氨冷器被冷却介质出口温度-液位超驰控制系统的设计
摘要
氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。为了达到生产过程对控
制系统的要求，在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统，即温度-液位超驰
控制系统。该控制系统中需要用到温度及液位调节器，传统的调节器采用DDZ -Ⅲ型电
动组合仪表，而随着单片机在控制领 域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具有
更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果
本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能
化设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核
心控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图
以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。
关键词：超驰控制系统，A/D转化器， 89C51单片机，LCD 显示， PID
算法
THE INTELLIGENT DESIGN OF AMMONIA COOLER
OVERRIDE CONTROL SYSTEM BYTHE COOLING MEDIUM
OUTLET TEMPERATURE-FLUID POSITION
ABSTRACT
Ammonial main role is to make renewable liquid ammonia copper acetate for recycling. In order to achieve the production control system requirements, superposition a solution on the basis of simple temperature control system for super relaxation system, that is, temperature - level override control system. The need to control system of temperature and Liquid Level regulator regulator DDZ-Ⅲ type electric combination of traditional instruments, but with the wide application of Single Chip Computer in control field. This paper mainly AT89C51 microcontroller as the core, to override the intelligent design of control system with sensor technology, mainly studies the basic working principle, hardware circuit and software design, the hardware part includes the design module of AT89C51 MCU and its peripheral circuit of the core control; the software part includes the system flow chart and the structure design of the main program and each the function module of the program control program etc..
KEYWORDS: override control system, A/D converter, 89C51 MCU, LCD
display, PID algorithm
目录
摘要(中文) . ........................................................... I
摘要(外文) . ........................................................... I
1 绪论 . ............................................................... 1
1.1 研究背景及意义 .................................................. 1
1.1.1研究意义 . .................................................... 1
1.2主要研究内容 .................................................... 2
2 系统总体设计方案 . ................................................... 3
2.1 系统工作原理 .................................................... 3
2.2 总体设计方案 .................................................... 3
2.2.1 温度采集方案的选择 .......................................... 3
2.2.2 显示电路方案的选择 .......................................... 3
2.2.3 声光报警电路方案的选择 ...................................... 4
2.2.4 系统总体设计 ................................................ 4
3 系统的硬件电路设计 . ................................................. 5
3.1 核心控制模块的设计 .............................................. 5
3.1.1 AT89C51单片机简介 . .......................................... 5
3.1.2 AT89C51单片机最小系统 . ...................................... 7
3.2 A ∕D 和D ∕A 转换器 . .............................................. 8
3.2.1 ADC0809芯片 . ................................................ 9
3.2.2 DAC0832芯片 ............................................... 12
3.3执行模块的设计 ................................................. 15
3.4显示模块的设计 ................................................. 16
3.5 报警模块的设计 ................................................. 18
3.6 电源模块的设计 ................................................. 18
4 系统的软件设计 . .................................................... 19
4.1主程序的设计 ................................................... 19
4.1.1 T1中断模块 . ................................................ 20
4.2 IPD 算法的设计 . ................................................. 20
4.3 各功能模块子程序的设计 ......................................... 22
4.3.1 A/D转换子程序 . ............................................. 23
4.3.2 显示程序 ................................................... 24
4.3.3键盘子程序 . ................................................. 24
参考文献 . ............................................................ 27
附录1程序清单 . ...................................................... 28
致谢 . ................................................................ 35
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1研究意义
如今，随着工业的发展和能源供求的紧张，工程技术人员对于这些过去废弃不用的
余热加以重视，利用它来产生压力蒸汽，以此作为供热，供气，供电和动力的辅助能源，借以提高热能的总利用率，降低燃料消耗指标，降低电耗，借以获取经济效益，因此设
计一个优良的蒸汽热能回收换热器有着十分重大的意义。通过本次毕业设计对掌握电路
设计和89C51程序设计的思路与方法，掌握氨冷器控制系统的意义与运用，结合单片机
与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过
渡过程时间缩短，振荡次数减少控制，生产安全成为本系统研究的主要目的和意义
1.1.2 氨冷器温度-液位超驰控制系统概述
在合成氨生产过程中，采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳，吸
收是一个放热反应，吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸铜氨液温度高达80℃以上，为了使
醋酸铜氨液再生以便循环使用。其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却到
8～10℃，其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸铜
氨液的热量，使铜氨液的温度下降这一原理进行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的时
间，氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大，因此，当液氨高度超过最大的汽化面
积高度后，液位越高汽化面积越小，调节过程会出现反常现象，这是氨冷器调节的一个
重要特点。为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统的基础上叠加上
一个液位超驰调节系统。如图1-1所示。
氨
图1-1氨冷器温度-液位超驰控制系统
正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。增加液氨量，经液氨
的蒸发，使出口温度下降。如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度，由液位控制器取代温度控制器，根据液位控制进氨量，保护了后续设备，一旦温度下降，温度控制
器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就自动取代液位控制器，工
艺操作恢复到正常工况。
在该控制系统中，调节器既可安装在液氨管线上，也可安装在氨气管线上，调节阀
安装在氨气管线上对象迟后较小，反应比较灵敏，但缺点是需要用一个较大管径耐高压
的气体阀门，这种阀门成本比较高，而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多，所以调节阀一
般是安装在液氨管线上。
无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。对于处
于开环的调节器，其偏差长时间存在，如果有积分控制作用，其输出将进入深度饱和状
态。一旦选择器选中这个调节器工作，调节器因处于饱和状态而失去控制能力，只能等
到退出饱和以后才能正常工作。所以在超驰控制系统中，对有积分作用的调节器必须采
取抗积分饱和措施。而对于计算机在线运行的控制系统，只要利用计算机的逻辑判断功
能进行适时切换即可。
1. 2主要研究内容
本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能化
设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核心
控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图以
及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。
在本次毕业设计过程中，主要涉及到如下工作：
(1) 研究与分析PID 控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。
(2) 选择以单片机为核心的中央处理器。在设计的过程中，熟悉AT89C51单片机汇 编语言的设计流程和开发环境。同时对各功能模块进行软硬件的设计与实现。
(3) 在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写，
以及电路仿真和调试，最终实现显示、自动调节的功能。
(4) 在显示方面采用了LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。
LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。
2 系统总体设计方案
2.1 系统工作原理
在温控部分，用89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20采集温度信
号，ADC0809将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并进行PID
处理，然后经DAC0832输出模拟信号驱动电气转换器QZD-1000，继而控制液氨调节
阀，调节液氨的进出量，实现对温度的控制。
在液位控制部分，当液位低于最大汽化面积高度H max 时，液位变送器的输出信号经
A/D转换后送入单片机，单片机仅控制显示器显示此时的液位；当液位超过最大汽化面
积高度H max 时，单片机中的门限值判断程序会做出相应动作，此时切断温度调节程序，由液位调节程序取代，控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对液位的控制，不使
H 超过H max ，当H 信号低于H max 时，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。
在温度和液位超出限定值时，会进行声光报警。
2.2 总体设计方案
超驰控制系统的智能化设计的目的是实现温度液位的自动调节，维持温度在给定值
附近，系统安全运行。本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块、温度液位
采集模块、执行模块、报警模块等。
2.2.1 温度采集方案的选择
方案一：采用传统的热电阻传感器测量温度值，再将信号送入温度变送器，输出标
准电信号，经ADC0809转化为数字信号送入单片机。成本简单，但结构较复杂，涉及
多个元器件。
方案二：采用集成温度传感器DS18B20，DS18B20温度传感器是美国DALLAS 半
导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读
数方式。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，不需经过ADC 转换再送入单
片机中
综合各项因素，选择方案二。
2.2.2 显示电路方案的选择
方案一：显示电路采用4位共阳LED 数码管，从P3口RXD,TXD 串口输出段码。
显示电路是使用的串口显示，最大的优点就是使用口资源比较少，该显示电路只使用单
片机的3个端口P1.7，P3.0, P3.1。并配以4片串入并出移位寄存器74LS164（LED 驱动）四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。但结构为复杂。
方案二：采用LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专
门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富
等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为128*64的显示液
晶。其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。由该模块构成的液晶显示方案与
同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。
综合考虑，选用方案二。
2.2.3 声光报警电路方案的选择
方案一：采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。它是高电平报警，一旦
监测到温度、液位值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。
方案二：采用语音芯片，在超过上下限时能够通过语音进行报警，其人机交互友好，
但控制复杂，成本较高。
综合考虑，选用方案一。
2.2.4 系统总体设计 本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样，同时液位采集模块也对
氨冷器中液氨高度进行采样，将采集到的信号送到89C51单片机进行处理，当在正常工
况时，采用温度调节程序，最后单片机将处理过的数字信号通过D/A转换为模拟信号输
出，驱动电气转换器，将电流信号转化为标准气压信号，推动执行机构，控制液氨的进
入量，从而实现温度的调节；在液位超过最大汽化面积高度时，单片机自动转向液位调
节程序，使液位高度恢复正常值，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。另外，本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能。总体方案如图2-1。
图2-1总体设计方案框图
3 系统的硬件电路设计
3.1 核心控制模块的设计
3.1.1 AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM —Falsh
Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU 和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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机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。其管脚图如图3-1所示。
图3-1 AT89C51管脚图
1.主要特性：
.与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000写/擦循环
数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32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
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2 .引脚功能说明
(1) VCC 为电源电压，GND 为地。
(2) P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在FIash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
（3）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（4）P 2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（5）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。
P3口除了作为一般的I ／O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。如下所示：
口管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
（6）RST ：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
（7）ALE ／PROG ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE （地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 l ／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。
对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG ）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR ）区中的 8EH 单元的DO 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC 指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。
（8）PSEN 程序储存允许（PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN 信号不出现。
（9）EA ／VPP ：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H —FFFFH ），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。
如EA 端为高电平（接VCC 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源V PP ，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压V PP 。
（10）XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
（11）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
3.1.2 AT89C51单片机最小系统
89C51单片机有4KEPROM, 所以不需外扩EPROM ，所以我们将AT89C51芯片的第
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
31脚（EA /VPP）固定接高电平。单片机的时钟电路有一个12M 的晶振和两个30P 的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF 的电容和1K 的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF 电容和10K 电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF 的电容和1K 的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。 如图3-2所示。
图3-2 AT89C51最小系统电路图
3.2 A∕D 和D ∕A 转换器
液位变送器采集到的信号需经过A∕D转换送入单片机中进行处理，而由单片机处理过的数字信号，需经过D∕A转换送入执行机构，驱动调节阀调节液氨的流量。
本系统分别采用ADC0809和DAC0832作为模数转化器。它们都是较为通用的转换器，性能稳定。
3.2.1 ADC0809芯片
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。
1.内部结构
如图3-3所示
图3-3 内部结构图
由图3-3可看芯片主要是由一个8位A/D转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V ，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU 来取，取后由CPU 启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。
2.外部结构
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS 组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL 输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。如图3-4所示
图3-4 ADC0809引脚图
引脚结构：
ADC0809各脚功能如下：
◆ D7-D0 ：8位数字量输出引脚
◆ IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚
◆ VCC ：+5V 工作电压
◆ GND ：地
◆ REF （+）：参考电压正端
◆ REF （-）：参考电压负端
◆ START ：A/D转换启动信号输入端
◆ ALE ：地址锁存允许信号输入端
（START 和ALE 两种信号用于启动A/D转换，通常接在一起）
◆ EOC ：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
◆ OE ：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
◆ CLK ：时钟信号输入端（一般为 500KHz ）。
1. 地址输入和控制线：4条
ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A ，B ，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A ，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表3-1所示。
3． ADC0809应用说明
（1）． ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）． 初始化时，使ST 和OE 信号全为低电平。
（3）． 送要转换的哪一通道的地址到A ，B ，C 端口上。
（4）． 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。
（5）． 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。
（6）． 当EOC 变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ADC0809芯片与51单片机的连接电路如图3-5所示。
图3-5 ADC0809与AT89C51的连接
3.2.2 DAC0832芯片
DAC0832是美国资料公司研制的8位双缓冲器D/A转换器。芯片内带有资料锁存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，使用了COMS 电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用R-2RT 型电阻网络，对参考电流进行分流完成D/A转换。转换结果以一组差动电流I OUT1和I OUT2输出。
DAC0832主要性能参数：分辨率8位；转换时间1μs；参考电压±10V ；单电源+5V~+15V；功耗20mW 。1. 内部结构如图3-6所示。
图3-6内部结构图
DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE ；第二级锁存器称为DAC 寄存器，它的锁存信号为传输控制信号XFER 。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。
图3-12中LE 为高电平、CS 和WR 为低电平时，LE 1为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当WR 1由低变高时，LE 1为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说，XFER 和WR 2同时为低电平时，LE 2为高电平，DAC 寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当WR 2由低变高时，LE 2变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC 寄存器中。
2. 引脚结构
如图3-7所示
图3-7 引脚结构图
DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下：
◆
起作用。
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆ ILE ——允许锁存信号。 作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到WR 1——写信号1，——片选信号，和允许锁存信号ILE 组合来决定WR 1是否输入寄存器（此时WR 1必须和CS 、ILE 同时有效）。 WR 2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC ——传输控制信号，用来控制WR 2。 寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号XFER 必须有效）。 DI 7~DI0——8位数据输入端。 I OUT1——模拟电流输出端1。当DAC 寄存器中全为1时，输I OUT2——模拟电流输出端2。I OUT1+IOUT2=常数。 R FB ——反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，出电流最大，当DAC 寄存器中全为0时，输出电流为0。 所以，R FB 端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。
◆
◆
是+15V。
◆
◆ AGND ——模拟地，即模拟电路接地端。 DGND ——数字地，即数字电路接地端。 V REF ——参考电压输入端。可接电压范围为±10V 。外部标准V CC ——芯片供电电压端。范围为+5V~+15V，最佳工作状态电压通过V REF 与T 型电阻网络相连。
DAC0832与51单片机的连接图如图3-8所示。
图3-8
3.3执行模块的设计
本系统采用气动调节阀作为执行机构，这是由于气动调节阀能用于易燃易爆现场的优点，还不能被电动调节阀所取代。
气动调节阀由执行机构和调节机构（阀）两部分组装而成。气动调节阀有气开式与气关式两种形式。气开、气关的选择原则是：从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。如果控制信号中断时，阀处于打开位置危害性小，则应选用气关式调节阀：反之，若调节阀处于关闭位置时危害性小，则应选用气开阀。根据本系统工艺，我们采用气开型。
为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须使用电/气转换器把调节器输出的标准电流信号转换为20～100KPa 的标准气压信号。因此，电/气转换器的作用就是将电信号转换为气信号。本系统中采用QZD-1000电气转换器。
QZD1000系列产品有QZD-1001、QZD-1000、QZD-1000B 、QZD-1001i ，QZD1000系列电气转换器是工业自动化仪表中电动和电动仪表之间的信号转化元件。用以将电动调节仪表输出的电流信号4-20mA 或0-10mA ，经转换器成比例的转化成20～100KPa 气动模拟信号，产品广泛应用于石化、电力、冶金等工业部门的自控系统中。
技术参数：
◆ 输入信号：4～20mA （标准），0～10mA （变型产品）
◆ 输出压力：0.02～0.1MPa （0.2～1㎏/cm2）气源压力：0.14MPa （1.4㎏/ cm2）
◆ 气源压力：0.14MPa （1.4㎏/ cm2）
◆ 输入阻抗：300Ω±10Ω[ 4～20mA 时]； 1000Ω±30Ω [0～10mA 时] ◆ 环境温度：-25～+55℃（一般型）；-25～+40℃（防爆型）
◆ 相对湿度：5～95%
◆ 防爆型式：Exd ⅡBT6 隔爆型（用“d"表示，老标志用“B"表示）；Exia ⅡCT6 本质安全型（用“i"表示，老标志用“A"表示）
◆ 气源接口：螺纹M10×1 配管Φ6×1
◆ 信号接口：M22×1.5（G 1/2）
◆ 基本误差：≤±1%（输出压力范围的百分数表示）
◆ 回 差：≤1%（输出压力范围的百分数表示）
◆ 死 区：小于基本误差限绝对值的1/5
◆ 耗 气 量：小于1000L/h（标准情况下耗气量）
◆ 传送时间：≤4秒（管径Φ4，长为60m 时）
◆ 绝缘电阻：不小于20MΩ
◆ 外壳材料：压铸铝合金、表面喷塑处理
◆ 外形尺寸：203×160×105（长×宽×高）
◆ 重 量：2.1㎏
3.4显示模块的设计
本设计中采用了LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为128*64的显示液晶。其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。图3-9是它与系统单片机连接的原理图。
图3-9 显示连接原理图
表3-2为液晶显示模块管脚排列和功能。
3.5 报警模块的设计
工业现场需要有对温度、液位超限的检测报警功能，并能通过声、光发出报警警示，
所以我们用到一个报警电路。本设计采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。
报警器在整个系统中也起着非常重要的作用，它是高电平报警，一旦监测到温度和液位
值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。为了加大报警声音的响度，还需在
电路中加上一个三极管作驱动。另外还使用了高亮、大功率的发光二极管作光报警。采
用的高亮发光二极管的优点表现在：尺寸小，体积小；不存在热辐射；低电压，低电流
启动，耗电少；反应速度快，可用于高频场合；使用寿命长；有利于环保；容易开发成
轻薄短小产品。其系统电路图如图3-10所示。
图3-10 报警电路图
3.6 电源模块的设计
本设计用到两个电压 +5v 和+24v，可以经220v 变压和7805稳压芯片提供，如图
3-11所示。
图3-11 电源设计电路
4 系统的软件设计
本设计软件所要实现的功能：实时控制液氨调节阀；实时检测是否超温度液位出上
下限；低选；实时显示检测的数据、上下限数值；实时监控键盘输入；报警控制。
4.1主程序的设计
本系统各功能模块子程序主要包括：温度处理程序、A/D转换程序、液位处理程序、
低选、D/A转化程序、显示程序、温度液位设定程序。主程序完成整个系统的初始化工
作，包括堆栈设置及有关标志，内存地址单元分配，暂存单元和动态显示缓冲区数据清
零等，主程序还需要调用T0中断程序。主程序软件流程图如图4-1所示。
图4-1 主程序软件流程图
4.1.1 T1中断模块
T0中断程序主要完成整个系统的温度液位控制工作，包括A/D转换，报警处理，调用PID 子程序，D/A转换等。T1中断模块的程序流程图如图4-2所示。
图4-2 T1中断服务子程序流程图
4.2 IPD 算法的设计
氨冷器这样的设备可以选择积分外反馈型的比例积分调节器，在一个控制系统中至少由被控对象、测量变送器、控制器及执行器等部分组成。由于外界的各种扰动不断产生，被控对象在各种扰动作用下，使得被控信号偏离给定值SV ，要想达到被控信号的恒定值，首先由变送器对被测值进行检测，感受被控信号的变化并将它转换成电流信号，
然后控制器将变送器送来的测量信号与设定值信号进行比较得出偏差(en)；根据偏差的大小及变化趋势，按一定的控制规律进行运算后，将运算结果用标准的电流信号送给执行器，最后执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出) 被控对象的液氨量，克服扰动的影响，最终实现PID 控制要求。
1. 基本的PID 控制方法
PID 调节规律是连续模拟系统理论中技术成熟，应用广泛的一种控制方法：
y (t ) =K p [e (t ) +1
T l ⎰10e (t ) dt +T D de (t ) ]dt （1）
其中，y(t)-----
控制器的积分系数；
控制器的微分系数。
由于积分量的带入，使得被控量具有历史保持功能，也就是说，它能够“记住”以前的状态，在静 差为0的时候，输出仍旧保持不变，这样就消除了静差。微分量的引入，改善了单纯积分所带来的响应速度过慢的毛病，使系统能够迅速得到稳定。
2. PID控制方法的核心算法
在计算机控制系统中，使用的是数字PID 控制器。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此式（1）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。
将上述微分方程式离散化为差分方程，为此可作如下近似：
⎰e (t ) dt ≈∑Te (j )
j =0k
（2）
de (t ) e (k ) -e (k -1) ≈dt T
（3）
式中为T 采样周期，K 为采样序号，K=0，1，2
，3…….
时的偏差
将式（2）和式（3）带入式（1）可得差分方程：
y (k ) =K P e (k ) +K l ∑e (j ) +K D [e (k ) -e (k -1)]
j =0k （4）
为第k k 次采样时刻输入都偏
T 为采样周期。采样周期足够小，这种近似可相当准确，让计算机控制过程与连续控制过程就十分接近。
另外，为改善PID 控制的动态特性，人们提出了多种改进的数字PID 控制算法，如积分分离PID 控制算法、遇 限削弱积分PID 控制算法、不完全微分PID 控制算法。对于不同的被控对象只要适当地整定PID 的三个参数，就可以获得满意的控制效果，实际上它是对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷。
图4-3 增量型PID 算法的程序流程图
4.3 各功能模块子程序的设计
本设计在软件方面采用了模块化的设计思想，主程序主要调用了4个子程序，分别是A/D转换程序、显示程序、键盘子程序。此外，还有报警电路子程序。各主要模块功
能如下：
1. A/D转换程序读取ADC 送入单片机的模拟量电压信号，并换算为相对应的液位信号。
2. 显示程序：向LCD 送数据显示，控制系统的显示部分。
3. 键盘子程序：实现按键输入预设温度值。
4.3.1 A /D 转换子程序
A/D转换子程序的作用是将开发板的A/D进行初始化，然后将从传感器采集的模拟电信号转换为数字电信号送入单片机的过程。首先选一个I/O口的一个通道，读入的电压值是与液位具有线性关系的数据，该值送入该口，经线性运算后得出液位数据，延时后，A/D转换子程序结束。如图4-6所示。
图4-4 A/D转化子程序流程图
4.3.2 显示程序
本设计采用的是液晶12864来显示相关参数, 其流程图如图4-7所示。
图4-5 液晶显示服务子程序流程图
4.3.3键盘子程序
键盘扫描程序的作用是读得用户自行设定的温度值，即取得预设温度值。
本设计使用的键盘为独立式式，该键盘的特点是各键相互独立，每个按键的“接地端”均接地，每个按键的“测试端各接一根输入线，一根输入线上的工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。本设计中键盘的按键直接与单片机相连，包括按键查询、键功能程序转移，作用是切换液晶显示界面，设定或更改控制参数。如图4-8所示
图4-6键盘子程序流程图
总结
在此次设计过程当中，首先对氨冷器温度-液位超驰控制系统进行了概述，分析了智能化设计的背景和意义，其次又对它分别进行了总体方案设计、硬件设计、软件设计以及对它的编程调试，最后再把它进行进一步的完善。
在本设计当中，我采取的是先从硬件开始，在每个星期我都会完成自己的一个硬件设计，其中分别有处理器：AT89C51；A/D转换部分：ADC0809；D/A转换部分：DAC0832;LCD 显示部分:LCD12864；报警模块；电源模块等等，在历时六七个星期的时间里，我基本完成了这些模块的设计，并将它们整体化，进而实现设计的要求。相对而言，在整个零件的设计中，只有处理器要好好设计把握，在设计的时候，我参考了很多文献和资料，因为本次设计的核心就在单片机身上。
本次设计主要是在自己本身对单片机的了解基础上加以深入，并结合自动化仪表技术、传感器技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术等，涉及温度、液位、压力等热工参数来运用自动控制理论，利用单片机及其接口技术及汇编语言等实习工业模拟控制。
几个月来，在老师和同学的帮助下我终于完成了本次设计。作为大学里最后一次设计，我做的很用心，我希望不会留有遗憾，而且我也学到了很多知识，比如单片机的工作原理，LED 显示屏与单片机的连接方式，A/D转换的工作原理等等，这些都会在我以后的生活工作中带给我很大的帮助，我一定会好好珍惜这次设计！。
参考文献
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附录1程序清单
初始化程序
S1OK EQU 5FH 单片机进行初始化，规定入口地址
TEMPUTER EQU 39H
TEMPH EQU 5EH
TEMPL EQU 5DH
MS50 EQU 5CH
SIGN EQU 5BH
S1 BIT P1.0
S2 BIT P1.1
S3 BIT P1.2
S4 BIT P1.3
主程序
ORG 0000H
LJMP MAIN
………..
ORG 000BH
MAIN: MOV DPTR，#4FFFH
MOV A ，80H
MOVX @DPTR，A
MOV 28H，#0C0H
LP: MOV DPTR，#2FF0H
MOV 29H，#00H
LCALL TEMP
LCALL AD
LCALL DX
LCALL PID
LCALL LCD
MOV DPTR，#2FF1H
MOV 29H，#01H
LCALL TEMP 对P1口进行初始化 主程序入口地址 循环 DPTR 指针指向LP
LCALL AD
LCALL DX
LCALL LCD
SJMP LP
温度总子程序
TEMP: ACALL INIT_1820 调用中断
ACALL RE_CONFIG
ACALL GET_TEMPER
ACALL TEMPER_COV
RET
DS18B20初始化程序
INIT_1820
SETB P1.6
NOP
CLR P1.6
MOV R0,#06BH
MOV R1,#03H
TSR1:
DJNZ R0,TSR1
MOV R0,#6BH
DJNZ R1,TSR1
SETB P2.0
NOP
NOP
NOP
MOV R0,#25H
TSR2:
JNB P2.0,TSR3
DJNZ R0,TSR2
LJMP TSR4
TSR3:
SETB 20H.1
LJMP TSR5
TSR4:
CLR 20H.1
LJMP TSR7
TSR5:
MOV R0,#06BH
MOV R1,#03H
TSR6:DJNZ R0,TSR6
MOV R0,#6BH
DJNZ R1,TSR6
TSR7:SETB P2.0
RET
读DS18B20的程序, 从DS18B20中读出两个字节的温度数据
READ_18200:
MOV R4,#2 将温度高位和低位从DS18B20中读出
RE00:MOV R2,#8
RE01:CLR C
SETB P2.0
NOP
NOP
CLR P2.0
NOP
NOP
NOP
SETB P2.0
NOP
NOP
MOV C,P2.0
MOV R3,#35
RE20:
DJNZ R3,RE20
RRC A
DJNZ R2,RE01
MOV @R1,A
DEC R1
DJNZ R4,RE00
RET 将从DS18B20中读出的温度数据进行转换 PID 算法子程序
PID: MOV R5,#00H 设定PID 参数
MOV R4,2DH
MOV R3,#00H
MOV R2,#08H
LCALL CPL1
LCALL DSUM
MOV R0,#5AH
MOV R5,#05H
MOV R4,#1CH
LCALL MULT
MOV 31H,5BH
MOV 32H,5AH
MOV R5,31H
MOV R4,32H
MOV R3,2AH
MOV R2,#00H
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV 39H,R7
MOV 3AH,R6
MOV R5,35H
MOV R4,36H
MOV R0,#4AH
ACALL MULT1
MOV R5,39H
MOV R4,3AH
MOV R3,3BH
MOV R2,3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUB
MOV R5,33H
MOV R4,34H 增量式PID 算法 初始化 调用CPL1子程序 调用DSUM 子程 调用MULT 子程
MOV R0,#46H 把46H 送R0寄存器
ACALL MULT1 调用MULT 子程
MOV R5,49H
MOV R4,48H
MOV R3,4DH
MOV R2,4CH
ACALL DSUM
MOV 4AH,R7
MOV 4BH,R6
MOV R5,39H
MOV R4,3AH
MOV R3,3DH
MOV R2,3EH
ACALL DSUM
MOV A，R7
MOV R5，A
MOV A，R6
MOV R4，A
MOV R3,3BH
MOV R2,3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV A，R7
MOV R5，A
MOV A，R6
MOV R4，A
MOV R3，3BH
MOV R2，3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV R5,37H
MOV R4,38H
MOV R0,#46H
ACALL MULT1 调用DSUM 子程 调用CPL1 子程 调用DSUM 子程
MOV R5,49H
MOV R4,48H
MOV R3,4AH
MOV R2,4BH
ACALL DSUM
MOV A,R7
MOV R3，A
MOV A,R6
MOV R2，A
MOV R5,2FH
MOV R4,30H
ACALL DSUM
MOV 2FH,R7
MOV 30H,R6
MOV 29H，2FH
MOV 3DH,3BH
MOV 3EH,3CH
MOV 3BH,39H
MOV 3CH,3AH
MOV A，31H
CJNE A，2AH ，AA2
液位采集与计算子程序
在此，液位采集是通过P3.2脚查询EOC 输出的方法，当EOC=1时A/D转化完毕。液位转换子程序如下。
AD ：MOVX @DPTR，A
LP1：JNB P3.2，LP1 判断P3.2是否等于1
MOVX A ，@DPTR
COMP ：MOVB ，#XXH
MUL AB
MOV A，#YYH
CLRC
SUBB A ，B 带借位减法指令
CJNE A， #060H， COMP1 条件转移指令
COMP1：JCCOMP4
CJNE A ， #065H，COMP2
COMP2：JCCOMP3
COMP4：MOV2AH ，#0FH
MOV2BH ，#0FH
MOV2CH ，#0FH
COMP3：RET A/D转化完毕
DAC 转换子程序
DAC0832
MOV BX,100H
MOV AL,[BX]
MOV DX,PORTA
OUT DX,AL
显示子程序
RS EQU P2.1
RW EQU P2.2
E EQU P2.3
CS1 EQU P2.4
CS2 EQU P2.5
RST EQU P2.6
LED- EQU P2.7
START:
ORG 0000H
MOV SP,#60H
LJMP DISP 实现一次D/A转换，可以采用下面程序段。设定要转换的数据放在1000H 单元中 接口定义，接在AT89C51的P2口 主程序入口地址
致谢
这篇论文是在我的导师刘淮霞教授的多次指导下完成的。从论文的选题到结构安排，从内容到文字润饰，都凝聚了他大量的心血。在这篇论文的写作过程中，刘淮霞老师不辞辛劳，多次与我就论文中许多核心问题作深入细致地探讨，给我提出切实可行的指导性建议，并细心全面地修改了我的论文。李老师这种一丝不苟的负责精神，使我深受感动。在此谨向刘老师致以诚挚的谢意！
敲完最后一个字符，重新从头细细阅读早已不陌生的文字，我感触颇多。虽然其中没有什么值得特别炫耀的成果，但对我而言，是宝贵的。它是无数教诲、关爱和帮助的结果。
谨向所有指导过、帮助过我的老师和同学表示最真挚的感谢！
氨冷器被冷却介质出口温度-液位超驰控制系统的设计
摘要
氨冷器主要的作用是为了使醋酸铜氨液再生以便循环使用。为了达到生产过程对控
制系统的要求，在简单温度控制系统基础上叠加一个液位超驰系统，即温度-液位超驰
控制系统。该控制系统中需要用到温度及液位调节器，传统的调节器采用DDZ -Ⅲ型电
动组合仪表，而随着单片机在控制领 域广泛应用, 利用计算机软件实现控制算法, 具有
更大的灵活性、可靠性和更好的控制效果
本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能
化设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核
心控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图
以及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。
关键词：超驰控制系统，A/D转化器， 89C51单片机，LCD 显示， PID
算法
THE INTELLIGENT DESIGN OF AMMONIA COOLER
OVERRIDE CONTROL SYSTEM BYTHE COOLING MEDIUM
OUTLET TEMPERATURE-FLUID POSITION
ABSTRACT
Ammonial main role is to make renewable liquid ammonia copper acetate for recycling. In order to achieve the production control system requirements, superposition a solution on the basis of simple temperature control system for super relaxation system, that is, temperature - level override control system. The need to control system of temperature and Liquid Level regulator regulator DDZ-Ⅲ type electric combination of traditional instruments, but with the wide application of Single Chip Computer in control field. This paper mainly AT89C51 microcontroller as the core, to override the intelligent design of control system with sensor technology, mainly studies the basic working principle, hardware circuit and software design, the hardware part includes the design module of AT89C51 MCU and its peripheral circuit of the core control; the software part includes the system flow chart and the structure design of the main program and each the function module of the program control program etc..
KEYWORDS: override control system, A/D converter, 89C51 MCU, LCD
display, PID algorithm
目录
摘要(中文) . ........................................................... I
摘要(外文) . ........................................................... I
1 绪论 . ............................................................... 1
1.1 研究背景及意义 .................................................. 1
1.1.1研究意义 . .................................................... 1
1.2主要研究内容 .................................................... 2
2 系统总体设计方案 . ................................................... 3
2.1 系统工作原理 .................................................... 3
2.2 总体设计方案 .................................................... 3
2.2.1 温度采集方案的选择 .......................................... 3
2.2.2 显示电路方案的选择 .......................................... 3
2.2.3 声光报警电路方案的选择 ...................................... 4
2.2.4 系统总体设计 ................................................ 4
3 系统的硬件电路设计 . ................................................. 5
3.1 核心控制模块的设计 .............................................. 5
3.1.1 AT89C51单片机简介 . .......................................... 5
3.1.2 AT89C51单片机最小系统 . ...................................... 7
3.2 A ∕D 和D ∕A 转换器 . .............................................. 8
3.2.1 ADC0809芯片 . ................................................ 9
3.2.2 DAC0832芯片 ............................................... 12
3.3执行模块的设计 ................................................. 15
3.4显示模块的设计 ................................................. 16
3.5 报警模块的设计 ................................................. 18
3.6 电源模块的设计 ................................................. 18
4 系统的软件设计 . .................................................... 19
4.1主程序的设计 ................................................... 19
4.1.1 T1中断模块 . ................................................ 20
4.2 IPD 算法的设计 . ................................................. 20
4.3 各功能模块子程序的设计 ......................................... 22
4.3.1 A/D转换子程序 . ............................................. 23
4.3.2 显示程序 ................................................... 24
4.3.3键盘子程序 . ................................................. 24
参考文献 . ............................................................ 27
附录1程序清单 . ...................................................... 28
致谢 . ................................................................ 35
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1研究意义
如今，随着工业的发展和能源供求的紧张，工程技术人员对于这些过去废弃不用的
余热加以重视，利用它来产生压力蒸汽，以此作为供热，供气，供电和动力的辅助能源，借以提高热能的总利用率，降低燃料消耗指标，降低电耗，借以获取经济效益，因此设
计一个优良的蒸汽热能回收换热器有着十分重大的意义。通过本次毕业设计对掌握电路
设计和89C51程序设计的思路与方法，掌握氨冷器控制系统的意义与运用，结合单片机
与传感器技术对温度及液位进行检测和控制以使系统的响应速度加快，超调量减少，过
渡过程时间缩短，振荡次数减少控制，生产安全成为本系统研究的主要目的和意义
1.1.2 氨冷器温度-液位超驰控制系统概述
在合成氨生产过程中，采用醋酸铜氨液吸收变化气体中的一氧化碳和二氧化碳，吸
收是一个放热反应，吸收一氧化碳与二氧化碳的醋酸铜氨液温度高达80℃以上，为了使
醋酸铜氨液再生以便循环使用。其关键性的一个步骤就是将饱和的醋酸铜氨液冷却到
8～10℃，其冷却过程主要是借助于氨冷器来实现的，氨冷器是依靠液氨汽化吸收醋酸铜
氨液的热量，使铜氨液的温度下降这一原理进行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的时
间，氨冷器在某一个液位高度上汽化面积为最大，因此，当液氨高度超过最大的汽化面
积高度后，液位越高汽化面积越小，调节过程会出现反常现象，这是氨冷器调节的一个
重要特点。为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统的基础上叠加上
一个液位超驰调节系统。如图1-1所示。
氨
图1-1氨冷器温度-液位超驰控制系统
正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。增加液氨量，经液氨
的蒸发，使出口温度下降。如果液位上升到软限液位设定仍不能降低温度，由液位控制器取代温度控制器，根据液位控制进氨量，保护了后续设备，一旦温度下降，温度控制
器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就自动取代液位控制器，工
艺操作恢复到正常工况。
在该控制系统中，调节器既可安装在液氨管线上，也可安装在氨气管线上，调节阀
安装在氨气管线上对象迟后较小，反应比较灵敏，但缺点是需要用一个较大管径耐高压
的气体阀门，这种阀门成本比较高，而且受氨气的腐蚀比液氨严重得多，所以调节阀一
般是安装在液氨管线上。
无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有调节器处于开环待命状态。对于处
于开环的调节器，其偏差长时间存在，如果有积分控制作用，其输出将进入深度饱和状
态。一旦选择器选中这个调节器工作，调节器因处于饱和状态而失去控制能力，只能等
到退出饱和以后才能正常工作。所以在超驰控制系统中，对有积分作用的调节器必须采
取抗积分饱和措施。而对于计算机在线运行的控制系统，只要利用计算机的逻辑判断功
能进行适时切换即可。
1. 2主要研究内容
本文主要以AT89C51单片机为核心，结合传感器技术来实现超驰控制系统的智能化
设计，主要研究其基本工作原理，硬件电路设计以及软件设计，其中硬件部分包括核心
控制模块AT89C51单片机及其外围电路的设计；软件部分包括系统程序控制流程图以
及主程序及各功能模块程序的结构设计等内容。
在本次毕业设计过程中，主要涉及到如下工作：
(1) 研究与分析PID 控制理论的发展现状，并提出本设计的最终方案。
(2) 选择以单片机为核心的中央处理器。在设计的过程中，熟悉AT89C51单片机汇 编语言的设计流程和开发环境。同时对各功能模块进行软硬件的设计与实现。
(3) 在学习单片机的基础上，完成硬件电路各个功能模块的设计和软件程序的编写，
以及电路仿真和调试，最终实现显示、自动调节的功能。
(4) 在显示方面采用了LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。
LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。
2 系统总体设计方案
2.1 系统工作原理
在温控部分，用89C51单片机为中央处理器，通过温度传感器DS18B20采集温度信
号，ADC0809将采集到的温度信号传输给单片机，再由单片机控制显示器，并进行PID
处理，然后经DAC0832输出模拟信号驱动电气转换器QZD-1000，继而控制液氨调节
阀，调节液氨的进出量，实现对温度的控制。
在液位控制部分，当液位低于最大汽化面积高度H max 时，液位变送器的输出信号经
A/D转换后送入单片机，单片机仅控制显示器显示此时的液位；当液位超过最大汽化面
积高度H max 时，单片机中的门限值判断程序会做出相应动作，此时切断温度调节程序，由液位调节程序取代，控制液氨调节阀，调节液氨的进出量，实现对液位的控制，不使
H 超过H max ，当H 信号低于H max 时，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。
在温度和液位超出限定值时，会进行声光报警。
2.2 总体设计方案
超驰控制系统的智能化设计的目的是实现温度液位的自动调节，维持温度在给定值
附近，系统安全运行。本设计的基本系统构成主要包括单片机核心控制模块、温度液位
采集模块、执行模块、报警模块等。
2.2.1 温度采集方案的选择
方案一：采用传统的热电阻传感器测量温度值，再将信号送入温度变送器，输出标
准电信号，经ADC0809转化为数字信号送入单片机。成本简单，但结构较复杂，涉及
多个元器件。
方案二：采用集成温度传感器DS18B20，DS18B20温度传感器是美国DALLAS 半
导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读
数方式。独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信，不需经过ADC 转换再送入单
片机中
综合各项因素，选择方案二。
2.2.2 显示电路方案的选择
方案一：显示电路采用4位共阳LED 数码管，从P3口RXD,TXD 串口输出段码。
显示电路是使用的串口显示，最大的优点就是使用口资源比较少，该显示电路只使用单
片机的3个端口P1.7，P3.0, P3.1。并配以4片串入并出移位寄存器74LS164（LED 驱动）四只数码管采用74LS164右移寄存器驱动，显示比较清晰。但结构为复杂。
方案二：采用LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专
门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富
等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为128*64的显示液
晶。其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。由该模块构成的液晶显示方案与
同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。
综合考虑，选用方案二。
2.2.3 声光报警电路方案的选择
方案一：采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。它是高电平报警，一旦
监测到温度、液位值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。
方案二：采用语音芯片，在超过上下限时能够通过语音进行报警，其人机交互友好，
但控制复杂，成本较高。
综合考虑，选用方案一。
2.2.4 系统总体设计 本系统通过温度采集模块对氨冷器出口温度信号进行采样，同时液位采集模块也对
氨冷器中液氨高度进行采样，将采集到的信号送到89C51单片机进行处理，当在正常工
况时，采用温度调节程序，最后单片机将处理过的数字信号通过D/A转换为模拟信号输
出，驱动电气转换器，将电流信号转化为标准气压信号，推动执行机构，控制液氨的进
入量，从而实现温度的调节；在液位超过最大汽化面积高度时，单片机自动转向液位调
节程序，使液位高度恢复正常值，又重新由温度调节程序对液氨调节阀进行控制。另外，本设计实现了当前温度值和液位值超限的报警等功能。总体方案如图2-1。
图2-1总体设计方案框图
3 系统的硬件电路设计
3.1 核心控制模块的设计
3.1.1 AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM —Falsh
Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU 和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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机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。其管脚图如图3-1所示。
图3-1 AT89C51管脚图
1.主要特性：
.与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000写/擦循环
数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32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
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2 .引脚功能说明
(1) VCC 为电源电压，GND 为地。
(2) P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在FIash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
（3）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
（4）P 2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（5）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。
P3口除了作为一般的I ／O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。如下所示：
口管脚 备选功能
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
（6）RST ：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
（7）ALE ／PROG ：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE （地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 l ／6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。
对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG ）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR ）区中的 8EH 单元的DO 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC 指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。
（8）PSEN 程序储存允许（PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN 信号不出现。
（9）EA ／VPP ：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H —FFFFH ），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA 端状态。
如EA 端为高电平（接VCC 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源V PP ，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压V PP 。
（10）XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
（11）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
3.1.2 AT89C51单片机最小系统
89C51单片机有4KEPROM, 所以不需外扩EPROM ，所以我们将AT89C51芯片的第
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
31脚（EA /VPP）固定接高电平。单片机的时钟电路有一个12M 的晶振和两个30P 的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF 的电容和1K 的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF 电容和10K 电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF 的电容和1K 的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。 如图3-2所示。
图3-2 AT89C51最小系统电路图
3.2 A∕D 和D ∕A 转换器
液位变送器采集到的信号需经过A∕D转换送入单片机中进行处理，而由单片机处理过的数字信号，需经过D∕A转换送入执行机构，驱动调节阀调节液氨的流量。
本系统分别采用ADC0809和DAC0832作为模数转化器。它们都是较为通用的转换器，性能稳定。
3.2.1 ADC0809芯片
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS 工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。它具有高速、高精度、温度依赖度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。
1.内部结构
如图3-3所示
图3-3 内部结构图
由图3-3可看芯片主要是由一个8位A/D转换器、8路模拟输入选通开关、地址锁存及译码电路工作和三态数据输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V ，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
为实现8路模拟通道能有条不紊地工作，首先通过地址译码锁存器选通所要开通的8路模拟通道中的一路开关，将模拟信号送入A/D转换器中实现A/D的转换，转换后的数据放到三态数据锁存器中等待CPU 来取，取后由CPU 启动新一次的地址译码，重复以上完成新一次的A/D转换。ADC0809芯片提供了高转换速度、高精密度、环境影响小和低功耗等优点，被广泛应用于各种控制领域。
2.外部结构
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS 组件，其转换方法为逐次逼近型。在A/D转换器内部含有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带有模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次逼近型寄存器。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。由于多路开关的地址输入部分能够进行锁存和译码，而且三态TTL 输出也可以锁存，所以它易于与微型计算机接口。如图3-4所示
图3-4 ADC0809引脚图
引脚结构：
ADC0809各脚功能如下：
◆ D7-D0 ：8位数字量输出引脚
◆ IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚
◆ VCC ：+5V 工作电压
◆ GND ：地
◆ REF （+）：参考电压正端
◆ REF （-）：参考电压负端
◆ START ：A/D转换启动信号输入端
◆ ALE ：地址锁存允许信号输入端
（START 和ALE 两种信号用于启动A/D转换，通常接在一起）
◆ EOC ：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
◆ OE ：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
◆ CLK ：时钟信号输入端（一般为 500KHz ）。
1. 地址输入和控制线：4条
ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A ，B ，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。
A ，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表3-1所示。
3． ADC0809应用说明
（1）． ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。
（2）． 初始化时，使ST 和OE 信号全为低电平。
（3）． 送要转换的哪一通道的地址到A ，B ，C 端口上。
（4）． 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。
（5）． 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。
（6）． 当EOC 变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。ADC0809芯片与51单片机的连接电路如图3-5所示。
图3-5 ADC0809与AT89C51的连接
3.2.2 DAC0832芯片
DAC0832是美国资料公司研制的8位双缓冲器D/A转换器。芯片内带有资料锁存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度跟随性，使用了COMS 电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误差。芯片采用R-2RT 型电阻网络，对参考电流进行分流完成D/A转换。转换结果以一组差动电流I OUT1和I OUT2输出。
DAC0832主要性能参数：分辨率8位；转换时间1μs；参考电压±10V ；单电源+5V~+15V；功耗20mW 。1. 内部结构如图3-6所示。
图3-6内部结构图
DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE ；第二级锁存器称为DAC 寄存器，它的锁存信号为传输控制信号XFER 。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。
图3-12中LE 为高电平、CS 和WR 为低电平时，LE 1为高电平，输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当WR 1由低变高时，LE 1为低电平，资料被锁存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说，XFER 和WR 2同时为低电平时，LE 2为高电平，DAC 寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当WR 2由低变高时，LE 2变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到DAC 寄存器中。
2. 引脚结构
如图3-7所示
图3-7 引脚结构图
DAC0832是20引脚的双列直插式芯片。各引脚的特性如下：
◆
起作用。
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆
◆ ILE ——允许锁存信号。 作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到WR 1——写信号1，——片选信号，和允许锁存信号ILE 组合来决定WR 1是否输入寄存器（此时WR 1必须和CS 、ILE 同时有效）。 WR 2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC ——传输控制信号，用来控制WR 2。 寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号XFER 必须有效）。 DI 7~DI0——8位数据输入端。 I OUT1——模拟电流输出端1。当DAC 寄存器中全为1时，输I OUT2——模拟电流输出端2。I OUT1+IOUT2=常数。 R FB ——反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，出电流最大，当DAC 寄存器中全为0时，输出电流为0。 所以，R FB 端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。
◆
◆
是+15V。
◆
◆ AGND ——模拟地，即模拟电路接地端。 DGND ——数字地，即数字电路接地端。 V REF ——参考电压输入端。可接电压范围为±10V 。外部标准V CC ——芯片供电电压端。范围为+5V~+15V，最佳工作状态电压通过V REF 与T 型电阻网络相连。
DAC0832与51单片机的连接图如图3-8所示。
图3-8
3.3执行模块的设计
本系统采用气动调节阀作为执行机构，这是由于气动调节阀能用于易燃易爆现场的优点，还不能被电动调节阀所取代。
气动调节阀由执行机构和调节机构（阀）两部分组装而成。气动调节阀有气开式与气关式两种形式。气开、气关的选择原则是：从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。如果控制信号中断时，阀处于打开位置危害性小，则应选用气关式调节阀：反之，若调节阀处于关闭位置时危害性小，则应选用气开阀。根据本系统工艺，我们采用气开型。
为了使气动调节阀能够接收电动调节器的输出信号，必须使用电/气转换器把调节器输出的标准电流信号转换为20～100KPa 的标准气压信号。因此，电/气转换器的作用就是将电信号转换为气信号。本系统中采用QZD-1000电气转换器。
QZD1000系列产品有QZD-1001、QZD-1000、QZD-1000B 、QZD-1001i ，QZD1000系列电气转换器是工业自动化仪表中电动和电动仪表之间的信号转化元件。用以将电动调节仪表输出的电流信号4-20mA 或0-10mA ，经转换器成比例的转化成20～100KPa 气动模拟信号，产品广泛应用于石化、电力、冶金等工业部门的自控系统中。
技术参数：
◆ 输入信号：4～20mA （标准），0～10mA （变型产品）
◆ 输出压力：0.02～0.1MPa （0.2～1㎏/cm2）气源压力：0.14MPa （1.4㎏/ cm2）
◆ 气源压力：0.14MPa （1.4㎏/ cm2）
◆ 输入阻抗：300Ω±10Ω[ 4～20mA 时]； 1000Ω±30Ω [0～10mA 时] ◆ 环境温度：-25～+55℃（一般型）；-25～+40℃（防爆型）
◆ 相对湿度：5～95%
◆ 防爆型式：Exd ⅡBT6 隔爆型（用“d"表示，老标志用“B"表示）；Exia ⅡCT6 本质安全型（用“i"表示，老标志用“A"表示）
◆ 气源接口：螺纹M10×1 配管Φ6×1
◆ 信号接口：M22×1.5（G 1/2）
◆ 基本误差：≤±1%（输出压力范围的百分数表示）
◆ 回 差：≤1%（输出压力范围的百分数表示）
◆ 死 区：小于基本误差限绝对值的1/5
◆ 耗 气 量：小于1000L/h（标准情况下耗气量）
◆ 传送时间：≤4秒（管径Φ4，长为60m 时）
◆ 绝缘电阻：不小于20MΩ
◆ 外壳材料：压铸铝合金、表面喷塑处理
◆ 外形尺寸：203×160×105（长×宽×高）
◆ 重 量：2.1㎏
3.4显示模块的设计
本设计中采用了LCD12864作为显示信息器件，与用户进行友好交互。LCD12864是专门用于显示汉字、字母、数字、符号的显示模块，具有功耗低、体积小、显示内容丰富等诸多优点，在低功耗应用系统中得到很广泛。LCD12864，即像素为128*64的显示液晶。其每一行最多可以显示8个中文，16个半宽字体。图3-9是它与系统单片机连接的原理图。
图3-9 显示连接原理图
表3-2为液晶显示模块管脚排列和功能。
3.5 报警模块的设计
工业现场需要有对温度、液位超限的检测报警功能，并能通过声、光发出报警警示，
所以我们用到一个报警电路。本设计采用蜂鸣器和高亮发光二极管组成声光报警电路。
报警器在整个系统中也起着非常重要的作用，它是高电平报警，一旦监测到温度和液位
值达到报警限时，就发出报警。该电路简单、可靠。为了加大报警声音的响度，还需在
电路中加上一个三极管作驱动。另外还使用了高亮、大功率的发光二极管作光报警。采
用的高亮发光二极管的优点表现在：尺寸小，体积小；不存在热辐射；低电压，低电流
启动，耗电少；反应速度快，可用于高频场合；使用寿命长；有利于环保；容易开发成
轻薄短小产品。其系统电路图如图3-10所示。
图3-10 报警电路图
3.6 电源模块的设计
本设计用到两个电压 +5v 和+24v，可以经220v 变压和7805稳压芯片提供，如图
3-11所示。
图3-11 电源设计电路
4 系统的软件设计
本设计软件所要实现的功能：实时控制液氨调节阀；实时检测是否超温度液位出上
下限；低选；实时显示检测的数据、上下限数值；实时监控键盘输入；报警控制。
4.1主程序的设计
本系统各功能模块子程序主要包括：温度处理程序、A/D转换程序、液位处理程序、
低选、D/A转化程序、显示程序、温度液位设定程序。主程序完成整个系统的初始化工
作，包括堆栈设置及有关标志，内存地址单元分配，暂存单元和动态显示缓冲区数据清
零等，主程序还需要调用T0中断程序。主程序软件流程图如图4-1所示。
图4-1 主程序软件流程图
4.1.1 T1中断模块
T0中断程序主要完成整个系统的温度液位控制工作，包括A/D转换，报警处理，调用PID 子程序，D/A转换等。T1中断模块的程序流程图如图4-2所示。
图4-2 T1中断服务子程序流程图
4.2 IPD 算法的设计
氨冷器这样的设备可以选择积分外反馈型的比例积分调节器，在一个控制系统中至少由被控对象、测量变送器、控制器及执行器等部分组成。由于外界的各种扰动不断产生，被控对象在各种扰动作用下，使得被控信号偏离给定值SV ，要想达到被控信号的恒定值，首先由变送器对被测值进行检测，感受被控信号的变化并将它转换成电流信号，
然后控制器将变送器送来的测量信号与设定值信号进行比较得出偏差(en)；根据偏差的大小及变化趋势，按一定的控制规律进行运算后，将运算结果用标准的电流信号送给执行器，最后执行器自动地根据控制器送来的信号值相应地改变流入(或流出) 被控对象的液氨量，克服扰动的影响，最终实现PID 控制要求。
1. 基本的PID 控制方法
PID 调节规律是连续模拟系统理论中技术成熟，应用广泛的一种控制方法：
y (t ) =K p [e (t ) +1
T l ⎰10e (t ) dt +T D de (t ) ]dt （1）
其中，y(t)-----
控制器的积分系数；
控制器的微分系数。
由于积分量的带入，使得被控量具有历史保持功能，也就是说，它能够“记住”以前的状态，在静 差为0的时候，输出仍旧保持不变，这样就消除了静差。微分量的引入，改善了单纯积分所带来的响应速度过慢的毛病，使系统能够迅速得到稳定。
2. PID控制方法的核心算法
在计算机控制系统中，使用的是数字PID 控制器。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此式（1）中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。
将上述微分方程式离散化为差分方程，为此可作如下近似：
⎰e (t ) dt ≈∑Te (j )
j =0k
（2）
de (t ) e (k ) -e (k -1) ≈dt T
（3）
式中为T 采样周期，K 为采样序号，K=0，1，2
，3…….
时的偏差
将式（2）和式（3）带入式（1）可得差分方程：
y (k ) =K P e (k ) +K l ∑e (j ) +K D [e (k ) -e (k -1)]
j =0k （4）
为第k k 次采样时刻输入都偏
T 为采样周期。采样周期足够小，这种近似可相当准确，让计算机控制过程与连续控制过程就十分接近。
另外，为改善PID 控制的动态特性，人们提出了多种改进的数字PID 控制算法，如积分分离PID 控制算法、遇 限削弱积分PID 控制算法、不完全微分PID 控制算法。对于不同的被控对象只要适当地整定PID 的三个参数，就可以获得满意的控制效果，实际上它是对比例、积分和微分三部分控制作用的折衷。
图4-3 增量型PID 算法的程序流程图
4.3 各功能模块子程序的设计
本设计在软件方面采用了模块化的设计思想，主程序主要调用了4个子程序，分别是A/D转换程序、显示程序、键盘子程序。此外，还有报警电路子程序。各主要模块功
能如下：
1. A/D转换程序读取ADC 送入单片机的模拟量电压信号，并换算为相对应的液位信号。
2. 显示程序：向LCD 送数据显示，控制系统的显示部分。
3. 键盘子程序：实现按键输入预设温度值。
4.3.1 A /D 转换子程序
A/D转换子程序的作用是将开发板的A/D进行初始化，然后将从传感器采集的模拟电信号转换为数字电信号送入单片机的过程。首先选一个I/O口的一个通道，读入的电压值是与液位具有线性关系的数据，该值送入该口，经线性运算后得出液位数据，延时后，A/D转换子程序结束。如图4-6所示。
图4-4 A/D转化子程序流程图
4.3.2 显示程序
本设计采用的是液晶12864来显示相关参数, 其流程图如图4-7所示。
图4-5 液晶显示服务子程序流程图
4.3.3键盘子程序
键盘扫描程序的作用是读得用户自行设定的温度值，即取得预设温度值。
本设计使用的键盘为独立式式，该键盘的特点是各键相互独立，每个按键的“接地端”均接地，每个按键的“测试端各接一根输入线，一根输入线上的工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。本设计中键盘的按键直接与单片机相连，包括按键查询、键功能程序转移，作用是切换液晶显示界面，设定或更改控制参数。如图4-8所示
图4-6键盘子程序流程图
总结
在此次设计过程当中，首先对氨冷器温度-液位超驰控制系统进行了概述，分析了智能化设计的背景和意义，其次又对它分别进行了总体方案设计、硬件设计、软件设计以及对它的编程调试，最后再把它进行进一步的完善。
在本设计当中，我采取的是先从硬件开始，在每个星期我都会完成自己的一个硬件设计，其中分别有处理器：AT89C51；A/D转换部分：ADC0809；D/A转换部分：DAC0832;LCD 显示部分:LCD12864；报警模块；电源模块等等，在历时六七个星期的时间里，我基本完成了这些模块的设计，并将它们整体化，进而实现设计的要求。相对而言，在整个零件的设计中，只有处理器要好好设计把握，在设计的时候，我参考了很多文献和资料，因为本次设计的核心就在单片机身上。
本次设计主要是在自己本身对单片机的了解基础上加以深入，并结合自动化仪表技术、传感器技术、计算机技术、通信技术、自动控制技术等，涉及温度、液位、压力等热工参数来运用自动控制理论，利用单片机及其接口技术及汇编语言等实习工业模拟控制。
几个月来，在老师和同学的帮助下我终于完成了本次设计。作为大学里最后一次设计，我做的很用心，我希望不会留有遗憾，而且我也学到了很多知识，比如单片机的工作原理，LED 显示屏与单片机的连接方式，A/D转换的工作原理等等，这些都会在我以后的生活工作中带给我很大的帮助，我一定会好好珍惜这次设计！。
参考文献
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附录1程序清单
初始化程序
S1OK EQU 5FH 单片机进行初始化，规定入口地址
TEMPUTER EQU 39H
TEMPH EQU 5EH
TEMPL EQU 5DH
MS50 EQU 5CH
SIGN EQU 5BH
S1 BIT P1.0
S2 BIT P1.1
S3 BIT P1.2
S4 BIT P1.3
主程序
ORG 0000H
LJMP MAIN
………..
ORG 000BH
MAIN: MOV DPTR，#4FFFH
MOV A ，80H
MOVX @DPTR，A
MOV 28H，#0C0H
LP: MOV DPTR，#2FF0H
MOV 29H，#00H
LCALL TEMP
LCALL AD
LCALL DX
LCALL PID
LCALL LCD
MOV DPTR，#2FF1H
MOV 29H，#01H
LCALL TEMP 对P1口进行初始化 主程序入口地址 循环 DPTR 指针指向LP
LCALL AD
LCALL DX
LCALL LCD
SJMP LP
温度总子程序
TEMP: ACALL INIT_1820 调用中断
ACALL RE_CONFIG
ACALL GET_TEMPER
ACALL TEMPER_COV
RET
DS18B20初始化程序
INIT_1820
SETB P1.6
NOP
CLR P1.6
MOV R0,#06BH
MOV R1,#03H
TSR1:
DJNZ R0,TSR1
MOV R0,#6BH
DJNZ R1,TSR1
SETB P2.0
NOP
NOP
NOP
MOV R0,#25H
TSR2:
JNB P2.0,TSR3
DJNZ R0,TSR2
LJMP TSR4
TSR3:
SETB 20H.1
LJMP TSR5
TSR4:
CLR 20H.1
LJMP TSR7
TSR5:
MOV R0,#06BH
MOV R1,#03H
TSR6:DJNZ R0,TSR6
MOV R0,#6BH
DJNZ R1,TSR6
TSR7:SETB P2.0
RET
读DS18B20的程序, 从DS18B20中读出两个字节的温度数据
READ_18200:
MOV R4,#2 将温度高位和低位从DS18B20中读出
RE00:MOV R2,#8
RE01:CLR C
SETB P2.0
NOP
NOP
CLR P2.0
NOP
NOP
NOP
SETB P2.0
NOP
NOP
MOV C,P2.0
MOV R3,#35
RE20:
DJNZ R3,RE20
RRC A
DJNZ R2,RE01
MOV @R1,A
DEC R1
DJNZ R4,RE00
RET 将从DS18B20中读出的温度数据进行转换 PID 算法子程序
PID: MOV R5,#00H 设定PID 参数
MOV R4,2DH
MOV R3,#00H
MOV R2,#08H
LCALL CPL1
LCALL DSUM
MOV R0,#5AH
MOV R5,#05H
MOV R4,#1CH
LCALL MULT
MOV 31H,5BH
MOV 32H,5AH
MOV R5,31H
MOV R4,32H
MOV R3,2AH
MOV R2,#00H
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV 39H,R7
MOV 3AH,R6
MOV R5,35H
MOV R4,36H
MOV R0,#4AH
ACALL MULT1
MOV R5,39H
MOV R4,3AH
MOV R3,3BH
MOV R2,3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUB
MOV R5,33H
MOV R4,34H 增量式PID 算法 初始化 调用CPL1子程序 调用DSUM 子程 调用MULT 子程
MOV R0,#46H 把46H 送R0寄存器
ACALL MULT1 调用MULT 子程
MOV R5,49H
MOV R4,48H
MOV R3,4DH
MOV R2,4CH
ACALL DSUM
MOV 4AH,R7
MOV 4BH,R6
MOV R5,39H
MOV R4,3AH
MOV R3,3DH
MOV R2,3EH
ACALL DSUM
MOV A，R7
MOV R5，A
MOV A，R6
MOV R4，A
MOV R3,3BH
MOV R2,3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV A，R7
MOV R5，A
MOV A，R6
MOV R4，A
MOV R3，3BH
MOV R2，3CH
ACALL CPL1
ACALL DSUM
MOV R5,37H
MOV R4,38H
MOV R0,#46H
ACALL MULT1 调用DSUM 子程 调用CPL1 子程 调用DSUM 子程
MOV R5,49H
MOV R4,48H
MOV R3,4AH
MOV R2,4BH
ACALL DSUM
MOV A,R7
MOV R3，A
MOV A,R6
MOV R2，A
MOV R5,2FH
MOV R4,30H
ACALL DSUM
MOV 2FH,R7
MOV 30H,R6
MOV 29H，2FH
MOV 3DH,3BH
MOV 3EH,3CH
MOV 3BH,39H
MOV 3CH,3AH
MOV A，31H
CJNE A，2AH ，AA2
液位采集与计算子程序
在此，液位采集是通过P3.2脚查询EOC 输出的方法，当EOC=1时A/D转化完毕。液位转换子程序如下。
AD ：MOVX @DPTR，A
LP1：JNB P3.2，LP1 判断P3.2是否等于1
MOVX A ，@DPTR
COMP ：MOVB ，#XXH
MUL AB
MOV A，#YYH
CLRC
SUBB A ，B 带借位减法指令
CJNE A， #060H， COMP1 条件转移指令
COMP1：JCCOMP4
CJNE A ， #065H，COMP2
COMP2：JCCOMP3
COMP4：MOV2AH ，#0FH
MOV2BH ，#0FH
MOV2CH ，#0FH
COMP3：RET A/D转化完毕
DAC 转换子程序
DAC0832
MOV BX,100H
MOV AL,[BX]
MOV DX,PORTA
OUT DX,AL
显示子程序
RS EQU P2.1
RW EQU P2.2
E EQU P2.3
CS1 EQU P2.4
CS2 EQU P2.5
RST EQU P2.6
LED- EQU P2.7
START:
ORG 0000H
MOV SP,#60H
LJMP DISP 实现一次D/A转换，可以采用下面程序段。设定要转换的数据放在1000H 单元中 接口定义，接在AT89C51的P2口 主程序入口地址
致谢
这篇论文是在我的导师刘淮霞教授的多次指导下完成的。从论文的选题到结构安排，从内容到文字润饰，都凝聚了他大量的心血。在这篇论文的写作过程中，刘淮霞老师不辞辛劳，多次与我就论文中许多核心问题作深入细致地探讨，给我提出切实可行的指导性建议，并细心全面地修改了我的论文。李老师这种一丝不苟的负责精神，使我深受感动。在此谨向刘老师致以诚挚的谢意！
敲完最后一个字符，重新从头细细阅读早已不陌生的文字，我感触颇多。虽然其中没有什么值得特别炫耀的成果，但对我而言，是宝贵的。它是无数教诲、关爱和帮助的结果。
谨向所有指导过、帮助过我的老师和同学表示最真挚的感谢！