基于单片机的瓦斯浓度智能传感器的设计

基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器的设计

BASED ON THE UNDERGROUND GAS DENSITY SINGLE-CHIP

MICROCOMPUTER INTELLIGENT SENSE ORQAN

DESIGN

学 院： 欢乐谷 专业班级： 幼儿大班 学生姓名： 奥特曼 指导老师： 喜洋洋

2010年 5月 20 日

基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器的设计

摘要

随着我国经济的快速发展，各行各业对煤炭的需求急剧增加，而各种矿难事故的发生，使得煤炭安全生产面临严峻的挑战。这篇文章就是针对导致矿难频发的瓦斯浓度进行监控而设计的。

在文章里，我针对瓦斯的特点，设计出同时监测高低浓度的瓦斯系统，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。同时采用声光报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡，并且还运用红外遥控系统来进行远程监控。设计这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。

该传感器以AT87C551单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制，安全可靠，经久耐用，适合各类煤矿瓦斯的监控，可以大大降低煤矿事故的发生，降低企业成本，提高煤炭开采率，为我国煤炭事业做出贡献。

关键词：瓦斯，AT87C551，PID控制器

I

BASED ON THE UNDERGROUND GAS DENSITY SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER INTELLIGENT SENSE

ORQAN DESIGN

ABSTRACT

With the rapid development of China's economy, various industries on the sharp increase in the demand for coal. but each kind of mining accident's occurrence, causes the coal safety in production faced with the stern challenge. This piece of article aims at the gas to carry on the monitoring to design.

In the article, I in view of the gas characteristic, design simultaneously monitor the height density the gas system, all-weather uninterrupted carries on the monitor to the mine shaft gas density. Simultaneously uses the acousto-optics alarm system, once gas exceeding the allowed figure, the system reminds the downhole operation worker to evacuate urgently immediately, avoids the personnel casualty. Also put to use infrared remote-control system carry through long-distence supur risory control. Design this intelligent sensor adopt close-cycle control insure sampling placidity.

This system take at87C551 monolithic integrated circuit as a core, realizes to the gas examination, the warning and the control, safe reliable, durable, suits each kind of coal mine gas the monitoring, may reduce coal mining accident's occurrence greatly, reduces the private costs, raises the coal recovery ratio, makes the contribution for our country coal enterprise.

KEYWARDS: gas, AT87C551, PID controller

II

目录

摘要（中文） .............................................................. I 摘要（英文） ............................................................. II 1 绪论 .................................................................... 1

1.1引言 ............................................................... 1 1.2系统简介 ........................................................... 2 2 系统功能介绍 ............................................................ 3

2.1性能描述 ........................................................... 3 2.2系统框架结构 ...................................... 错误！未定义书签。 3 硬件电路介绍 ........................................................... 12

3.1甲烷传感器 ........................................................ 12

3.1.1 KG9701型智能低浓度瓦斯传感器 ............................. 12 3.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/100 ................... 13 3.2 ADC0809引脚图与接口电路 ......................................... 14

3.2.1 A/D转换器芯片ADC0809简介 ................................. 14 3.2.2. ADC0809的内部结构 ......................................... 16 3.2.3．信号引脚 ................................................... 17 3.2.4 MCS-51单片机与ADC0809的接口 ............................... 18 3.2.5 A/D转换应用举例 ........................................... 22 3.3 AT89C51简介 ..................................................... 22

3.3.1 AT89C51概述 ................................................ 22 3.3.2 主要特性 .................................................... 23 3.3.3 管脚说明 .................................................... 24 3.3.4 振荡器特性 ................................................. 25 3.3.5 芯片擦除 .................................................... 25 3.4 8155简介 ......................................................... 29

3.4.1 8155各引脚功能 ............................................. 29 3.4.2 8155的地址编码及工作方式 .................................. 30 3.4.3 8155的定时/计数器 ......................................... 30 3.5 DAC0832介绍 .................................................... 31

i

3.6 LED显示器 ....................................................... 35

3.6.1 LED显示器的结构 ............................................ 35 3.6.2 LED显示器的工作原理 ........................................ 37

4 PID控制 .............................................................. 38

4.1 PID控制器介绍 .................................................... 38 4.2 PID控制实现 ...................................................... 43 5 软件流程图 ............................................................. 46 总结 ..................................................................... 48 参考文献 ................................................................. 49 致谢 ..................................................................... 50

ii

1 绪论 1.1引言

随着我国国民经济的不断发展，对煤炭需求量也越来越大，这就使得煤矿的安全生产面临着一个十分严峻的问题。煤矿矿难事故屡屡发生，造成的原因有很多，其中不少是因为瓦斯爆炸引起的。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，除了加强井下作业人员的管理，改善井下的作业环境外，还必须建立一个性能可靠的瓦斯监控系统。

煤矿瓦斯是指矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体的总称。有时也单独指甲烷。瓦斯在空气的体积分数达到一定的程度（5%～12%）时，在一定条件下可与空气中的氧气发生剧烈的化学反应而形成瓦斯爆炸，对煤矿安全构成严重威胁。 矿井瓦斯监测监控技术是伴随着煤炭工业发展而逐步发展起来的。1815年，英国发明的世界上第一种瓦斯监测仪器——瓦斯检定灯。利用火焰的高度来检测瓦斯浓度；20世纪30年代，日本发明了光干涉瓦斯检定器，一直沿用至今；20世纪40年代，美国研制了检测瓦斯浓度的敏感元件—铂丝催化元件；1954年，英国采矿安全所研制了最早的载体催化元件。电子技术的进展推动了瓦斯检测控制装置的进一步发展，如20世纪70年代后期法国研制的CTT63/40U矿井监控系统、英国的MINOS系统、美国的SCA—DA系统等。

我国矿井瓦斯监控技术经历了从简单到复杂、从低水平到高水平的发展过程。从新中国成立初期到20世纪70年代，煤矿下井人员主要使用光学瓦斯检定仪、风表等携带式仪器检测井下环境参数。20世纪60年代初期，我国开始研制载体催化元件，随着敏感元件制造水平的提高和电子技术的发展，特别是大规模集成电路、微型计算机的广泛应用，使监控技术进入了新的发展时期。20世纪70年代瓦斯断电仪问世，装备在采掘工作面、回风港道等井下固定地点，实现了对瓦斯的自动连续检测及超限自动切断被控制设备的电源。随后，陆续研制了便携式瓦斯监控检测报警仪、瓦斯报警矿灯。1983年至1985年，从欧美国家先后引进了数十套监控系统及配套的传感器和便携式仪器装备煤矿矿井，并相应地引进了部分监控系统、传感器和敏感元件制造技，由此推动了我国矿井安全监测监控技术的发展。1983年以后，国内有多种型号矿井监控系统通过了技术鉴定，逐步实现了对煤矿矿井安全、生产多种参数的连续监测、监控、数据存储和数据处理。近几年，随着计算机的发明和应用，特别是网络和信息化建设的不断发展，给瓦斯治理提供了机遇条件，煤矿瓦斯监控网络系统应运而生。这些装备和系统的推广与应用，丰富了我国煤矿安全监控 产品的市场，改善了煤矿安全技术装备的面貌，缩小了我国与国外先进技术水平的差距。

传统的煤矿瓦斯监控系统大体可以分为两大部分：井下部分和井上部分。井下部分

1

主要通过各种检测设备（各种传感器，如风量传感器、负压（压力）传感器、一氧化碳传感器和矿用设备开停传感器等）来采集井下各种气体的浓度与含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后通过现场总线将数据传输到井上。在井上，井下传上来的数据通过专线与煤矿安全管理办公室服务器和更高一级安全主管部门服务器连接。服务器上面运行的是监控软件。上面有井下每一个传感器的标签，所显示的数据通过上传数据的改变而不断刷新。同时，监控软件还可以对这些数据进行汇总、处理、分析和存档，可以作为相关负责人员决策的重要依据。并且监控软件具有超标自动报警功能，用来提示工作人员对设备的故障或现场瓦斯浓度情况，以及时采取措施，避免重大事件的发生。

煤矿瓦斯监控系统系统的意义不言而喻。以山西省为例，近几年，特别是2006年以来，山西省煤炭系统在党和各级政府及安全部门的重视下，全省煤矿信息化工作有了新发展，取得了新成绩。特别是由瓦斯监测监控系统建设所形成的全省煤矿四级信息网络平台，是计算机网络及信息技术用于瓦斯安全治理的一项创举，极大的促进了山西煤炭信息化工作。山西省煤炭系统2005年底累计安装使用瓦斯监控系统3868套。目前，该省国有重点煤矿121座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，并全部联网运行，在线运行率达100%。地方煤矿现有2806座矿井全部安装了瓦斯监测监控系统，已连网运行2671座。这些系统的运用，极大的降低了煤矿瓦斯事故。

由此可知，为了最大限度的降低煤矿瓦斯事故的发生，除了对工作人员严格要求外，加紧建设煤矿瓦斯监测监控系统必不可少，它对预防瓦斯事故的发生具有举足轻重的作用。

1.2系统简介

该片设计的是基于单片机的井下瓦斯浓度智能传感器，该系统以单片机AT87C551为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。

该系统可有效的降低瓦斯事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，AT87C551的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于各种大小煤矿井下瓦斯的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。

2

2 系统原理介绍

瓦斯检测电路脉宽控制电路稳幅电路声光报警数据显示电压比较器信号适配通道单片机信号输出锯齿波发生器存储器红外遥控

图2.1 原理框图

2.1电路简介

根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图7所示的变流瓦斯检测电路，该电路主要由电桥不平衡信号取样电路、锯齿波发生电路、电压比较器和脉冲稳幅电路四个部分组成。

图7 变流检测电路

A部分为电桥不平衡信号取样电路，用此信号去调节C部分电压比较器输出的脉冲

3

电压宽度；B部分为锯齿波发生电路，由555构成的时基电路工作在自激状态，振荡频率为1kHz，即周期为T=1ms，输出的锯齿波电压送到电压比较器的正端；C部分电压比较器的负端接受来自A部分的输出电压Uo2，当锯齿波电压超过控制电压Uo2时，比较器输出电压为高电平，锯齿波回扫时，当其电压值低于Uo2时，比较器输出为低电平，这样将形成一个矩形脉冲电压。在一系列锯齿波作用下，比较器就输出一矩形脉冲电压系列；D部分由高准确度可控稳压管TL431构成的脉冲稳幅电路，当通过TL431的电流在(1～100)mA范围内时，只要分压电阻的温度系数相同，则输出电压有很高的稳定性，从而保证了在输入脉冲幅值变化时，输出脉冲的幅值恒定。为保证有足够的电流通过载体催化元件，设置了由三极管组成的脉冲电流放大环节。下面将详细讨论这四部分电路。 2.1.1 恒温控制信号取样电路

图8为恒温控制信号取样电路：这里没有采用传统的惠斯通电桥来获取瓦斯

图8 恒温控制信号取样电路

与催化元件反应时产生的不平衡电压，而是用运放集成块组成运算电路，对电压信号进行处理，这样做的好处是抑制共模信号的能力增强了，同时由于黑元件上催化燃烧产生的电压只有毫伏级，不能直接与锯齿波信号进行比较，在Uo1的后面加入了同相比例运算电路，对前面输出的电压进行放大，以使其能与锯齿波电压进行比较从而输出所需的脉冲电压。当有瓦斯气体时，在黑元件上发生催化燃烧，黑元件温度上升，其阻值也随之上升，它上面的电压升高，不难推出：

?U?U1?2U2?i(R黑?R白)?2iR白?i(R黑?R白)?i(R黑(0)?R黑(i)?R黑(CH4)?R白(0)?R白(i))

式中R黑(0)、R白(0)为无瓦斯时的阻值，R黑(i)、R白(i)为电流流经元件时温度上升产生的阻值，R黑(CH)为瓦斯气体在元件上燃烧时温度上升产生的阻值，前面已经提及，所谓

4的恒温是指温度在一个很小的范围内波动近似看成的，因此R黑(i)、R白(i)、R黑(CH)的值

4都是非常小的，故ΔU也很小，需要经过放大才能与锯齿波进行比较。

4

在图8中有

U3?(1?Rf1R12)U2

U5?(1?Rf2R14)U1?Rf2R14Rf2R14U3Rf1R12则

?(1?Rf2R14

)U2)U1?(1?Uo1?(1??(1?Rf3R17Rf3R171Rf3R17)U5?Rf2R14Rf2R14Rf3R17U4Rf3Rf2Rf1Rf3)(1?)U2?U2 R17R14R12R17Rf3Rf2Rf1Rf3)(1?)?]U2R17R14R12R17)(1?)U1?(1?)U1?[(1??(1??mU)(1?2?nU适当选取电阻值，使m=1，n=2，这样便可获得瓦斯在黑元件上燃烧产生的电压。

这里在实验室用QJ23单臂直流电桥对铂丝绕制的黑白元件的阻值进行了测定，当环境温度为16℃～19℃时，测得的黑白元件的阻值分别为8.236Ω和8.227Ω（实际上这时黑白元件的温度已经大于400℃，达到了工作状态）。在检测瓦斯时需要将催化元件加热到500℃左右，给黑白元件提供3V的恒定电压，发生催化燃烧时，假设温度上升10℃，这时候黑元件阻值变为10Ω左右，电流大概是150mA，则黑元件上产生的电压大概为0.265V。在图8中有：

Uo2?(1?Rf4R20)Uo1

取

Rf4R20为14左右，则可将瓦斯催化燃烧产生的电压放大到合适的幅值与锯齿波电压进

行比较。

2.1.2 锯齿波发生电路

555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该芯片使用灵活方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。图9为NE555和R2，R3，C1组成的无稳态多谐振荡器：

5

图9 锯齿波发生电路

振荡器的输出频率为：

f?1.44R1?R2?2R3C1

由此可算得输出频率为1kHz，C2起正反馈作用，即在Q1射级跟随器输出锯齿波的同时，正反馈至R2的上端，故在C1充电期间，R2上的压降保持不变，即C1的充电速率不变，因而极大地保证了锯齿波的线性。其非线性可控制在1%以下，且温度稳定性好。图中在555的电压控制端5脚外接了一个可调的控制电压，用以改变555内部比较器的基准电压值，即比较电平，由此可改变锯齿波的振幅，这里通过调节Rp1使输出锯齿波的最大值为4V。 2.1.3 电压比较电路

电压比较器可将模拟信号转换成二值信号，即只有高电平和低电平两种状态的离散信号。因此可用电压比较器来产生脉冲方波电压信号。电路如图10所示：

图10 电压比较器电路

这里选用的电压比较器的型号为AD790，它有同相和反相两个输入端，同相端接锯

6

齿波电压信号，反相端接瓦斯检测电路的输出电压，也就是脉冲电压宽度的控制信号。比较器采用单电源供电，引脚8接逻辑电平，其取值决定于负载所需高电平，这里接+5V，此时比较器输出高电平为4.3V。引脚5为锁存控制端，当它为低电平时，锁存输出信号。图10中C4、C5均为去耦电容，用于滤去比较器输出产生变化时电源电压的波动，R8是输出高电平时的上拉电阻。 2.1.4 脉冲电压稳幅电路

电路中选用TL431芯片对比较器输出的脉冲电压进行稳幅。电路如图11所示：

图11 脉冲稳压电路

Fig11 range of pulse stabilitating circuit

TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源, 它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V的任何值，工作电流范围为1mA～100mA，K、A脚两端输出电压为：

Vo?2.5(Rp2?R10)R10

改变Rp2的阻值，就可以改变输出基准电压大小，这里通过调节Rp2使输出的脉冲电压的幅值稳定在3V。

7

2.1.5 声光报警电路

R3515KR3220KR33180KR3420KC15D12CPI6QR38R3682038SCR4C14BG12R103DG6HI2205RTRIGVCCDISTHR7R3710kBG2gndcvolt3DG6CZ1C17C16D2BG33AX81C18DWR39C19D36C20R40CT 上述是本设计瓦斯传感器的声光报警电路，有图可以看出

是以555为核心的电路由555电路组成一单稳态触发电路，上电打开开关S1后，C1两端电压为0，555电路的输出脚输出高电平，报警器电路工作，进入报警状态。此时若水银开关断开，电源经R2向C1充电，当C1两端的电压充到高于2/3Vcc时，电路翻转，输出端变为低电平输出，报警电路失电停止工作。此时报警器便进入报警守候状态。这时若报警器受到振动，就会使水银开关中的水银一起振动，当开关接通时，555电路的2脚便输入一个低电平信号，这个低电平信号使得单稳电路输出状态改变，输出端变为高电平，报警电路工作，另一方面通过7脚将充于电容C1上的电荷放完，这时就算水银开关再次断开，由于C1两电压低于2/3Vcc，电路也将保持输出高电平，使报警电路工作，若一直有振通信号使水银开关接通，系统将一直报警，若报警后报警器不再振动，则当C1上的电充到大于2/3Vcc时，报警将自动停止，因此每次报警的自动关断时间为R2和C1的充电常数值。。该报警器由直流稳压电源、定时开关电路和声控脉冲产生器三部分组成。图中S为话筒，它将脚步声或其他声响转换为电信号，且放大后加至555时基电路的触发端②脚。555与R6、C2组成一个单稳态触发器，调节电阻R6使②脚的电压略高于l/3VDD。555 3脚输出低电平。当有情况发生时，BG2输出一定幅值的负脉冲，使555翻转，相应③脚输出高电平，信号经BG2缓冲放大后使可控硅SCR触发导通，将报警器的电源电路接通，发出报警信号。报警时间长短取决于电容器C2的充电时间常数td=1.1R6C2的大小。当C2上的充电电压超过2/3VDD时，555复位，3脚输出低电平，BG2相应截止，可控硅SCR断开。在C2充电期间，即报警定时结束之前，应使555③脚通过R5和D1将输出高电平反馈到触发端②脚，以免后继脉冲或其他干扰影响定时精度。定时的长短可通过改变时间常数R6C2的大小来调节。常见故障现象与查找方法 ：

1)发光二极管不亮：①，用万用表测12V供电电源是否正常；②，用数字万用表检

8

测电阻R1、发光二极管VDl、三极管VT2是否损坏；③．测lCl所构成单稳态电路，若ICl的③脚始终输出低电平，VT2将一直处于截止状态，发光二极管不亮，可采用代换法判断555集成电路的好坏。

2)发光二极管亮但不闪烁：①．测三极管VT2，若VT2击穿，更换VT2故障即可排除；②．测ICl⑥、⑦脚的电平，若为低电平，查RP1及连线是否有断线或虚焊，查C1是否击穿及ICl②脚是否悬空。在外围元件检查无误后，可采用代换法判断lCl是否损坏；⑧．用上述方法，查找IC2、IC3及其外围元器件。

3)发光二极管闪烁频率不正常：主要查单稳态电路ICl，当单稳态电路工作不正常时会造成发光二极管闪烁频率不正常，其主要原因是由于电容C2造成的，可调当调整C2的大小。

4)扬声器不响：①．查供电电源电压及检测三极管VT3、扬声器是否损坏；②．测量IC4第5脚的控制信号电压，不正常查IC3第3脚信号及R4，也可通过示波器测量输出波形判断故障部位。

2.1.6

2.2变流瓦斯检测方法的原理 2.2.1变流瓦斯检测方法的基本思想

为了解决上节所提到催化传感器存在的问题，就必须抛开连续电流供电的传统方法，以保证测量元件与参比元件温度永远相等，设计出真正的恒温检测桥路。

实现方法是通过一个硬件电路构成的闭环反馈系统，强迫检测元件与参比元件保持在平衡状态，使测量元件工作在恒温状态下。该检测环路使测量元件的温度与参比元件的温度进行比较，当环境中的CH4气体在测量元件表面燃烧时，测量元件的温度将很快上升使电桥失去平衡，硬件电路构成的闭环反馈系统监测到偏移信号后，输出控制脉冲信号，将已经偏移的桥路“矫正”回来，使回路周而复始地工作在偏移/校正的振荡之中。测量元件的温度是以微小的锯齿波形状的轨迹在恒温区波动[26]，如图6所示：

图6 传统的检测桥路与恒温桥路的浓度温度特性曲线 Fig6 contrasting curve between two methods

9

这个波动的温差很小，只有零点几度的差别，基本上可以认为参比元件和测量元件的温度是相等的。这种方法保证了在任何CH4浓度下，测量元件的温度不变，彻底有效地杜绝了高浓CH4的燃烧，大大延长了催化元件的使用寿命，也使仪器的零点稳定性、精度稳定性得到了的提高。

本研究所研制的脉冲供电检测桥路与传统的测量机理截然不同，检测元件工作于间歇脉冲供电状态，不随CH4温度变化，反馈环路中的脉冲频率与CH4浓度呈正比关系。从微观的角度上看，单片机检测的是测量元件上温度的上升速率，而传统方法则是检测元件上的绝对温度。测量桥路是恒温的，无论检测多高浓度的瓦斯，检测元件的温度都不变，所以它能够抗高浓冲击，能够拥有更长的寿命和极好的稳定性。 2.2.2变流瓦斯检测方法的原理

变流检测方法是一种使载体催化传感元件在检测瓦斯气体时保持恒温状态的新型检测方法。它的基本原理是：在瓦斯浓度升高时，通过闭环反馈电路，使工作电流相应减少，以保持催化元件的温度不变，利用电流的减少量和瓦斯含量间的对应关系，实现瓦斯含量的检测。

载体催化元件的静态热平衡方程是[47]：

I2r???CH4??B(t1?t0)?A?B(t1?t0)

44式中 I—载体催化元件的工作电流； r—载体催化元件的电阻； ?—瓦斯氧化反应燃烧热系数； ?CH4—空气中瓦斯体积分数； t1—载体催化元件温度；

t0—环境温度；

?—热传导系数；

B—元件面积； A—辐射系数； ?—角系数。

方程式左边是单位时间内工作电流所产生的热量和瓦斯气体在载体催化传感元件表面发生氧化反应所产生的热量之和，后者与瓦斯体积分数成正比；方程式右边是催化传感元件在单位时间内热传导和热辐射损失的热量之和，其中传导热是催化传感元件通过导线和空气传递的热量之和，由于催化传感元件工作在一个半封闭的气罩内，其同空气的对流散热很小，可忽略不计。方程两边在催化传感元件达到热平衡时是相等的。

在变流瓦斯检测中，工作电流随着瓦斯浓度增加而减小，元件处于恒温状态，载体催化元件工作温度和阻值保持不变。故在环境温度一定的情况下，方程式右边为一常数，设

K0??B(t1?t0)?A?B(t1?t0)44

10

对于该种检测方法，因保持t1不变，即当无瓦斯(?CH斯时

I2r???CH442?0)时，I0r?K0；当有瓦

?K0?I0r2

式中I、I0分别为有瓦斯、无瓦斯的工作电流，即

I?I0?2?r?CH4

此式表明电流变化与瓦斯体积分数不是线性关系。因此，在设计检测电路时，为使电流大小能反映瓦斯体积分数，不能采用一般的可控直流电源，而需采用宽度可调的脉冲电流源，即脉冲电流的幅值恒定，但其宽度可由反馈信号调节。当瓦斯体积分数增加时，减少脉冲的宽度T以减少通过元件的平均电流。

由式（3-3）知，瓦斯体积分数为

?CH4?r?I0?2r?2I

与电流平方成线性关系，脉冲电流有效值为 I?1TT1?0Imdt?2T1TIm2

式中T为脉冲电流周期，Im为脉冲电流幅值。在Im一定的条件下与占空比的平方根T1/T成线性关系，即其平方与占空比成线性关系。又脉冲电流平均值IP为

IP?T1TIm，与占空比成线性关系，故脉冲电流的平均值可以线性地反映瓦斯体积分数，

即瓦斯浓度。 2.2.3

智能瓦斯监测仪原理框图

11

3 硬件电路介绍 3.1甲烷传感器

3.1.1 KG9701型智能低浓度瓦斯传感器

KG9710型智能低浓度瓦斯传感器主要用于监测煤矿井下环境气体中的瓦斯浓度，是煤矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸必不可少的测量仪表。它可以连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备，并具有就地显示瓦斯浓度值，超限声光报警等功能。采用国家科技“九五”攻关项目成果：高稳定性、长寿命热催化元件，通过改变制作工艺及催化剂配方(自制)等，大大提高了催化元件的性能指标，利用人工智能技术对信息进行处理分析，增强了仪器抗高瓦斯冲击的能力，将稳定性能指标由一周提高至一月，使用寿命由一年延长至一年半。具有性能稳定、测量精确、响应速度快、结构坚固、易使用易维护等特点，增加了遥控调校、断电控制、故障自校自检等新功能，大大节约了使用与维护费用。

目前该传感器已广泛应用于全国大、中、小型煤矿，在国内市场占有率超过60％，在煤矿预防瓦斯灾害方面经常发挥重要作用，产生了可观的经济效益和良好的社会效益。

主要技术指标：

测量范围：0～4.00%CH4(0～10.00%CH4) 测量精度：0.00～1.00%CH4 ≤±0.10%CH4 1.00～2.00%CH4 ≤±0.20%CH4 2.00～4.00%CH4 ≤±0.30%CH4

4.00～10.00%CH4 ≤±8.00%真值(相对误差) 元件检测反应速度：≤20s 调校周期：≤1个月 使用寿命：≥1.5年 信号带负载能力：0～400Ω

报警方式：二级间歇式声光报警，≥85dB(声强)，能见度＞20m(光强) 报警点范围：0.5～2.5％连续可调 采样方式：限制扩散式 整机工作电压：9～24V DC

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传输距离：3km(供电18V DC使用1.5mm2截面铜芯电缆) 输出信号：200～1000Hz、1～5mA DC 防爆型式：ExibdⅠ矿用本安兼隔爆型

3.1.2 高浓度瓦斯传感器(国产) 型号:ZR14-GJW4/100 基本参数 工作环境条件: 温度: 0℃～40℃ 相对湿度: ≤98%

大气压力: 86kPa～116kPa 风速: 0m/s～8m/s 测量范围:

高浓： 0%CH4～100%CH4 温度： 0℃～40℃ 测量范围（%CH4） 高浓：4.00-10.0 >10.0

基本误差（%CH4） ≤±1.0

测量上限的±10% 温度：基本误差：±2℃

分辨率: 高浓0. 1%CH4， 温度0.1℃

显示方式: 六位LED，其右三位显示甲烷，左三位显示温度 响应时间: ≤20s

报警点: 可调,仪器出厂时设定在1.00%CH4； 在0.3%CH4-3.5%CH4内可调

断电点: 可调,仪器出厂时设定在1.50%CH4 复电点: 可调, 仪器出厂时设定在1.00%CH4 高低浓度转换点： 1）从低到高：3.5% CH4 2）从高到低：2.5% CH4

调节方式：使用本公司生产的FYF型遥控器 防爆标志：ExibI

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防爆合格证号：1044440 安全标志证号：20042726 报警方式:声光，其中: 音量: ≥85dB 光可见度: ≥20m 工作方式:扩散式

防爆型式:矿用本安兼隔爆型； 防爆标志：ExibdI。

输出信号: 两路 200Hz～1000Hz频率输出。 甲烷：200～600Hz对应甲烷浓度为0～4%

600～1000Hz对应甲烷浓度为4～100%。

温度：200Hz～1000Hz对应0℃～40℃。 Ui：≤DC 20V；Ii：≤90mA。

关联设备:本公司生产的DJ4G-2000固定式甲烷断电仪 防爆型式：矿用隔爆兼本质安全型

防爆标志：Exd[ib]I，传感器到断电仪的距离不大于2000米。 防爆合格证号：1042460 安全标志证号：20042728。

配接设备：本公司生产的KJF33通用监控分站 防爆型式：矿用本质安全型，防爆标志：ExibI 防爆合格证号：1034356 ，安全标志证号：

20033034传感器到分站的距离不大于2000米。

传输电缆:

电缆最大长度：2000m

分布电容≤0.1μF／km 分布电感≤1mH／km

外形尺寸：200 mm×110 mm×35mm 质量：1.1kg

3.2 ADC0809引脚图与接口电路 3.2.1 A/D转换器芯片ADC0809简介

8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。

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图3.2.1《ADC0809引脚图》

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3.2.2. ADC0809的内部结构

ADC0809的内部逻辑结构图下图所示：

图3.2.2《ADC0809内部逻辑结构》

图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。

表3.2.1为通道选择表。

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表3.2.1 通道选择表

3.2.3．信号引脚

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图9.8。 对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下： IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。 START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。本信号有时简写为ST.

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A、B、C——地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号

EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高

OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。 Vcc—— +5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V). 3.2.4 MCS-51单片机与ADC0809的接口

ADC0809与MCS-51单片机的连接如图3.2.3所示

电路连接主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。

1. 8路模拟通道选择

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图3.2.3 ADC0809与MCS-51的连接

如图3.2.3所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H～0FEFFH.此外，通道地址选择以

作写选通信号，这一部分电路连接如图9.12所示。

图3.2.4 ADC0809的部分信号连接

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WR 地址所存 ALE

A/D启动

START

寄存器清“0”

图3.2.5 信号的时间配合

从图中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。图9.19是有关信号的时间配合示意图。

启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。例如要选择IN0通道时，可采用如下两条指令，即可启动A/D转换：

MOV DPTR , #FE00H ；送入0809的口地址 MOVX @DPTR , A ；启动A/D转换（IN0） 注意：此处的A与A/D转换无关，可为任意值。 1 转换数据的传送

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A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以受。

不管使用上述那种方式，只要一旦确认转换结束，便可通过指令进行数据传送。所用的指令为MOVX 读指令，仍以图9-17所示为例，则有 MOV DPTR , #FE00H MOVX A , @DPTR

该指令在送出有效口地址的同时，发出

有效信号，使0809的输出允许信号OE有

信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接

效，从而打开三态门输出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。

这里需要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址线相连，也可与数据线相连，例如与D0～D2相连。这是启动A/D转换的指令与上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0～IN7相一致。例如当A、B、C分别与D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：

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MOV DPTR， #FE00H ；送入0809的口地址 MOV A ，#07H ；D2D1D0=111选择IN7通道 MOVX @DPTR， A ；启动A/D转换

3.2.5 A/D转换应用举例

设有一个8路模拟量输入的巡回监测系统，采样数据依次存放在外部RAM 0A0H～0A7H单元中,按图9.10所示的接口电路，ADC0809的8个通道地址为0FEF8H～0FEFFH.其数据采样的初始化程序和中断服务程序（假定只采样一次）如下：

初始化程序：

MOV R0, #0A0H ；数据存储区首地址 MOV R2, #08H ；8路计数器 SETB IT1 ；边沿触发方式 SETB EA ；中断允许

SETB EX1 ；允许外部中断1中断 MOV DPTR,#0FEF8H ；D/A转换器地址 LOOP: MOVX @DPTR,A ；启动A/D转换 HERE: SJMP HERE ；等待中断 中断服务程序：

DJNZ R2,ADEND

MOVX A,@DPTR ；数据采样 MOVX @R0,A ；存数

INC DPTR ；指向下一模拟通道 INC R0 ；指向数据存储器下一单元 MOVX @DPTR,A ADEND: RETI 3.3 87c552简介 3.3.1 87c552概述

87C552单片机系统

87C552具有如下特点：68个引脚，8k字节的片内程序存储器，可外部扩展64k字节。256字节的随机存取数据存储器（RAM），5个外部双向8位输入/输出（I/O）口，4个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信

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口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，87C552设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式 下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件 复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

J?12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334P5.0/ADC0VDDSTADCPWM0PWM1EWP4.0/CMSR0P4.1/CMSR1P4.2/CMSR2P4.3/CMSR3P4.4/CMSR4P4.4/CMSR5P4.6/CMT0P4.7/CMT1RSTP1.0/CT0IP1.1/CT1IP1.2/CT2IP1.3/CT3IP1.4/T2P1.5/RT2P1.6/SCLP1.7/SDAP3.0/RxDP3.1/TxDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDNCXTAL2XTAL187C552NCVSSVSSNCP2.0/A08P2.1/A09P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15PSENALE/PROGEA/VppP0.7/AD7P0.6/AD6P0.5/AD5P0.4/AD4P0.3/AD3P0.2/AD2P0.1/AD1P0.0/AD0AVref+AVref+AVSSAVDDP5.7/ADC7P5.6/ADC6P5.5/ADC5P5.4/ADC4P5.3/ADC3P5.2/ADC2P5.1/ADC13536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676887C552 3.3.2 主要特性

·与MCS-51 产品指令系统完全兼容 ·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-24MHz ·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

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3.3.3 管脚说明

VCC：供电电压

GND：接地

STADC：启动AD操作

PWM0：脉宽调制：输出0（低电平有效） PWM1：脉宽调制：输出1（低电平有效） EW：看门狗使能

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。

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。

P2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。

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。 P3.0 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口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 P4口：8位可编程的I/O口

P5口：8位输入出口：ADC0-ADC7可选功能AD的8位输入口路输入通道

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的 脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无

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效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H- FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。 AVdd：模拟电源 AVss：模拟地

AVREF+:AD转换参考电阻:高端 AVREF-:AD转换参考电阻:低端 VSS：数字地 3.3.4 振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，

这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。 3.3.5 芯片擦除

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 串口通讯

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单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢？

SBUF 数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF？而不是收发各用一个寄存器。”实际上SBUF 包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址－99H。CPU 在读SBUF 时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H 地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfr SBUF = 0x99;当然你也可以用其它的名称。通常在标准的reg51.h 或at89x51.h 等头文件中已对其做了定义，只要用#include 引用就可以了。 SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。SCON 就是51 芯片的串行口控制寄存器。它的寻址地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51 芯片串行口的工作状态。51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON 寄存器。它的各个位的具体定义如下： SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI

SM0、SM1 为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。串行口工作模式设置。

SM0 SM1 模式 功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc/12 0 1 1 8位UART 可变

1 0 2 9位UART fosc/32 或fosc/64 1 1 3 9位UART 可变

在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。表中的fosc 代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。UART 为(Universal Asynchronous Receiver）的英文缩写。

SM2 在模式2、模式3 中为多处理机通信使能位。在模式0 中要求该位为0。 REM 为允许接收位，REM 置1 时串口允许接收，置0 时禁止接收。REM 是由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1 都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机

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来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0 来禁止接收，在子程序结束处加入REM=1 再次打开串口接收。大家也可以用上面的实际源码加入REM=0 来进行实验。

TB8 发送数据位8，在模式2 和3 是要发送的第9 位。该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。

RB8 接收数据位8，在模式2 和3 是已接收数据的第9 位。该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。在模式0 中，RB8 为保留位没有被使用。在模式1 中，当SM2=0，RB8 是已接收数据的停止位。

TI 发送中断标识位。在模式0，发送完第8 位数据时，由硬件置位。其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申请中断，CPU 响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式下，TI 都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到SBUF 后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开），这时TI=1，表明发送已完成，TI 不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。

RI 接收中断标识位。在模式0，接收第8 位结束时，由硬件置位。其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。RI=1，申请中断，要求CPU 取走数据。但在模式1 中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI 置位。同样RI 也必须要靠软件清除。常用的串口模式1 是传输10 个位的，1 位起始位为0,8 位数据位，低位在先，1 位停止位为1。它的波特率是可变的，其速率是取决于定时器1 或定时器2 的定时值（溢出速率）。AT89C51 和AT89C2051 等51 系列芯片只有两个定时器，定时器0 和定时器1，而定时器2是89C52 系列芯片才有的。 波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600 会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600 个二进位，而一个字节要8 个二进位，如用串口模式1 来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10 个二进位，9600 波特率用模式1 传输时，每秒传输的字节数是9600÷10＝960 字节。51 芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M 的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2 的波特率是固定在fosc/64 或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON 寄存器中的SMOD位，如SMOD 为0，波特率为focs/64,SMOD 为1，波特率为focs/32。模式1 和模式3 的波特率是可变的，取决于定时器1 或2（52 芯片）的溢出速率。那么我们怎么去计算这两个模

式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？可以用以下的公式去计算。

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波特率＝（2SMOD÷32）×定时器1 溢出速率

上式中如设置了PCON 寄存器中的SMOD 位为1 时就可以把波特率提升2 倍。通常会使用定时器1 工作在定时器工作模式2 下，这时定时值中的TL1 做为计数，TH1 做为自动重装值 ，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1 的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式2 下定时器1 溢出速率的计算公式如下： 溢出速率＝（计数速率）/(256－TH1)

上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51 芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH 的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51 芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M 的晶振用在51 芯片上，那么51 的计数速率就为1M。通常用11.0592M 晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？计算一下就知道了。如我们要得到9600 的波特率，晶振为11.0592M 和12M，定时器1 为模式2，SMOD 设为1，分别看看那所要求的TH1 为何值。代入公式： 11.0592M

9600＝(2÷32)×((11.0592M/12)/(256-TH1)) TH1＝250 12M

9600＝(2÷32)×((12M/12)/(256-TH1)) TH1≈249.49

上面的计算可以看出使用12M 晶体的时候计算出来的TH1 不为整数，而TH1 的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600 波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M 的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。

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3.4 部分原件简介 3.4.1 数据存储器6264

J?1234567891011121314NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND6264VCCWECE2A8A9A11OEA10CE1D7D6D5D4D328272625242322212019181716156264 图-6264引脚图 Intel 6264芯片

（1）Intel 6264的特性及引脚信号

Intel 6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造 A12～A0（address inputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间。 D7～D0（data bus）：数据线，双向，三态。

（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 （write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。

（chip enable）：片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。

CE2（chip enable）：片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V工作电压。 GND：信号地。

（2）Intel 6264的操作方式

Intel 6264的操作方式由, , , CE2的共同作用决定

① 写入：当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的存储单元。

② 读出：当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。

③ 保持：当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。

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3.4.2 程序存储器2764

J?1234567891011121314VPPA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND2764VCCPGMNCA8A9A11OEA10CED7D6D5D4D328272625242322212019181716152764 图-2764引脚图

2764是8K*8字节的紫外线镲除、电可编程只读存储器，单一+5V供电，工作电流为75mA，维持电流为35mA，读出时间最大为250nS，28脚双列直插式封装。各引脚的含义为：

A0-A12为13根地址线，可寻址8K字节；O0-O7为数据输出线；CE为片选线；OE为数据输出选通线；PGM为编程脉冲输入端；Vpp是编程电源；Vcc是主电源。 正常工作（只读）时，Vpp=Vcc=+5V,～PGM=+5V。

编程时，Vpp＝+25V（高压），～PGM端加入宽度为50ms的负脉冲。

EPROM电路

EPROM 2764的外部引线如图所示。这是一块8K×8bit的EPROM芯片，它的引线与SRAM芯片6264是兼容的。这给使用者带来很大方便。因为在软件调试过程中，程序经常需要修改，此时可将程序先放在6264中，读写修改都很方便。调试成功后，将程序固化在2764中，由于它与 6264的引脚兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。这样，程序就不会由于断电而丢失。 下面介绍2764各引脚的含义:

① A0一A12：13根地址输入线。用于寻址片内的8K个存储单元。

② D0～D7：8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。编程时为数据输入线。

③ OE：输出允许信号。低电平有效。当该信号为0时，芯片中的数据可由D0～D7端输出。

④ CE：选片信号。低电平有效。当该信号为0时表示选中此芯片。．

⑤ PGM:编程脉冲输入端。对EPROM编程时，在该端加上编程脉冲。读操作时该信号为1。 ⑥ VPP：编程电压输入端。编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对VPP的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。 说明：

EPROM的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净EPROM芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH。要对一个使用过的EPROM进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射

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EPROM的窗口，一般经过15—20min即可擦除干净。擦除完毕后可读一下EPROM的每个单元，若其内容均为FFH，就认为擦除干净了。 3.4.3 555 8JP?25VCC4RQDISTHR376TRIGGNDCVolt 1各脚主要功能： ·地 GND ·触发 ·输出 ·复位 ·控制电压 ·门限(阈值） ·放电 ·电源电压Vcc

4 HEADER555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图 2.9.1 和图 2.9.2 所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3

555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。

词名：555 timer 中文解释：555定时器

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3.4.4 74LS138

JP?123ABCLS38Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y01110987654 74LS138 为3 线－8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结

构型式，

其工作原理如下：

当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E1)和/(E2)）为

低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低 电平译出。

利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反 相器还可级联扩展成 32 线译码器。

74LS138的真值表如下表所示

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3.4.5 74LS373

JP?12345678910EA0A1A2A3A4A5A6A7GNDVCCQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0G2019181716151413121174LS373功能简介：

74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片.本文将介绍74ls373的工作原理,引脚图(管脚图),内结构图、主要参数及在单片机系统中的典型应用电路. 74ls373工作原理简述:

74LS373的输出端O0~O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7

为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

74ls373内部逻辑结构图：

HEADER 10X2

74LS373的真值表(功能表)，表中：

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L——低电平； H——高电平； X——不定态；

Q0——建立稳态前Q的电平；

G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE——

使能端，接地。

当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；

当G为下降沿时，将输入数据锁存。

E 0 0 1 G 0 1 X 功 能 直通Qi = Di 保持（Qi保持不变） 输出高阻 当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7 状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。 1D~8D为8个输入端。 1Q~8Q为8个输出端。 G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。

OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。

(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);

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(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、

5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.

锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。

3.6 LCD显示器 3.6.1 LCD显示器

74ls373引脚(管脚)排列图:

74ls373电气特性

74ls373推荐工作条件

74ls373在单片机系统中的应用电路图:

图3.6.1 LED数码

LED数码有共阳和共阴两种，把这些LED发光二极管的正极接到一块（一般是拼成一个8字加一个小数点）而作为一个引脚，就叫共阳的，相反的，就叫共阴的，那么应用时这个脚就分别的接VCC和GND。再把多个这样的8字装在一起就成了多位的数码管了。

找公共共阴和公共共阳首先，我们找个电源|稳压器（3到5伏）和1个1K（几百的也欧的也行）的电阻， VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的找到一个就够了，，然后用GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。

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图3.6.2 共阴极

相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的了。

图 3.6.3 共阳极

为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就有为LED显示器提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同字型，因此该代码称之为段码（或称为字型码）

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7段发光二极管，再加上一个小数点，共计8段。因此提供给LED显示器的段码（或称之为字型码）正好是一个字节。各段与字节各位对应关系如下： 表3.6.1 各段与字节对应位 代码位

按照上述格式，8段LED的段码如表3.6.2所示

表3.6.2 LED段码 显示段

dp g f e d c b a D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

3.6.2 LCD显示器的工作原理

从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显

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示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5μm均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。

背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，与CRT显示器相比亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。

对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关。背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中，因为只使用2个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。

信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。有些厂商会通过将液晶体内的导电离子浓度降低来实现信号的快速响应，但其色彩饱和度、亮度、对比度就会产生相应的降低，甚至产生偏色的现象。这样信号反应时间上去了，但却牺牲了液晶显示器的显示效果。有些厂商采用的是在显示电路中加入了一片IC图像输出控制芯片，专门对显示信号进行处理的方法来实现的。IC芯片可以根据VGA输出显卡信号频率，调整信号响应时间。由于没有改变液晶体的物理性质，因此对其亮度、对比度、 色彩饱和度都没有影响，这种方法的制造成本也相对较高。

由上便可看出，液晶面板的质量并不能完全代表液晶显示器的品质，没有出色的显示电路配合，再好的面板也不能做出性能优异的液晶显示器。随着LCD产品产量的增加、成本的下降，液晶显示器会大量普及。 4 PID控制 4.1 PID控制器介绍

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：

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测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为

u(t)?kp(e(t)?1T?0e(t)dt?TDU(s)E(s)tde(t)dt)

?TDs)

因此它的传递函数为：

G(s)??kp(1?1TIs 其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。 其次，PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp，Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。 在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。

在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：

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如果自整定要以模型为基础，为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。

如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。

因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。

PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。

虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。 1、开环控制系统

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开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。 2、闭环控制系统

闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 3、阶跃响应

阶跃响应是指将一个阶跃输入（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。

4、PID控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

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积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 5、PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

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在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20--60，I（分）3--10，D（分）0.5--3 对于流量系统：P（%）40--100，I（分）0.1--1 对于压力系统：P（%）30--70，I（分）0.4--3 对于液位系统：P（%）20--80，I（分）1--5 参数整定找最佳，从小到大顺序查 先是比例后积分，最后再把微分加 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢，积分时间往下降 曲线波动周期长，积分时间再加长 曲线振荡频率快，先把微分降下来 动差大来波动慢。微分时间应加长 理想曲线两个波，前高后低4比1 一看二调多分析，调节质量不会低 4.2 PID控制实现

1 ． PID 的反馈逻辑

各种变频器的反馈逻辑称谓各不相同，甚至有类似的称谓而含义相反的情形。系统设计时应以所选用变频器的说明书介绍为准。所谓反馈逻辑，是指被控物理量经传感器检测到的反馈信号对变频器输出频率的控制极性。例如中央空调系统中，用回水温度控制调节变频器的输出频率和水泵电机的转速。冬天制热时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度低，要求提高变频器输出频率和电机转速，加大热水的流量；而夏天制冷时，如果回水温度偏低，反馈信号减小，说明房间温度过低，可以降低变频器的输出频率和电机转速．减少冷水的流量。由上可见，同样是温度偏低，反馈信号减小，但要求变频器的频率变化方向却是相反的。这就是引入反馈逻辑的原由。几种变频器反馈逻辑的功能选择见表 1 。 2 ．打开 PID 功能

要实现闭环的 PID 控制功能，首先应将 PID 功能预置为有效。具体方法有两种：一是通过变频器的功能参数码预置，例如，康沃 CVF-G2 系列变频器，将参数 H-48 设为 O 时，则无 PID 功能；设为 1 时为普通 PID 控制；设为 2 时为恒压供水 PID 。二是由变频器的外接多功能端子的状态决定。例如安川 CIMR-G 7A 系列变频器，如图 1 所示，在多功能输入端子 Sl-S10 中任选一个，将功能码 H1-01 ～ H1-10( 与端子 S1-S10 相对应 ) 预置为 19 ，则该端子即具有决

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定 PI[) 控制是否有效的功能，该端子与公共端子 SC “ ON ”时无效，“ OFF ”时有效。应注意的是．大部分变频器兼有上述两种预置方式，但有少数品牌的变频器只有其中的一种方式。

在一些控制要求不十分严格的系统中，有时仅使用 PI 控制功能、不启动 D 功能就能满足需要，这样的系统调试过程比较简单。 3 ．目标信号与反馈信号

欲使变频系统中的某一个物理量稳定在预期的目标值上，变频器的 PID 功能电路将反馈信号与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整输出频率和电动机的转速。所以，变频器的 PID 控制至少需要两种控制信号：目标信号和反馈信号。这里所说的目标信号是某物理量预期稳定值所对应的电信号，亦称目标值或给定值；而该物理量通过传感器测量到的实际值对应的电信号称为反馈信号，亦称反馈量或当前值。 PID 控制的功能示意图见图 2 。图中有一个 PID 开关。可通过变频器的功能参数设置使 PID 功能有效或无效。 PID 功能有效时，由 PID 电路决定运行频率； PID 功能无效时，由频率设定信号决定运行频率。 PID 开关、动作选择开关和反馈信号切换开关均由功能参数的设置决定其工作状态。

4 ．目标值给定

如何将目标值 ( 目标信号 ) 的命令信息传送给变频器，各种变频器选择了不同的方法，而归结起来大体上有如下两种方案：一是自动转换法，即变频器预置 PID 功能有效时，其开环运行时的频率给定功能自动转为目标值给定．如表 2 中的安川 CIMR-G 7A 与富士 P11S 变频器。二是通道选择法，如表 2 中的康沃 CVF-G2 、森兰 SB12 和普传 P17000 系列变频器。

以上介绍了目标信号的输入通道，接着要确定目标值的大小。由于目标信号和反馈信号通常不是同一种物理量。难以进行直接比较，所以，大多数变频器的目标信号都用传感器量程的百分数来表示。例如，某储气罐的空气压力要求稳定在 1 ． 2MPa ，压力传感器的量程为 2MPa ，则与 1 ． 2MPa 对应的百分数为 60 ％，目标值就是 60 ％。而有的变频器的参数列表中，有与传感器量程上下限值对应的参数，例如富士 P11S 变频器，将参数 E40( 显示系数 A) 设为 2 ，即压力传感器的量程上限 2MPa ：参数 E41( 显示系数 B) 设为 0 ，即量程下限为 0 ，则目标值为 1 ． 2 。即压力稳定值为 1 ． 2 MPa 。目标值即是预期稳定值的绝对值。

5 ．反馈信号的连接

各种变频器都有若干个频率给定输入端，在这些输入端子中，如果已经确定一个为目标信号的输入通道，则其他输入端子均可作为反馈信号的输入端。可通

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过相应的功能参数码选择其中的一个使用。比较典型的几种变频器反馈信号通道选择见表 3 。

6 ． P 、 I 、 D 参数的预置与调整 (1) 比例增益 P

变频器的 PID 功能是利用目标信号和反馈信号的差值来调节输出频率的，一方面，我们希望目标信号和反馈信号无限接近，即差值很小，从而满足调节的精度：另一方面，我们又希望调节信号具有一定的幅度，以保证调节的灵敏度。解决这一矛盾的方法就是事先将差值信号进行放大。比例增益 P 就是用来设置差值信号的放大系数的。任何一种变频器的参数 P 都给出一个可设置的数值范围，一般在初次调试时， P 可按中间偏大值预置．或者暂时默认出厂值，待设备运转时再按实际情况细调。 (2) 积分时间

如上所述．比例增益 P 越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节 I ，其效果是，使经过比例增益 P 放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大 ( 或减小 ) ，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间 I 太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。因此， I 的取值与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，积分时间应短些；拖动系统的时间常数较大时，积分时间应长些。 (3) 微分时间 D

微分时间 D 是根据差值信号变化的速率，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，克服因积分时间过长而使恢复滞后的缺陷。 D 的取值也与拖动系统的时间常数有关：拖动系统的时间常数较小时，微分时间应短些；反之，拖动系统的时间常数较大时， 微分时间应长些。 (4)P 、 I 、 D 参数的调整原则

P 、 I 、 D 参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益 P 。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间 I ，还可加大微分时间 D 在该系统中，通过将输出信号反馈给输入端，经过PID控制器比较判断，决定输出值是否超过设定值，如果如果输出值超过设定值，则PID控制器通过控制阀门开闭的大小来控制输出量，使其降低到设定值；如果输出值低于设定值，则PID控制器通过控制阀门开闭的大小来控制输出量，使其升高到设定值。

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