锅炉水位控制系统控制器课程设计说明书

北华大学毕业设计（论文） - 1 - 摘 要 锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。 现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。这样对汽包水位要求就更高了。而在常规的三冲量控制系统中，由于“虚假液位”的原因使得蒸汽负荷上升和下降时的动态特性曲线不对称，且系统参数具有时变性，不能求出准确的数学模型，也就不能设计 出准确的前馈控制器，只能实现静态前馈，能实现稳态无误差，但对动态性能控制不好。这样，就不能很好的满足现代工艺的要求。 考虑到模糊控制器的设计不需要知道该过程的数学模型以及它的其他特点都适合于这种蒸汽前馈控制，所以我们决定在这里用模糊控制器代替了三冲量控制系统中的蒸汽前馈控制中的常规控制器。而给水流量的扰动造成的汽包水位变化这一过程可以通过实验测试和数据处理得到精确的数学模型，这样就能够设计常规控制器来控制，并能达到很好的效果 德州仪器公司最近 出 MSC1211 带有 24 位分辨率的 A/D 转换器 ， 16 位 D/A 转换器， 8 通道多路开关，模拟输入通道测试电流源，输入缓冲器，可编程增益放大器，温度传感器，内部基准电压源， 8位微控制器，程序数据存储器和数据 SRAM等功能。 系统由传感器、单片机 MSC1211、 MAX7219 显示 芯片 、编程接口、 调节阀 等几部分构成。系统的工作过程：从传感器来的信号进入到 MSC1211 的内部对信号进行处理， 从而将 流量值 以相应的 数字 显示在显示器上。 本次设计的特点是：元件少、方案新、价格经济、体积小、编程方式简单、功能全、操作简单。 关键词： 锅 炉系统 ， 常规三冲量控制 ， 虚假液位 ， 模糊控制 ， MSC1211 北华大学毕业设计（论文） - 2 - Fuzzy Control Of Boiler Steam Drum Fluid Level System And Hardware Design Based On System Level Microcomputer Abstract The water level control system of the boiler is that the boiler produces the most important link in the control system. If unreasonable to the production operation of the boiler, manage improperly, it is improper to deal with, will often cause the accident. The majority in these accidents is improper in control because of the water level of the boiler were caused, can see the importance in the equipment control system of the boiler of control of water level of steam dome of the boiler. The modern industry boilers all develop in the direction of the large capacity high parameter, the general boiler is the larger in capacity, person who holds water of steam dome relative and light, water demand fluctuated to allow less.Have expected much the water level of the steam dome like this. Among routine three impulse control system, because reason of false liquid location make steam load rise and drop dynamic characteristic when curve asymmetric, degeneration, cant ask out the accurate mathematics model when and there are the systematic parameters, cant design the accurate feedforward controller either, can only realize the static feedforward , can realize that there is not error in the stable state , but does not control dynamic performance well. In this way, the request for meeting the modern craft that it cant be very good. Consider that the design of the fuzzy controller does not need to know that mathematics model and its other characteristics of this course are suitable for this kind of steam feedforward to control, So we determine replace three impulse steam feedforward of the control system control routine controller of with fuzzy controller in here. And this course of change of water level of steam dome caused to perturbation of water flow can pass experiment test and receive the accurate mathematics model with data processing , can design the routine controller to control like this, and can reach very good result. Dezhou instrument company produce MSC1211 with 24 resolution ratios A/D converter recently,16D/A converter recently， 8 passway more than No. switch, simulation input channel tests the electric current source, import the buffer , gain the amplifier , the temperature sensor , the inside basic voltage source programmably, such functions as 8 little controllers , procedure data memory and data SRAM 。 北华大学毕业设计（论文） - 3 - System by sensor, one-chip computer MSC1211, MAX7219 show, several parts。 Working course of the system: Keep from pressure difference that sensor come signal enter into inside of MSC1211 is it punish to go on to the signal, thus flow value so as to the corresponding digital display at the display. The characteristic designed this time is: Component little, scheme new , price economy , small, programming way simple with complete function operating simple. Key Words： Boiler system, Routine control of three impulse, The false liquid location, Control fuzzily, MSC1211 北华大学毕业设计（论文） - 1 - 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 2 引 言 . 1 1 理论基础 . 2 1.1 工业锅炉设备的基础知识 . 2 1.1.1 工业锅炉的分类和工艺流程 . 2 1.1.2 锅炉设备控制系统的分类 . 4 1.2 锅炉水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性 . 5 2 炉汽包水位的基本特性和常规汽包水位控制系统 . 6 2.1 锅炉汽包水位控制对象的基本特性 . 6 2.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的动态特性 . 7 2.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性 . 8 2.2 锅炉汽包水位的常规控制系统及其优缺点 . 10 2.2.1 单冲量水位控制系统 . 10 2.2.2 双冲量水位控制系统 . 10 2.2.3 三冲量水位控制系统 . 10 3 模糊控制系统的基本思想、特点及其和常规控制系统的比较 . 12 3.1 模糊控制的基本思想和特点 . 12 3.2 用模糊水位控制和常规控制系统的比较 . 14 3.3 汽包锅炉水位模糊控制系统的设计 . 15 4 系统设计 . 17 4.1 系统硬件构成及工作过程 . 17 4.2 硬件器件简介 . 19 4.2.1 MSC1211的结构和特性 . 19 4.2.2 MSC1211在本次设计中的使用 . 26 北华大学毕业设计（论文） - 2 - 4.2.3 专用 LED数码管显示电路（ MAX7219） . 35 5 软件设计 . 36 5.1 程序流程图 . 36 5.2 编程 . 42 5.3 硬件图 . 42 结 论 . 43 参 考 文 献 . 44 附录 A 硬件图 . 46 附录 B 程序清单 . 47 致 谢 . 50 北华大学毕业设计（论文） - 1 - 引 言 控制理论科学经历了从经典控制理论到现代控制理论，再到目前的智 能控制理论的发展过程。其主要研究对象也从单输入单输出的常系数线形系统，发展为多输入多输出的复杂控制系统。对现代复杂系统的研究，长期以来虽取得了一些进展，但其研究成果十分有限，有的问题还难以解决，特别是那些难以用数学模型描述的问题。显然，对于这些复杂控制系统的研究必须另辟蹊径。 人们在长 期的生产实践中发现，对于许多复杂的生产过程，难以用自动控制来实现，但在熟练的操作工、技术人员或专家的操作下却控制自如，可以获得满意的控制效果。操作人员在操作时并不需要知道系统的数学模型是什么，甚至对被控对象的特性也不甚了解，而是用一组自然语言表达的、定性的、不精确的判断规则，这种规则就称为模糊算法或模糊规则。 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描 述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。 本文介绍了利用美国德州仪器公司（ Texas Instrument）新近推出 的 一种功能很强的 系统级 单片机 MSC1211构成的智能水位控制器 ， 本文主要侧重的是硬件电路的设计。 北华大学毕业设计（论文） - 2 - 1 理论基础 1.1 工业锅炉设备的基础知识 1.1.1 工业锅炉的分类和工艺流程 锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反映器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平提供动力来源。因此，锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分。因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。 锅炉设备的种类很多，有多种分类方法，主要的有下面几种： 按容量分有大、中、小容量锅 炉。目前在我国额定蒸发量大于 300t/h 的称大容量锅炉； 100300t/h的称中容量锅炉；小于 100t/h的称小容量锅炉。 按蒸汽参数分有低压、中压、高压、超高压，亚临界压力和超临界压力锅炉。目前，气压低于 3000kpa，气温低于 400的为低压锅炉；气压 3000 5000kpa，气温400 500的为中压锅炉；气压 6000 13000kpa，气温 460 540的为高压锅炉；气压 14000 16000kpa，气温 540 600的为超高压锅炉；气压 17000 18000kpa，气温540 570的为 亚临界压力锅炉；气压为 22500kpa，气温 560 600的为超临界压力锅炉。 按使用燃料分有：燃煤炉、燃油炉、燃气炉等。 按水循环方式分有自然循环锅炉、强制循环锅炉、符合循环锅炉、低倍率循环锅炉等。 目前，在各类生产部门中，应用最多的是燃煤锅炉。对于燃煤锅炉按制粉系统分，有的设有中间储粉仓，粉煤从中间储粉仓由给粉机把煤送入炉膛燃烧，这叫储仓式锅炉；有的不设中间储粉仓，原煤通过磨煤机，将块煤变成粉，然后由一次风将煤粉直接吹入炉膛燃烧，这叫直吹式锅炉。另外也有按燃烧形式来分：有链箅炉、粉煤炉、沸腾炉等。 有 一些工业部门也使用燃油锅炉和燃气锅炉。在石油化工、油品炼制过程中，往往产生各种不同的残油、驰放气、炼厂气，为了提高技术经济指标，降低生产成本，减少北华大学毕业设计（论文） - 3 - 对环境的污染，往往把他们作为燃料烧掉，因而出现了油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。 在化工生产、石油炼制等工业部门，为了合理的利用热能，用化学反应中生成的热量产生各个部门所需的蒸汽，因而又出现了废热锅炉。另外在化工、造纸、制糖的工艺生产中，还会产生各种毫无规律的聚合物，各种浓度的酸泥、浆液、残液、废水，为了充分利用这些“燃料”，化费为宝，作到综合利用，因 此又出现了无规锅炉和废液锅炉。 所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图 1.1所示。 1 燃烧嘴； 2炉膛； 3汽包； 4减温器； 5 炉墙； 6 过热 器； 7 省煤器； 8 空气预热器 图 1.1 锅炉设备主要工艺流程 由图可知，燃料和空气按一定的比例送入燃烧室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。压力为 pm 的过热蒸汽，经负荷设备控制给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的 烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤气预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后，经过引风机送往烟囱，排入大气。 12345678过热蒸汽送负荷设备热空气送往炉壁给水 ( 由给水泵来 ) 冷空气 ( 由送风机来 )烟气 ( 经引风机送往烟囱 )热空气燃料北华大学毕业设计（论文） - 4 - 锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，燃料量，减温水，送风和引风等。主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气（烟气含量）等。锅炉对象简图如图 1.2所示。 图 1.2 锅 炉对象简图 这些输入变量与输出变量之间的相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度等亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的被控对象。 1.1.2 锅炉设备控制系统的分类 锅炉生产控制系统，是指锅炉生产过程的自动化系统。即通过各种检测仪表，调节仪表，控制装置（运 算器，监控器，执行器）等自动化技术工具，对锅炉生产过程中的温度，压力，流量，液位等热工变量进行自动控制的系统。自动控制的目的是实现各种最优的技术经济指标，减轻劳动强度，提高经济效益和生产率，节约能源，改善劳动环境条件。 锅炉设备 给水量 减温水 燃料量 送风量引风量 蒸汽负荷 水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压 北华大学毕业设计（论文） - 5 - 目前工程处理上作了一些假设后，将锅炉设备控制划分为若干个控制系统。主要控制系统如下。 1）锅炉汽包水位的控制 被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。他主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要 条件之一，是锅炉正常运行的指标。 2）锅炉燃烧系统的控制 其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比例，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。 3）过热蒸汽系统的控制 维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。被控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。 1.2 锅炉 水位控制系统在锅炉生产控制系统中的重要性 锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。 工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉 设备控制系统中的重要性。 工业锅炉汽包水位控制的任务是，使跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热管壁上的结垢。水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。因此，锅炉汽包水 位必须严加控制。 北华大学毕业设计（论文） - 6 - 2 炉汽包水位的基本特性和常规汽包水位控制系统 2.1 锅炉汽包水位控制对象的基本特性 工业锅炉的汽水系统结构如图 2.1所示。 567421381 给水母管； 2 调节阀； 3 省煤器； 4 汽包； 5 下水管； 6 上升管； 7 过热器； 8 蒸汽母管 图 2.1 锅炉的汽水系统 汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动就是蒸汽 流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么，汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为： DDDdwwww vkdtdvTvkdtdvTdtdkTdt kdTT 12221 （ 2.1） 式中 1T ， 2T 为等效时间常数 wT给水流量对象时间常数 dT蒸汽流量对象时间常数 1 2 3 8 北华大学毕业设计（论文） - 7 - wK给水流量对象放大系数 DK 蒸汽流量对象放大系数 2.1.1 汽包水位在给水流量扰动下的动态特性 给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性。 把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线应为一条直线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化后，使汽包内气泡含量减少，导致水位下降。因此实际水位响应曲线如图中红线，即当突然加大给水量后，汽包水位一 开始并不增加而要呈现一段起始惯性段。 图 2.2 给水量扰动下的水位特性曲线 用传递函数来描述时，他相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联，可表示为 sessW sH 0)( )( （ 2.2） 式中，0为给水流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度；0定义为：当扰动量为100%（从满负荷突然变化为零）， 水位（以允许变化的范围为 100%）的变化速度，单北华大学毕业设计（论文） - 8 - 位为 1s 。 为纯滞后时间，即给水流量扰动下的纯滞后时间，它的数值对于不同结构的锅炉都有差别。 给水温度越低，纯滞后时间 越大。一般 约在 15100s 之间。如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会使 增加到 100200s 之间。 由上图实际 100 吨锅炉给水系统图所得的数据根据切线法算得传递函数为 sessW sH 50901)( )( （ 2.3） 2.1.2 汽包水位在蒸汽负荷扰动下的动态特性 蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性 在蒸汽流量扰动下，水位响应曲线如图。从图上可以看出，在燃烧不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水 中气泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓 “虚假水位”现象。 “虚假水位”是由两个原因造成的： 由于锅炉蒸汽负荷增加，使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化（汽容积增加）而引起汽包水位上升，这是引起汽包“虚假水位”的主要原因。 蒸汽流量增加，汽包气压下降，炉水沸点下降，由于炉水为汽化的饱和水，使汽包水位随压力下降而升高。 图 2.3 蒸汽流量突加时给水系统曲线 北华大学毕业设计（论文） - 9 - 图 2.4 蒸汽流量突减时给水系统曲线 用传递函数来描述可以表示为 1)()(22 sT KssD sH t（ 2.4） 式中，t为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度； 2K ， 2T 分别为只考虑水面下气泡容积变化所引起的水位变化 2H 的放大倍数和时间常数。 由上图所得数据根据切线法算得蒸汽负荷增加时传递函数为 )140(70 160)( )( ss ssD sH（ 2.5） 蒸汽负荷减小时传递函数为 )140(70 130)( )( ss ssD sH（ 2.6） 而且，从以上真实的锅炉水位特性来看，二者的特性并不太一致。 北华大学毕业设计（论文） - 10 - 2.2 锅炉汽包水位的常规控制系统及其优缺点 汽包水位的常规控制系统有单冲量控制、双冲量控制与三冲量控制系统。下面就简单介绍一下这 3 种常规 PID 控制的优、缺 点。 2.2.1 单冲量水位控制系统 单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。 单冲量汽包水位控制系统的优点是：系统结构简单，成本低，对锅炉汽包容量比较大，汽包水位受到扰动后反映速度比较慢，“虚假水位”不是很严重的锅炉，采用单冲量水位控制是能满足生产要求的。 单冲量控制系统存在着一些缺点，那就是他没有考虑蒸汽负 荷增加时造成的“虚假水位”现象，扩大了进出流量的不平衡。他也解决不了由于给水流量变化时，调节器动作后要经过一段滞后时间才能对汽包液位发生影响的问题，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。 2.2.2 双冲量水位控制系统 双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就向正确的方向动作。 因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。 双冲量控制由于有以上特点，所以能在负荷频繁变化的工程下较好的完成水位控制任务。在给水流量比较平稳时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。 双冲量水位控制系统存在的问题是：控制作用不能及时的反映给水方面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位变化时才通过调节器作用执行器进行调节，滞后时间长，水位波动较大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制。 2.2.3 三冲量水位控制系统 三冲量控制系统，以汽包水位为主控制信号， 蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。三冲量水位控制系统组成原理图如图 2.5。 北华大学毕业设计（论文） - 11 - I = Ic + C * If - I 0汽包省煤器汽关阀给水蒸气ifL I C101F I C101if图 2. 5 三冲量水位控制系统原理图 现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在很短的时间内就会发生危险水位；如果仅是给水量和蒸汽量不相适应，也可能在几分钟内出现缺水和满水事故，这样对汽包水位要求就更高了。 北华大学毕业设计（论文） - 12 - 3 模糊控制系统的基本思想 、特点及其和常规控制系统的比较 3.1 模糊控制的基本思想和特点 经典控制理论和现代控制理论都是建立在系统的精确的数学模型基础之上的。由于许多生产过程的精确数学模型难以获得，因而无法采用经典控制理论和现代控制理论的方法进行生产过程控制。另外，在心理学、生物学、医学、管理学等领域，传统的定量分析方法有时会遇到很大困难。 与此相反，对于上述一些难以自动控制的一些生产过程，有经验的操作人员进行手动控制，却可以收到令人满意的效果。再这样的事实面前，人们又研究和考虑人的控制行为有什么特点，能否对于无法构造数学模型的对象让计算 机模仿人的思维方式，进行控制决策。 总结人的控制行为，正是遵循反馈及反馈控制的思想。人的手动控制决策可以用语言加以描述，总结成一系列条件语句，既控制规律。运用微机程序来实现这些控制规则，微机就起到了控制器的作用。于是，利用微机取代人可以对控制对象进行自动控制。模糊控制器正是基于这一事实，致力于这类过程的研究，从而给出控制的定量描述，设计出模糊控制器，模拟操作人员的操作经验。 模糊控制只是在所采用的控制方法上应用了模糊数学理论，但它所进行的却仍然是确定性的工作，它不仅能成功的实现控制，而且还能成功的模仿人的思维方法，对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效控制。模糊控制最大的特点就是不需要画出精确的数学模型，因而具有很强的鲁棒性。 在描述控制规则的条件语句中的一些词语，如 “较大 ”， “较小 ”， “偏高 ”等都具有一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些模糊条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。1974 年英国马丹尼首先设计了模糊 控制器，并用于锅炉和蒸汽机的控制，取得了成功。 （ 1） 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 （ 2） 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 北华大学毕业设计（论文） - 13 - （ 3） 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则 却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 (4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 （ 5） 模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 （ 6）模糊控制器的设计：确定模糊控制器的输入变量和输出变量 对于锅炉汽包水位的模糊控制系统 ,采用常见的二维模糊控制器 ,即它的输入变量是给定水位和实际水位的偏 差及偏差的变化： e(k) = yr (k) - y(k) (3.1) ec(k) = e(k) - e(k - 1) (3.2) 公式 (3.1)表示水位的偏差 ,其中 yr (k)代表给定水位。当水位 y(k)高于 yr (k)时 ,即实际水位高于给定水位 ,偏差为“负” ,水位高得越多 ,则偏差负 得越大 ；相反 ,y(k)低于 yr (k)时 ,即实际水位低于给定水位 ,偏差为“正” ,水位低得越多 ,则偏差正得越大。 公式 (3.2)表示水位偏差的变化。当 k 时刻的水位偏差高于 k - 1 时刻的水位偏差 ,说明水量变化在增大 ,即实际水位有上涨趋势 ,偏差变化为“负” ；相反 ,当 k 时刻的水位偏差低于 k - 1 时刻的水位偏差 ,偏差变化为“正”。模糊控制器的输出量是阀门开度 u(k) 的变化 ,它直接影响水位 y ( k) 的变化。输出控制量对应阀门开度变化 ,阀门开大为“正” ,表明注水量加大 ；反之 ,则阀门关 闭为“负”。 模糊控制系统框图与常规控制系统框图的比较： 北华大学毕业设计（论文） - 14 - 图 3.1 常规控制系统方框图 图 3.2 模糊控制系统框图 3.2 用模糊水位控制和常规控制系统的比较 由常规控制理论的局限性和模糊控制理论的特点可以看出，对于存在精确数学模型的自动控制系统，常规控制理论发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。但在实际系统中，工业生产过程是极其复杂的，无法得到描述这些过程的数学模型，尽管通过各种测试手段及数据处理方法获得数学模型， 但也很难得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程。这样常规控制理论就无法胜任，必须寻求新的控制理论来取代常规控制理论进行控制。 三冲量系统可以克服“虚假液位”引起的反向动作，并且可以克服给水流量信号变化而引起调节器动作做不及时而引起的水位波动。但是各种参数又存在不同程度的时变北华大学毕业设计（论文） - 15 - 性，且过程具有非线性，强耦合的特点，特别是蒸汽负荷变化对水位的影响，当蒸汽负荷增加和减小时，汽包水位在蒸汽作用下的动态特性不一致，这样很难确定三冲量控制系统中蒸汽前馈系统的精确数学模型，这就使得三冲量控制系统的控制规律很难找到，即使找到 控制规律也很难作的精确。因此，蒸汽前馈控制系统的控制器就很难设计，即使设计好也只能实现静态前馈，稳态无误差，但对动态性能控制不好。这样想采用三冲量水位控制系统来实现锅炉水位的自动控制而又达到规定的工艺要求异常困难。 对于大型锅炉，汽包的容量相对较小，则对锅炉汽包水位的要求更高，汽包水位就必须实现全自动控制才能满足。因而，汽包水位控制就采用比较复杂而投资比较大的控制系统。对于中小型锅炉，汽包的容量相对较大，则对汽包水位的控制要求就没那么高，又由于常规三冲量控制系统很难实现汽包水位的自动控制，所以中小型锅炉允许 适当的采用手动控制。这样对于中小型锅炉就可以考虑用模糊控制系统来取代常规的三冲量 PID 控制系统。 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的 复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。 三冲量锅炉水位控制系统中的蒸汽前馈控制部分正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在的时变性而导致无法确定这一过程的数学模型，这样就不能设计常规的控制器进行控制。考虑到模糊控制器的设计不需要知道该过程的数学模型以及它的其他特点都适合于这种蒸汽前馈控制，所以我们决定在这里用模糊控制器代替了三冲量控制系统中的蒸汽前馈控制中的常规控制器。而给水流量的扰动造成的汽包水位变化这一过程可以通过实验测试和数据处理得到精确的数学模 型，这样就能够设计常规控制器来控制，并能达到很好的效果。 3.3 汽包锅炉水位模糊控制系统的设计 北华大学毕业设计（论文） - 16 - 图 3.3 锅炉汽包液位系统模糊控制框图 图 3.4 锅炉汽包水位模糊控制系统的结构图 在本设计中前馈和反馈中均用到了模糊控制器。在动态前馈中，采用单维模糊控制器。因为对象特别复杂，不易调节；其次，对象是变化的，不稳定；最后，因为调节的是水位，要求不是很高，所以不用特别精确。在反馈中，采用二维模糊控制器，因为不止涉及到液位的影响，还有蒸汽，温度，水压等的影响，所以采用精确度较高的模糊控制器。 北华大学毕业设计（论文） - 17 - 4 系统设计 4.1 系统硬 件构成及工作过程 图 4.1 系统级微机的锅炉汽包液位智能控制系统的 硬件组成图 系统级微机的锅炉汽包液位智能控制系统 的硬件系统构成如图 1 所示。系统由 差压变送器 、低功耗单片机 MSC1211、 MAX7219 显示、编程接口、 液位调节阀 等几部分构成。显示采用 串行 接口，编程接口采用 片内 串行口。 系统的工作过程：从 差压变送器 来的 差压 信号进入到 片内 A/D 转换器， 及 内部具有的 可编程 可变 增益放大器，可根据输入信号的范围自动设置增益放大倍数， A/D 转换器对模拟信号数字化并进行数字滤波后， 再 从存储器中读取零点、线性度校正系数后，进行温度补偿和非线性补偿，然后根据量程范围进行量程转换，从而 把 相应 流量检测结果显示在显示器上。 方案论证： 由于 MSC1211 是一款内置 8051 内核及其他高性能外围 设备的 24 位Delta-sigma 模数转换器，可为高精度数据采集系统提供片上解决方案。 MSC1211包含了设计中所需的多种功能，如： 1.高精度模数转换：高于 22位的有效精度； 显 示 传感元件 MSC1211 调节阀 键盘接口 北华大学毕业设计（论文） - 18 - 2. 嵌入式传感信号调整电路：输入缓存器、可编程增益放大、偏置数模转换器、增益与偏置校正功能； 3.低功耗降低了对供电网络的要求：小于 4mW； 4.增强型的处理器内核：每条指令 4个机器周期的 8051核； 5.嵌入式存储器：程序 (32KB)，数据 (1.2KB) 6.高性能通信口：一个具有 FIFO 功能的 标准 SPI 口，个多功能数字 I/O 口， 2 个标准的 UART口； 7.可靠的工业标准电路：低电压检测、开路检测、看门狗时钟电路、宽的工作条件（电源： 2.7 5.25V，工作温度： -40 +85 C） 系统 可以实现多功能集成，主要表现为： 处理功能、 自诊断、自校准功能，自适应、自调整功能，优秀的记忆、存储功能，以及卓越的数据通讯功能。下面分别加以介绍。 （ 1） 处理功能 MSC1211 中与 8051 兼容的内核可对检测数据进行分析、统计和修正 ，还可进行线性、非线性、温度、噪声、响应时间、交叉感应以及缓慢漂移 等的误差补偿，提高了测量准确度 ，具有良好的兼容性和很强的数据处理能力。 （ 2）自诊断 MSC1211 采用的故障诊断方法是解析冗余的方法，他不仅能够发现传感器的故障，而且能够定位故障源，也就是可以具体确定那一个器件发生了故障，并且可以估计鼓胀的大小及严重程度。同时，解析冗余的方法不需要增加硬件的设备。其系统内部可靠软件实现这一功能。软件自诊断可以靠看门狗定时器监控程序来实现。 （ 3） 自校准功能 MSC1211 的偏置和增益误差以及整个系统的误差都可使用校准器进行校正。校准器由 ADCON1（ SFR DDH）的 CAL2： CAL0 位控制。对系统进行校正时应采用合适的输 入信号。“ 0” 差模输入信号对系统失调进行校正，“全量程”差模输入信号对系统增益误差进行校正。每项校准过程的完成都需 7 个 tDATA。系统上电后，或当温度、采样率、缓冲、 PGA 之一发生变化时，都应进行校正。校正工作将改变偏置 DAC 的影响，因此对偏置 DAC 寄存器的更改应在校正后进行。校正完成后， ADC 中断位置 1，表明校正完成，数据有效。 （ 4） 自适应、自调整功能 MSC1210 中的主 ADC 含有可编程增益放大器（ PGA）， PGA 具有很宽的增益范围，包北华大学毕业设计（论文） - 19 - 括 1.2.4.8.16.32.64 和 128 等八种。 PGA 的大小通过 ADC控制寄存器 0（ ADCON0）来配置。 用户可以根据待测物理量的数值大小、误差要求及变化情况，通过编制软件自动选择检测量程和测量方式，提高了检测适用性和灵活性。 可变增益放大器实现了量程的自动切换和全量程的均一化，从而显著提高了模数转换的有效精度。 （ 5） 优秀的记忆、存储功能 MSC1211 片内集成的 4K 到 32Kbyte 不等的 闪速电擦除程序存储器和 1280B 数据存储器为用户提供了非易失性、在线可编程的程序和数据存储空间。闪速电擦除 存储器是基于单个晶体管单元结构的最新类型的存储器，是在 EEPROM 技术基础上发展的产物，它既具有 ROM 的非易失信息的优点，又兼有 EEPROM 灵活的在线可编程的特点，并且还组合了 EPROM 的大容量、高密度的特点。同时，又能像 RAM 一样随机地进行读写，从而实现检测数据的随时存取，加快了信息的处理速度。 （ 6） 卓越的数据通讯功能 MSC1211 片内具有工业标准的同步串行接口（ SPI）和 I2C 总线接口，它们构成智能化传感器的数据通讯接口。可通过编程与计算机或其它微处理器直接联机，进行信息的相互交换，实现对多点智能传感器的控制，提高信息处理的质量。 由 MSC1211 构成的智能传感器可通过各种软件对信息检测过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，从而增强了传感器的功能，提升了传感器的性能。此外，利用计算机软件能够实现硬件难以实现的功能，并且以软件代替部分硬件，可降低传感器的制作难度。 由此可见，使用 MSC1211 后不但大大减少了元器件的数量和线路板面积，降低了产品成本，而且由于集成度的提高 也使可靠性得以提高。在软件编程上，因为不需编写与这些芯片的接口程序，所以，编程的工作量降低，程序运行速度更快。 4.2 硬件器件简介 4.2.1 MSC1211的结构和特性 MSC1211的指令功能： MSC1211 系列的所有指令所完成的功能与标准 8051 单片机相对应的指令完全相同，对位、标志位及寄存器的操作结果也完全相同。但是， MSC1211 的指令时序与标准8051 不同。由于 MSC1211 微控制器采用了运行效率更高的 8051 内核，在相同的外部时钟频率下， MSC1211 执行一条指令的时间是 4 个时钟周期，而 8051 单片机的每条指 令有 12 个时钟周期。 MSC 1211 的指令执行速度比标准 8051单片机快 1.5 倍 3倍。相同北华大学毕业设计（论文） - 20 - 代码的执行效率可以提高到 2. 5 倍以上，采用 30 MHz 时钟频率的 MSC1211 系统的性能相当于采用 75 MHz 时钟频率的标准 8051 系统，因此，用户系统在较低的外部时钟频率下运行，减少了系统噪声，降低了功耗，运行结果更好。 MSC1211 提供了双数据指针 (DPTR)，使访问块数据存储器的效率大大提高。MSC1211 能根据外存储器的速度调节读写速度，在 2 个 9 个指令周期之间变化；它还提供给外部存储器 16 位地址总线 (P0 和 P2)。低位地址通过 P0 口复用得到，硬件可以控制 P0和 P2口是作为外部存储器 /外部接口还是作为通用的 I/O。 MSC1211 的外围设备有改进。如 SPI 端口增加了 FIFO，使得传输数据有了缓冲区间。 32 位累加器的使用在处理 ADC 采样或其他数据源来的多字节数据时将大大减轻 CPU的负担，使得 24 位加法和移位可以在几个指令周期内完成，而无需通过软件用数百个指令周期来完成。 MSC1211 系列的硬件和引脚完全兼容。对用户而言，唯一的区别在于内部存储器的设置。 MSC1211Y2 上编写的程序代码可以直接在 MSC1211Y3, MSC1211Y4, MSC1211Y5上执行。用户可以在软件功能上增减并配以不同的 CPU 型号， MSC 1211 已成为拥有几个不同应用平台的标准设备。 MSC 1211 的开发工具与 8051 的开发系统完全兼容，用户可以使用原有的 8051 开发系统，也可以使用 DEMO 板带的开发系统或者第三方支持者提供的开发工具。 MSC1211 具有很高的模拟和数字集成度， 它集成了一个增强型 8051 内核， 可为高精度数据采集系统提供片上解决方案。 有 8 路 24 位低功耗（ 4mW） - A/D 转换； 21个中断源； 16 位 PWM； 全双工 UART（并兼容有 SPI 功能）；停止方式电流小于 1A ；比标准 8051 内核执行速度快 3 倍且全兼容；片内集成 32K 字节 FLASH，而且 FLASH 可定义为程序分区与数据存储分区， 省去了扩展数据存储器需要的地址锁存器与 SRAM，以及大面积的印刷板空间，可广泛应用于工业过程控制、数据采集系统等领域。 给设计带来非常大的灵活性；片内 SRAM 也多达 1.2K 字节；采用 TQFP64 小型封装。 MSC1211是内置 8051 内核及其他高性能外围设备的微控制器，该微控制器具有较强的模拟性能和数字处理能力。通过实际运用，可以发现 内核兼容 8051 的 MSC 1211 具有很高的性能、很高的集成度、很大的灵活性。 由于具有如此高的模拟和数字集成度，对各种要求小体积、高集成度和精确测量而言， MCS1211实为理想的整合选择。 北华大学毕业设计（论文） - 21 - 图 4.2 MSC1211 的详细 结构 框图 模拟性能： 24 位无遗漏码 ； 10Hz 时 22 位高分辨率，低噪声： 75nV； PGA 增益范围： 1 128； 高精度片内基准电压，准确度： 0.2%，漂移： 5ppm/； 8 个差模 /单端通道； 片内偏置 /增益校准器； 偏置漂移 0.02ppm/，增 益漂移： 0.5ppm/； 故障检测； 单周期转换； 可选择输入缓冲。 数字性能： T e m p e r a t u r eS e n s o rv / IC o n v e r t e rIv / IC o n v e r t e rA G N DR G A8 - B i tO f f s e t D A CV D A C 0V D A C 1V D A C 2V D A C 3M o d u l a t o rU p t o 32 kF L A S H1 . 2 KS R A MS p iF I F OD i g i t a lF i l t e r32 - B i tA c c u m u l a t o r8051S F RP O R T 0P O R T 1P O R T 2P O R T 3W D TT i m e r s /C o u n t e r sL V DB O RM U XA I N 0 / I D A C 0A I N 1 / I D A C 1A I N 2 / V D A C 2A I N 3 / V D A C 3A I N 4A I N 5A I N 6 / E X T DA I N 7 / E X T AA I N C O MR D A C 0 R D A C 1 V D A C 0 V D A C 1X I N X O U TA L ER S TB U F F E RA I N 2R E F O U T / R E F IN +R E F I N - D G N DI D A C 0 / A I N 1B u r n o u tD e t e r c tI D A C 1 / A I N 1P O R SYS C l o c kG e n e r at o rC l o c kG e n e r a t o rA I N 3B u r n o u tD e t e c tA VDDA VDD A G N DDVDDEAPSENV r e f北华大学毕业设计（论文） - 22 - a.MCU 内核 1. 与 8051 兼容； 2. 高速：每 4 个时钟周期为一指令周期； 3工作频率范围： DC 至 33MHz； 4单指令 121ns； 5双数据指针。 b.存储器 1.容量高达 32KB 的闪速数据存储器； 2.1M 擦 /写周期，数据可保持 100 年； 3.系统内串行可编程； 4.外部程序 /数据存储器（ 64KB）； 5.1280B 数据 SRAM； 6.闪存安全性能高； 7.2KB 自引导 ROM； 8.可编程等待状态控制。 c.外围性能 1.34 个 I/O 端口； 2.增加的 32 位 Acc； 3.3 个 16 位定时 /计数器； 4.系统时钟； 5.可编程 WDT 定时器； 6.全双工双 UART； 7.使用 DMA 的主从 SPI 串行口； 8.16 位 PWM； 9.能源管理控制 （ 1）待机模式电流 1mA，停机模式电流 1 A； （ 2）可编程过载复位； （ 3）可编程低电压检测。 10. 21 个中断源； 11. 2 个硬件断点； 北华大学毕业设计（论文） - 23 - MSC1211 的管脚排列如图 4.3 所示。 MSC 1 2 1 11234567891011121314151617 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 3248474644434241403938373635343364 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 4945VDAC0AIN0/IDAC0AIN1/IDAc1Ain2/vdac2AIN3/VDAC3AIN4AIN5AIN6/EXTDAIN7/EXTAAINCOMAGNDREFINREFOUT/REFIN+VDAC1RDAC1P1.6/INT4/MISO/SDAP1.3/TxD1P1.2/RxD1DGNDP1.1/T2EXP1.0/T2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P 0 . 6 / AD 6P 0 . 7 / AD 7A L EP 2 . 7 / A 15DGNDP 2 . 6 / A 14P 2 . 5 A 13P 2 . 4 / A 12P 2 . 3 / A 11P 2 . 2 / A 10P 2 . 1 / A 09P 2 . 0 / A 08NCXOUTX I NP 3 . 0 / R x D 0P 3 . 1 / T x D 0P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1DGNDR S TR D A C 0DVDDDVDDDVDDDVDDDVDDDVDDP 3 . 3 / I N T 1 / T O N E / PWMP 3 . 2 / I N T 0P 3 . 6 / WRP 3 . 7 / RDEAP S E N / O S C C L K / MOD C L KP1.7/INT5/SCK/SCLP1.5/INT3/MOSIP1.4/INT2/SS图 4.3MSC1211 的管脚排列 表 4.1 MSC1211的管脚说明 管脚 符号名称 说明 1 XOUT 晶体震荡器引脚（ XOUT）。支持晶体震荡器和陶瓷 谐振器， XOUT作为晶体放大器的输出 2 XIN 晶体震荡器引脚（ XIN）。支持晶体震荡器和陶瓷 谐振器，如果没有外接晶体而直接采用外部时钟源时， XIN作为输入使用 北华大学毕业设计（论文） - 24 - 3 10 P3.0P3.7 P3是双向 I/O口， P3口复功能如下所示： 端口 复用功能 说明 P3.0 RxD0 串口 0输入 P3.1 TxD0 串口 0输入 P3.2 0INT 外部中断 0 P3.3 1INT /TONE/PWM 外部中断 1/TONE/PWM输出 P3.4 T0 定时器 0的外部输入 P3.5 T1 定时器 1的外部输入 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 12,41,57 DGND 数字地 11， 14 15， 42， 58 DVDD 数字电源 13 RST 复位。持续两个指令周期的高电平可以让器件复位 16， 32 RDAC0 RDAC1 参考电阻 0 参考电阻 1 17 VDAC0 电压 模拟 输出通道 0 27 AGND 模拟地 28 AVDD 模拟电源 18 AIN0/IDAC0 模拟输入通道 0/电流模拟输出 通道 0 19 AIN1/IDAC1 模拟输入通道 1/电流模拟输出通道 1 20 AIN2/VDAC2 模拟输入通道 2/电压模拟输出通道 2 21 AIN3/VDAC3 模拟输入通道 3/电压模拟输出通道 3 22 AIN4 模拟输入通道 4 23 AIN5 模拟输入通道 5 24 AIN6/EXTD 模拟输入通道 6，数字低电压检测输入 25 AIN7/EXTA 模拟输入通道 7，模拟低电压检测输入 26 AINCOM 模拟单端输入公共端 北华大学毕业设计（论文） - 25 - 29 REF IN- 电压基准负输入，当使用外部电压基准时，接外部电压基准的负极 30 REF IN+ 电压基准负输入，当使用外部电压基准时，接外部电压基准的负极 31 VDAC1 电压模拟输出通道 1 34 40，43 P2.P2.7 P2是双向 I/O口， P2口复功能如下所示： 端口 复用功能 说明 P2.0 A8 地址位 8 P2.1 A9 地址位 9 P2.2 A10 地址位 10 P2.3 A11 地址位 11 P2.4 A12 地址位 12 P2.5 A13 地址位 13 P2.6 A14 地址位 14 P2.7 A15 地址位 15 44 44 PSEN OSCCLK/ MODCLK 编程选通允许。与外部程序存储器连接时作为片选信号。 PSEN可以提供低有效脉冲信号。在编程模式中， PSEN和 ALE信号一起用来定义串行或并行模式。当并行编程时 PSEN为高，当串行编程时 PSEN为低。 ALE PSEN 编程模式选择 未连接 未连接 正常操作 0 1 并行编程 1 0 串行编程 0 0 保留字 45 ALE 地址锁存允许。在访问外部存储器期间锁存地址的低字节。 ALE可以产生一个振荡器频率的 2分频，可以作为外部定时或时钟信号。在编程模式中。 ALE和 PSEN一起用于定义串行或并行编为高电平模式。 ALE在串行模式下为高电平，并行模式下为低电平 北华大学毕业设计（论文） - 26 - 48 EA 外部访问允许。 EA为低时， MSC1211只能从外部程序存储器取指令 46， 47， 49 54 P0.0P0.7 端口 复用功能 说明 P0.0 AD0 地址位 /数据位 0 P0.1 AD1 地址位 /数据位 1 P0.2 AD2 地址位 /数据位 2 P0.3 AD3 地址位 /数据位 3 P0.4 AD4 地址位 /数据位 4 P0.5 AD5 地址位 /数据位 5 P0.6 AD6 地址位 /数据位 6 P0.7 AD7 地址位 /数据位 7 55， 56 59 64 P1.0P1.7 P1是才一个双向 I/O口。它的复用功能如下： 端口 复用功能 模式 P1.0 T2 定时器 2外部输入 P1.1 T2EX 定时器 2捕获 /重装载触发输入 P1.2 RxD1 串口 1输入 P1.3 TxD1 串口 2输出 P1.4 INT2/SS 外部中断 2/从机 选 P1.5 3INT /MOSI 外部中断 3/主出从入 P1.6 INT4/MISO 外部中断 4主入从出 P1.7 5INT /SCK 外部中断 5/串行时钟 4.2.2 MSC1211在本次设计中的使用 1.增强型 8051 内核 MSC1211 系列的所有指令功能与标准 8051 相同，对位、标志和寄存器的影响相同，但时序不同。 MSC1211 单片机使用精简的 8051 内核，在同样的外部时钟作用下，其执 行速度比标准 8051 快 1.53 倍 (每条指令有 4 个时钟周期与 12 个时钟周期的区别 )。在同样的指令和时钟下，速度提高到 2.5 倍以上。因此，一个时钟为 33 MHz 的MSC1211 执行速度与一个时钟为 82.5 MHz 的标准 8051 相同，而且 MSC1211 的定时器和计数器可以选择每 12个或 4个时钟周期计数一次。 北华大学毕业设计（论文） - 27 - MSC1211 提供了双数据指针 (DPTR)加速数据块的移动速度，它能根据外部存储器的速度调节读写速度，在 2 9 个指令周期之间变化；它还提供给外部存储器 16 位地址总线 (P0 和 P2)。低位地址通过 P0 口复用得 到，硬件可以控制 P0 和 P2 口是作为地址线还是作为通用的 I/O。 为了更好地提高效率，外围设备也在 8051 基础上作了改进。如 SPI 端口就增加了FIFO，使得传输数据有了缓冲区间。 32 位累加器的使用在处理 ADC 采样或其它数据源来的多字节数据时将大大减轻 CPU 的负担，使得 24 位加法和移位可以在几个指令周期内完成，而无需通过软件用数百个指令周期来完成。 MSC1211 系列的硬件和引脚完全兼容，对用户而言，唯一的区别在于内存配置不同。 MSC1211Y2 上编写的程序代码可以直接在 MSC1211Y3 、 MSC1211Y4、MSC1211Y5 上执行。用户可以在软件功能上增减并配以不同的 CPU 型号， MSC1211已成为一个拥有几个不同应用平台的标准设备。 MSC1211 的开发工具与 8051 的开发系统完全兼容，用户可以使用原有的 8051 开发系统，也可以使用 DEMO 板带的开发系统或者第三方支持者提供的开发工具 。 2.模拟多路开关 模拟多路开关的输入通道可任意组合，作为差模信号的输入通道，如图 4.4 所示。如果 AIN0 被选作正极差模输入通道，其它任一通道都可选作负极差模输入通道。因此，它最多可有 8 个差模输入通道。也可以通过更 改两个差模输入端的极性来抵消失调电压。此外，它还提供电流源来检测管脚有无开路或短路。 北华大学毕业设计（论文） - 28 - 图 4.4 模拟多路开关结构图 由寄存器 ADMUX 选择输入通道以及相应通道的极性。该寄存器绝对地址是0D7H，默认值是 01。 表 4.2 寄存器 ADMUX 的 8 位含义 7 6 5 4 3 2 1 0 复值位 SFRD7H INP3 INP2 INP1 INP0 INN3 INN2 INN1 INN0 01H 其中高 4 位为输入通道的正极性， INP2、 INP1、 INP0 三位的二进制值就是对应的8 路外部模拟通道， AINCOM 是输入模拟公共端，最后通道（内部）为片内温度传感器输入。 表 4.3 正极性选择 INP3 INP2 INP1 INP0 同向输入通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 AINO（默认） AIN1 AIN2 北华大学毕业设计（论文） - 29 - 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 AIN3 AIN4 AIN5 AIN6 AIN7 AINCOM 温度传感器（设置为ADMUX=FFH） 每一个通道的输入负极性选择由该寄存器的低 4位决定。 表 4.4负极性选择 INN3 INN2 INN1 INN0 反向输入通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 AINO AIN1（默认） AIN2 AIN3 AIN4 AIN5 AIN6 AIN7 AINCOM 温度传感器（设置为ADMUX=FFH） 将表四与表五结合起来就可以选择每一个输入通道的输入是正极性还是负极性 。 3.输入缓冲 输入多路复用器允许不同输入信号通过选择输入通道进行组合，如 AIN0 被选为ADC 输入正端，其它任何通道可以选为 ADC 输入负端。用这种方式可以组成 8 个完整的 ADC 输入通道，也可以在差分输入通道间切换极性。片上的二极管可以提供温度测量，当输入多路复用器的寄存器置为全 “1”时，二极管被接入 ADC 通道的输入端开始测量温度。 北华大学毕业设计（论文） - 30 - MSC1211 在没有缓冲区时输入电阻为 5M/PGA，缓冲区由 ADC 控制寄存器中的BUF 位控制。当没有选择输入缓冲区时，模拟输入阻抗与时钟频率 (ACLK)和增益 (PGA)有关，其关系式为 PG AAC L KIN GfZ66 105101)( （ 4.1） 其模拟输入通道的等效结构 如图 4.5 所示。 图 4.5 其模拟输入通道的等效结构 图 4.可 编程增益放大器 与 电压参考基准 可编程增益放大器能设定增益为 1、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128 。使用可编程增益放大器能非常有效地改善转换结果。当 5V 为满刻度时，设增益为 1，则 ADC 可分辨出 1uV；当 40mV 为满刻度，增益为 128 时，可分辨 75nV。可见可编程增益放大器在改善转换分辨率上非常有用。寄存器 ADCON0 的低 3 位决定增益的大小。默认值是1。该寄存器同时也决定参考电压的选择，第 5 位为 1 将使能内部参考电压发生器，第4 位将决定参考电压是 2.5V 还是 1.5V。该寄存器默认值为 30H，表示增益为 1，使用内部 2.5V 参考电压。 表 4.5 7 6 5 4 3 2 1 0 复位值 SFRDCH BOD EVREF VREFH EBUF PGA2 PGA1 PGA0 30 H 北华大学毕业设计（论文） - 31 - 也可以使用外部参考 源，但要求稳定性与精度都很高。使用外部参考源时，需要将内部参考源关闭，这时内部参考源的输出引脚为高阻抗，因此为了方便一般也将内部参考输出与外部参考输入两引脚连在一起，再用电容滤波。 PGA 偏置 DAC 通过使用 ODAC（ SFR E6H），可将输入 PGA 的模拟信号偏置到 PGA 的半量程点。 ODAC 是一个 8 位的变量，最高位是符号位，低七位给出偏置值的大小。由于ODAC 对 PGA 引入的是一个模拟补偿量，因此使用 ODAC 不会降低 ADC 的性能。 5.数字滤波器 数字滤波器可以使用快速建立滤波器、 Sinc2或 Sinc3滤波 器，如图 4.6 所示。 图 4.6 数字低通滤波器选择 表 4.6数字滤波器设置 SM1 SM0 稳定模式 0 0 1 1 0 1 0 1 自动 快速稳定绿滤波器 Sinc2滤波器 Sinc3滤波 当输入通道或 PGA 增益发生变化时，自动模式将更换 Sinc 滤波器。当切换到一个新通道时，它将第一步转换的 结果丢弃，接下来依次使用快速建立滤波器、 Sinc2 滤波器、 Sinc3滤波器。这可将 Sinc3的低噪声与快速建立滤波器的快速响应优点结合起来。 6.存储器的组织 S i n c3S i n c2快速稳定F a s t S e t t l i n g数据输出调制器北华大学毕业设计（论文） - 32 - MSC1211 包括片上 1.2KB SRAM， 256 字节 DARAM， 2KB 启动 ROM， 32KB Flash 存储器。 MSC1211 用内存寻址表来区分程序存储空间和数据存储空间。程序空间由单片机自动读取，通过指令 MOVC 来读程序空间；数据空间通过指令 MOVX 来读写。当片上存储使能时，在片内范围内的读写将在片内存储器上进行，片外存储器通过 P0 和 P2 寻址来 实现。 HCR1 寄存器的第 0 位和第 1 位设为 0 就可以访问外部存储器，此时可以通过 P0 和P2 口访问所有片内和片外存储空间。为了安全起见，在访问片内存储器期间， P0 口全部置位为 0。 MSC1211 包含 1.2KB 片上 SRAM。 SRAM 起始地址位“ 0”，通过 MOVX 指令读写。SRAM也可以从 8400H开始，既可作程序空间又可作数据空间。 MSC1211 有 256 字节 DARAM，地址为 0000H 00FFH，其中 128 字节为 128 个 SFR，地址为 0080H 00FFH。 SFR 寄存器用做控制和状态，标准的 8051 功能和 MSC1211 的附加功能是通过 SFR 实现的。从没有定义的 SFR 寄存器将得到“ 0”，写入没有定义过的SFR 得到的结果无法确定。 DARAM 的另一个用途，是通过 SFR 的堆栈指针作为堆栈使用。 在串行或并行编程时，有 2KB 启动 ROM 控制运行。在用户模式下， BOOT ROM 位于F800H FFFFH；在编程模式下， BOOT ROM位于程序空间的起始 2K。 Flash 存储器既可用做程序存储空间又可用做数据存储空间，用户可以灵活配置程序和数据存储空间的大小。分区大小通过硬件配置位来确定，可以通过串行或并行的方式来编程确定。在用 户应用模式下，程序和数据 Flash存储空间都可读可写。 7.16位数 /模转换器 MSC1211 的四通道 16 位数模转换器，可以进行电压输出和电流输出和电流输出。由于内部的 DAC 的直接 输出是电压，为了提供电流输出，要在电压输出的基础亡连接一个电压 /电流转换器。它们的输出控制是通过 DAC 控制寄存器来实现的。 DAC0 和 DAC1可提供电压输出和电流输出。引脚 17 和 3l 可以输出电压；电流可以从引脚 18、 16 和引脚 19、 32 输出。 DAC2 和 DAC3 只能提供电压输山，由复用引脚 20、 21 输山。 DAC 的标 准电压可以是内部基准 VREF,也可以是电源电压 AVDD。 MSCl2ll 的 DAC 具有 rail rail 的电压输出能力。其输出为单极性，输出电压范围从 AGND AVDD 加，输出放大器在无负载的情况下，满量程电压建立时间为 8ys，转换速率为 1V/ s，能驱动 2K 开跃 1000pF电容的负载 。 北华大学毕业设计（论文） - 33 - AVDDDAC 3DAC 2DAC 1DAC 0+-2120311932171816A I N 3 / VDAC 3A I N 2 / VDAC 2VDAC 1A I N 1 / I D A C 1R D A C 1VDAC 0A I N 0 / I D A C 0R D A C 0图 4.7 MSC1211 DAC 内部结构框图 数模转换器模块由模拟开关、电阻网络、基准电源组成，如图 10.10 所示。输入DAC 寄存器的值为 D，其取值范围为 065535 它与输出模 拟量 VDAC 的关系是： DAC寄存器R E F （ + ）电阻网络R E F （ - ）+-AV DDGNDVDAC输出放大器图 4.8 MSC1211 数模转换结构示意图 ( / 6 5 5 3 6 )V V Do u t r e f（ 4.2） 北华大学毕业设计（论文） - 34 - 其中， VREF是 DAC 的基准电压，可以选择内部基准电压或电源电压 AVDD。 表 4.7 数模转换器的主要技术指标 参数 条件 MSC1211YX 最小 典型 最大 电压 DAC静 态特性 分辨率（ Bits） 16 相对精度（ %FSR） 0.05 0.146 微分线性误差（ LSB） 1 零值误差（ mV） 数据全 0 +13 +35 满量程误差（ %FSR） 数据全 1 -1.25 0 1.25 增益误差（ %FSR） 增益温度系数 （ 10-6FSR/0C） 5 电压 DAC输出特性 输出电压范围（ V） AGND AVDD 输出电压建立时间 （ s） 到 0.003%FSR 8 转换速率（ V/ s） 1 直流输出阻抗（） 7 短路电流（ mA） 数据全 1 16 电流 DAC输出特性 满量程输出电流（ Ma） 基准电压 VREF=2.5V 25 相对精度（ %FSR） 相对满量程 0.185 北华大学毕业设计（论文） - 35 - 零值误差（ %FSR） 0.5 满量程误差（ %FSR） -0.4 增益误差（ %FSR） -0.6 零点误差飘移（ V/0C） 20 注：测试条件：从 TMIN 到 TMAX， DVDD=+2.7V5.25V， fMOD=15.625kHz,PGA=1,开缓冲， fDATA=10Hz,极性输入， VREF=（ REF IN+） -（ REF IN-） =+2.5V。对于 DAC，VREF=AVDD， RLOAD=10k ,CLOAD=200pF. 4.2.3 专 用 LED数码管显示电路 （ MAX7219） 常用的专用数码管显示电路有 8279 和 MAX7219，前者因近年来停产而很少人使用；后者因使用方便灵活， 串行 连线 少而 简单，不占用数据存储器空间，使用的人则越来越多。 MAX7219 是八位串行共阴 LED 数码管动态扫描驱动电路，其峰值段电流可达40mA，最高串行扫描速率为 10MHz，典型扫描速率为 1300Hz，仅使用单片机 串口或 3位 I/O 口，即可完成对八位 LED 数码管的显示控制和驱动， 线路非常简单，控制方便，外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流，同时可以通过软件设定其显示亮度；还可以通过级联，完成对多于八位的数码管的控制显示。值得一提的是，当工作于关闭（ SHUTDOWN）方式时，不仅单片机仍可对其传送数据和修改控制方式，而且芯片耗电仅为 150uA。 下 图 4.9 是 MAX7219 的典型连接方法： 北华大学毕业设计（论文） - 36 - 图 4.9 是 MAX7219 的典型连接方法 5 软件设计 5.1 程序流程图