制规那么可写为 4比拟式(4)及(3)，不难看出，模糊控制规那么中隐含着一种预报控制的思想对式(2)取二阶近似，并引进加权系数可得 5其中为实数。作变换,并注意到 , 那么式(5)可写为-1+-2-3=0 6其中q-1为单位后移算子，显然，上式为一般自回归 (AR)模型(-1)=0 7的一种特殊形式，其中 8假设再进一步考虑控制量的作用及有色噪声的影响，那么有更一般的CARMA模型 9式中 10 11可以证明，按式(9)使预测误差方差为最小的预报值为 12
33、式中 + 13-1 +-1+ + 14且G及F满足Diophantine方程式(9)中的A，B，C均可在线计算确定，进而确定G及F，当参数估计收敛时，-1，因此对未知参数对象可直接按预报公式 16采用递推最小二乘算法进展在线辨识常规模糊自整定PID控制器的输入通常是过程当前与过程过去的输出测量值及设定值的偏差与偏差变化。本系统的控制器输入是利用预测模型预估出过程未来的输出值及设定值之间的偏差与偏差变化。模糊自整定PID控制器采用以偏差E及偏差变化EC为输入的模糊推理系统，E与EC来自预测模型的输出。再通过模糊控制器，对kp,k1与kD 3个参数进展在线调整，以满足在不同E与EC时对控制参数的不
34、同要求，使被控对象具有良好的动态与静态性能。3-1预测模糊控制算法框图预测模糊控制的根本流程图3-21)定时采样，获得采样值Y(n)，Y(n)2)用最小二乘估计的递推算法，求出系统参数A、B3)用A、B代替A、B，由Diophantine方程，算出F、G4)由式求出预报值Y(n+0)，并计算其偏差 5)划分的模糊状态等级，根据等级数，查模糊控制表，得到控制量u(n)=U(i) 将u(n)=u(n-1)+u(n)投入系统控制。其流程图见图3-2图3-2实现预测模糊控制的根本流程图第4章 聚合反响釜控制方案4.1预测模糊控制方案的选择由于反响釜反响机理较为复杂，外界条件：原料纯度、催化剂的类型、添
35、加数量的变化、循环水、热水温度、流量的变化等，对系统的影响较大，系统本身具有较大的时变性、非线性、时滞性。因此在选择控制方案时，应考虑选择智能控制策略，如模糊控制、自适应智能控制、专家控制、预测智能控制等，使得控制系统要到达很好的品质。以聚氨酯发泡胶粘剂的反响过程为例，首先是一次升温及加料(由上位釜加料)。升温到(802)时，进展二次加料，将温度恒定在(802)，反响釜进展放热过程，釜为常压运行，经过3小时恒温后冷却到常温。聚合反响生产过程的升温曲线见图4-1。恒温段是反映工艺的关键阶段，对于产品质量与产量有着重要的影响，所以提高恒温段的控制精度是提高产品质量的关键。图4-1聚氨酯发泡胶粘剂温
36、控曲线图为保证产品质量，对反响温度要进展严格控制。为此，选取冷却水流量为调解参数。被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁与釜中物料。引起温度变化的干扰因素有：进料方面有进料流量、进料入口温度与化学组成；冷却水方面有水的入口温度与阀前压力。当冷却水方面的参数发生变化，如：入 口温度突然升高时， 由经上述三个热容积后才能使反响温度升高，经反响后调节器输出变化，导致调节阀开场动作，从而使冷却水流量增加，迫使温度下降。这样，从干扰开场到调节阀动作，其间经历了比拟长的时间，在这段时间里冷却水温度的升高，使反响温度出现了较大的偏差。为了更好的抑制干扰，工业中聚合反响釜的温度控制一 般采用串级控制系统
37、，如图1所示，串级控制系统在构造上形成两个闭环，在主环内加一个闭环在里面称为副环，它的输出送往调节阀直接控制生产过程，加上副环的目的是为了保证被控对象(反响釜温度)的控制质量。图4-2中，T，为夹套内导热介质的温度，T为聚合釜内物料的温度。图4-2系统的构造图整个系统的控制目的是将聚氨酯发泡胶粘剂聚合反响釜的温度控制在(801)范围内，本方案采用预测模糊控制算法实现这个目的。4.2聚合反响釜温度控制流程图聚合反响釜温度控制的流程图，如图4-3图4-3聚合反响釜温度控制的流程图第5章 系统硬件设计与设备选型及调试反响釜的最大反响容积为5升，最高温度为300，超调量尽量小，温度控制精度10左右。温
38、度控制系统应能到达以下功能要求：1可以认为方便地设定所需控制的温度值，温度控制系统能自动将反响釜温度调整至设定值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能自动控制温度；2尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进展替换；3整套仪器可靠性好，不易出故障。控制系统原理组成如图5-1所示，采用热电偶测温，通过温度变送器，经ADC输入计算机。前置电路主要用来对温度传感器的微弱电信号实现放大、滤波等信号预处理。输出控制电路主要实现对单片机输出的模拟控制信号放大、隔离以及与执行元件的匹配等功能。执行元件主要实现冷热水阀门的开度控制。5-1系统控制原理图5.1温度控制器的选择控制器选择目
39、前市场上最流行的也是笔者最熟悉的atmel公司的AT89C51单片机。 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，及工业标准的MCS-51指令集与输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。5.2单片机的选择目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长
40、。一般来说，选择单片机需要考虑以下几个方面：1单片机的根本性能参数。例如指令执行速度，程序存储器容量，I/O引脚数量等。2单片机的增强功能。例如看门狗，多指针，双串口，RTC实时时钟，CAN接口，扩展RAM，EPROM等。3单片机的储存介质。对于程序存储器来说，Flash存储器与OTP一次性可编程存储器相比拟，最好是Flash存储器。4芯片的封装形式。如DIP双列直插封装，PLCCPLCC有对应插座封装及外表贴附等。DIP封装在搭建实验电路时会方便一些。5芯片工作温度范围符合工业级、军工级还是商业级。如果设计户外产品，必须选用工业级。6芯片的功耗。比方设计并口加密狗时，信号线取电只能提供几mA
41、的电流，选用PIC单片机就是因为它能满足低功耗的要求。7单片机的工作电压范围。8芯片保密性能好。9抗干扰性能好，价格低廉。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、低功耗与高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器256B的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，并且及80C51的引脚与指令系统完全兼容。片内置通用8位中央处理器与Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C51的40条引脚按功能来分，可分为3局部，电源时钟引脚、控制引脚与输入/输出引脚，AT89C51的主要性能及特点
42、如下:及MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器1000写/擦循环数据保存时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置与掉电模式片内振荡器与时钟电路5.3数据采集输入通道设计输入通道电路中主要包括热电偶与变送器组成的信号采集输送电路以及由A/ D转换器及相关元件组成的模块转换电路，如图5-2所示图5-2数据采集输入通道本系统测量范围较大，因此选用线性好、测温范围大的铂铑-铂10热电偶制成的装配式热电偶WRP-120进展温度测量。热电偶属于自发电型传感器，测量时不需要外加电源，
43、具有测温范围广等优点，因而在工业测量中应用广泛。热电偶提供的信号为“热电动势 ，它是至多不过几十毫伏的微小直流电动势，由接触电动势与温差电动势两种物理效应所组成。从热电偶的制造工艺上看主要有铠装式与隔爆式两种，系统选用铠装式热电偶。其具有良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性，并能制作得很细，有利于解决微笑、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。热电偶输出模拟信号采用集成运算放大器AD521进展信号放大，得到01.2V模拟电压，经3位半BCD码输出的双积分式A/D转换器5G14433转换为数字信号。5G14433是国产的3位半A/D转换器，是广为流行的最典型的双
44、积分A/D转换器。具有抗干扰性能好。转换精度高(相当于11位二进制数)，自自动校零，自动极性输出，自动量程控制信号输出，动动态字位扫描BCD码输出，单基准电压，外接元件少，价格低廉等特点。5G14433采用字位动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码轮流地在Q0Q3端输出，同时在QS1QS4端出现同步字位选通信号。5G14433的转换误差为1LSB，输入阻抗大于100M，模拟输入电压范围为01.999V或0199.9mV。片内提供时钟发生器，使用时只需外接一个电阻，也可采用外部输入时钟或晶振体振荡电路。片内的输出锁存器用来存放A/D转换结果，经多路开关输出多路选通脉冲信号DS1DS
45、4及BCD码数据Q0Q3。其转换速度教慢，为110次/秒。在不要求高速转换的场合，如温度控制系统中，被广泛采用。5G14433的国外原型产品是美国Motorola公司的MC14433，两者完全一样，可以互换使用。由于5G14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0Q3与DS1DS4均不是总线式的。因此，单片机只能通过I/O接口或扩展I/O接口及其相连，本系统5G14433直接及其P1口相连。由于双积分式A/D转换器具有消除高频干扰的作用，因此不必设计抗干扰电路。5.4输出控制电路设计反响釜温度的控制最终由输出控制电路来实现，这局部电路主要是来控制阀的开度以实现对温度的控制，如图5-
46、3所示。单片机经计算后得到控制量，由DSC0832输出控制信号送给控制板，控制板调节比例阀的开度，最终控制冷热水流量，进而调整釜内温度。DAC0832是美国国家半导体公司采用CMOS工艺生产的8位分辨率的A/D转换集成电路芯片。它具有及微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，因而得到了广泛的应用。由于其片内有输入数据存放器，故可以直接及单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。DACO832的主要技术指标如下：(1)分辨率8位；(2)电流建立时间1s;(3)数据输入可采用双缓冲、但缓冲或直通方式；(4)逻辑电平输入及TTL电平兼容；(5)单一电源供电+5+15V(6)低功耗，功率耗能20mW；(7)输入端电压25V。5-3输出控制电路5.5温度超限报警电路设计超限报警电路如图5-4所示5-4超限报警电路本系统采用比拟器LM311将集成运算放大器AD521放大后的电压信号及高精度电源5G1403输出的标准电压进展比拟，如果输出高电平，说明温度超限，因此将启动温度超限处理，同时点亮红