综合课程设计报告-基于单片机的瓦斯监测仪的设计.doc

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1、河 北 联 合 大 学 轻 工 学 院综 合 课 程 设 计设计说明书班 级：08测控1班学 号：2姓 名：李子超电气工程学院2011年12 月28 日综合课程设计成绩评定表设 计 题 目煤矿瓦斯监测系统设计姓 名李子超班级08测控1班答辩小组成员（职称）：龚瑞昆（教授）、张湧涛（教授）、赵延军（副教授）说明书主要内容：（小摘要）1：目前我国煤矿的安全事故频频发生，其原因是多方面的，但井下安全监测手段落后是其中的一个主要原因。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。2：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。3：采用声光报警系统，

2、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。4：这种智能传感器采用闭环控制来确保采样的平稳。5：该传感器以AT87C552单片机为核心，实现对瓦斯的检测、报警和控制。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。评定成绩： 答辩小组组长： 年 月 日 目 次引言11 文献综述31.1 关于瓦斯31.1.1 矿井瓦斯监控技术31.2 系统原理介绍42 总体设计方案52.1 硬件电路介绍52.1.1 恒温控制信号取样电路62.1.2 锯齿波发生电路72.1.3 电压比较电路92.1.4 脉冲电压稳幅电

3、路92.1.5 声光报警电路103 具体实施方案123.1 CPU模块设计- AT89S8252 单片机的结构及原理简介123.2 智能瓦斯传感器的设计123.3智能监控系统下位机的软件框架143.4 LCD显示器183.5 PID控制20PID控制实现213.6 软件流程图24总结26参考文献26引言在我国煤矿安全事故中, 瓦斯爆炸造成的伤亡人数占所有重大事故伤亡人数的70 % 以上, 成为实现安全生产的最大障碍, 及时准确地检测瓦斯含量, 在安全生产中具有重要意义。为了适应现代社会煤矿安全的要求, 针对我国中小型煤矿特别是小型煤矿存在的隐患问题, 现代化的、小型的、价格低廉的煤矿安全监测系

4、统的研制势在必行, 它的研制在煤矿安全方面具有举足轻重的作用, 所以设计一种低成本煤矿瓦斯监测系统是适应我国许多中小型煤矿需求的。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，在一定条件下可和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。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和含量、井下空气状况、设备的运转情况等数据，然后

5、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和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

6、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。我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AT87C552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

7、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。1 文献综述1.1 关于瓦斯1.1.1 矿井瓦斯监控技术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SCADA系统

8、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、微型计算机的广泛使用，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

9、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使用，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和使用，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，缩小了我国和国外先进技术水平的差距。1.2 系统原理介绍电路简介根据上述的变流瓦斯检测原理，设计了如图所示的变流瓦斯检测电路，

10、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。2 总体设计方案2.1 硬件电路介绍根据上节所述的变流瓦斯检测原理，设计了如图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。智能瓦斯监控系统总电路图2.1.1 恒温控制信号取样电路和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，不能直接和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

11、，以使其能和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：式中、为无瓦斯时的阻值，、为电流流经元件时温度上升产生的阻值，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、的值都是非常小的，故U也很小，需要经过放大才能和锯齿波进行比较。则 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1619时，测得的黑白元件的阻值分别为

12、8.236和8.227（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10左右，电流大概是150mA，则黑元件上产生的电压大概为0.265V。取为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和锯齿波电压进行比较。2.1.2 锯齿波发生电路555定时器是一种使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、控制和检测。图9为NE555和R2，R3，C1组成的无稳

13、态多谐振荡器：振荡器的输出频率为：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1

14、0所示： 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

15、任意地设置到从Vref（2.5V）到36V的任何值，工作电流范围为1mA100mA，K、A脚两端输出电压为：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。2.1.5 声光报警电路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。

16、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

17、为电信号，且放大后加至555时基电路的触发端脚。555和R6、C2组成一个单稳态触发器，调节电阻R6使脚的电压略高于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555脚通过R5和D1将输出高电平反馈到触发端脚，以免后继脉冲或其他干扰影响

18、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。3 具体实施方案3.1 CPU模块设计- AT89S8252 单片机的结构及原理简介AT89S8252 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器,具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造, 和工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程, 亦适常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash , 使得AT89S8252 为众多嵌入式控制使用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S8252 具有以下标准功能: 8k字节F

19、lash , 256 字节RAM , 32 位I/ O 口线, 看门狗定时器, 2 个数据指针, 三个16 位定时器/ 计数器, 一个6 向量2 级中断结构, 全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外,AT89S8252 可降至0Hz 静态逻辑操作, 支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下, CPU 停止工作, 允许RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下, RAM 内容被保存, 振荡器被冻结, 单片机一切工作停止, 直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S8252 单片机内部原理3.2 智能瓦斯传感器的设计传感元件位于传感器系统之首, 被测瓦斯含量由它转换为电信号才能供

20、给电路处理, 因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。在选用传感元件时, 一是测量精度高; 二是工作可靠; 三是工作条件能适应恶劣环境的要求, 最重要的是应具有防爆功能。通过慎重调研对比, 最后选用了中国船舶重工集团公司生产的LXK- 2 新型载体催化元件, 其优于传统的催化元件, 在响应特性、长期储存特性、温度特性和长期稳定性方面, 都有了明显的改进。载体催化元件由一个带催化剂敏感元件(俗称黑元件) 和一个不带催化剂的补偿元件(俗称白元件) 构成, 两个元件的结构和尺寸均相同, 催化元件最里层是铂丝线圈, 外面是载体和催化剂形成的催化外壳。铂丝线圈用于通电加热催化外壳维持瓦斯催化燃烧反应所需

21、的温度同时又兼作感温元件。检测在催化反应中催化外壳温度的变化。催化反应的方程式为:CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 79515KJ传感器检测电桥催化反应过程中无焰燃烧放出热量, 增加了敏感元件铂丝的电阻值, 通过图3 所示惠斯通电桥测量的电路可以测量其载体催化元件电阻变化量, 图中RD 是敏感元件, RC 为补偿元件, 将RD 和RC 置于同一测量气室中, 由稳压源或恒流源供电, 在无瓦斯的新鲜空气中RD = RC 调整电桥使之平衡, 信号输出端电压UAB = 0 。当瓦斯进入气室, 在敏感元件RD 表面发生无焰催化燃烧RD 阻值随温度上升而增加为RD +RD , 而补偿元件R

22、C 阻值不变从而电桥失去平衡。当采用恒压源E 供电时, 输出不平衡电压为:UAB = ( RD + RD) E/ RC + RD + RD - E/ 2设RD = RC = R mRD 则:UAB RDE/ 2 RK13 RD显然, 电桥输出电压取决于敏感元件的阻值变化量RD对于铂丝元件其电阻变化量可用下式表示 RD = (H/ h) R0 = ( DCQ/ h) R0式中, 铂丝的电阻温度系数= 319485 10 - 3 / CH 为瓦斯燃烧热量;h 为敏感元件热容量;D 为瓦斯扩散系数;C 为被测环境中的瓦斯浓度;Q 为瓦斯分子燃烧热;R0 为铂丝0 时的阻值。其中a、h、R0 和敏感元

23、件的材料、性质、结构、尺寸有关, 扩散系数D 和瓦斯的分子燃烧热Q 都是常数, 可用一个常数k2 代表这些因素, 因而上式可写为:RD = k2* C则UAB = k1 k2 C即电桥输出电压和瓦斯浓度成正比 。系统通过实时监测从检测电路采集来的瓦斯浓度信息并在显示电路中显示相应的信息, 当瓦斯浓度过大时就会发出警报。瓦斯信息的采集又通过由A/ D 转换电路来传给单片机,实现实时的监控功能。通过单片机控制各部分实现其相应的功能。3.3智能监控系统下位机的软件框架分模块软件框架主程序的功能是: 开机以后, 首先进行初始化, 包括智能芯片有关变量的初始化, 单片机相关的寄存器以及I/ O 口初始化

24、等。同时负责管理和调用各个子程序。为保证下位机响应上位机呼叫的实时性, 串行通信采用中断方式进行数据的接收和发送, A/ D 转换结果的读取采取查询方式。设计主程序流程图如下：WRALE地址所存START寄存器清“0”A/D启动从图中可以看到，把ALE信号和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清零并将最低三位和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 DP

25、TR , #FE00H ；送入0809的口地址MOVX DPTR , A ；启动A/D转换（IN0）注意：此处的A和A/D转换无关，可为任意值。1 转换数据的传送 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128s，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

26、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 , #FE00HMOVX A , DP

27、TR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即可如前所述和地址线相连，也可和数据线相连，例如和D0D2相连。这是启动A/D转换的指令和上述类似，只不过A的内容不能为任意数，而必须和所选输入通道号IN0IN7相一致。例如当A、B、C分别和D0、D1、D2相连时，启动IN7的A/D转换指令如下：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/

28、D转换A/D转换使用举例 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 0A0H0A7H单元中,按图9.10所示的接口电路，ADC0809的8个通道地址为0FEF8H0FEFFH.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 H

29、ERE ；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: RETI3.4 LCD显示器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，那么使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

30、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。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。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）3.5 PID控制在工程实际中，使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。P

31、ID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，这时使用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。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

32、、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和完善。现在一般采用的是临界比例法。

33、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。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

34、，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

35、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( 和端子 S1-S10 相对应 ) 预置为 19 ，则该端子即具有决定 PI) 控制是否有效的功能，该端子和公共端子 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 目标信号和反馈信号 欲

36、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和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

37、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 和富士 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

38、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 ，则和 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，有和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，

39、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 参数的预置和调整 (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

40、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 的取值和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

41、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 的取值也和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

42、，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。3.6 软件流程图系统流程图如下图所示400次？ 启动A/D 等100ms 读A/D存取够8次？ 数字滤波 标准变换超限？ 报警 调模糊子程序返回NYNYNY返回开始 总结本设计主要大量研究目前煤矿监测系统的基础上, 提出了适合中小型煤矿瓦斯监测系统的设计方案, 在此基础上, 设计并实现了该系统。在

43、设计完成之后, 进行了系统中主要功能的实验验证, 证明智能数据采集终端可以正确采集开关量和模拟量,可以在模拟量超限时报警和断电; 智能瓦斯传感器可以在瓦斯超限时报警和断电; 作为上位机的PC 机可以实现数据显示、曲线绘制和报警的功能。实验证明, 该系统在监控准确性及可实用性方面都有较大的优势。通过这次设计，我对以前所学的知识有了更深刻的理解，而且在实践过程中，我通过不断地学习新的知识，弥补了自己知识结构的偏差，使我认识到，学习不仅要学习书本上的知识，更应该把知识使用到实际生活中去，这样才是学习的目的。参考文献1 Intel.Microcontroller Handbook,19982Inter

44、.Software Handbook,19843张毅刚.单片机原理及使用.北京：高等教育出版社，20044张毅刚.MCS-51单片机使用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19905徐君毅等。单片机微型计算机原理及使用。上海:上海科学技术出版社，19886涂时亮.单片机软件技术设计.重庆:科学文献出版社，19877陈粤初等.单片机使用系统设计和实践.北京：北京航空航天大学出版社，19918何立民.MCS-51单片机使用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，19909李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，199310何立民主编.单片机使用系统的功率接口技术.北

45、京：北京航空航天大学出版社，199311杨振江.智能仪器和数据采集系统中的新器件及使用.西安：西安电子科技大学出版社，200112 钱春丽, 张兴敢. 用于矿井环境监测的无线传感器网络J . 电子技术使用, 2006 , (9) : 21 - 23.13 罗蕾. 嵌入式实时操作系统及使用开发M . 北京: 北京航空航天出版社, 2005.14 韩宁. 基于ARM 的嵌入式煤矿安全生产监控终端J . 辽宁工程技术大学学报, 2006 , (6) : 66 - 68.15 万国峰. 基于专家系统的煤矿安全监测监控系统J . 计算机测量和控制, 2008 , (10) : 1424 - 1426.16 沈红卫. 基于单片机的智能系统设计和实现M . 北京: 电子工业出版社, 2005.