1、本 科 毕 业 设 计 (论 文)基于单片机的反应罐监控系统设计Design of Monitoring System for Reactor Tank Based on Single Chip Microcomputer学 院 ：专 业 班 级 ：学 生 姓 名 ：学 号：指 导 教 师 ：年 月毕业设计（论文）中文摘要基于单片机的反应罐监控系统设计摘 要：反应罐是用来完成化学反应及物理反应的容器，在工业和科研项目中具有广泛的应用。由于反应罐反应过程中非常容易受到温度、湿度等环境的影响，在某些情况下甚至可能会发生安全性事故。因此，如何能够在反应罐的反应过程中进行有效的监控就显得尤为重要。本课
2、题的主要步骤：首先，通过温度传感器来检测反应罐中的温度、压力传感器来检测反应罐中的压力以及流量传感器来检测反应罐中的流量的值，其次，将检测到的值与设定的值的范围作对比。如果测定的值不在设置的范围之内，那么通过相应的程序来进行操作。本课题使用单片机、pt100 热电阻温度传感器、MPX4115 压力传感器、涡轮流量传感器、LCD 液晶显示屏等设计了一个能够有效地实现对反应罐进行温度控制、压力控制、流量控制的具体电路和实时系统，在化学反应过程中能够利用相应的程序对温度、压力、流量变化进行有效地模拟和控制；最后，通过相应的程序进行实时监控的模拟。关键词：反应罐；单片机；温度控制；压力控制；流量控制。
3、毕业设计（论文）外文摘要Design of Monitoring System for Reactor Tank Based on Single Chip MicrocomputerAbstract: Reaction tank is a container for chemical reaction and physical reaction, which is widely used in industry and scientific research projects. As the reaction tank reaction process is very susceptible
4、to the external environment, in some cases even affect the production process of security. Therefore, it is very important that how to monitor the reaction process effectively.The main steps of this subject: Firstly, through the analysis of the temperature and pressure of the reactor, the relationsh
5、ip between the flow rate and the temperature and pressure in the reactor was obtained. Secondly, through the use of SCM, relay, PT100 thermal resistance temperature sensor, MPX4115 pressure sensor, ceramic turbine flow sensor, LCD liquid crystal display design a specific circuit can effectively real
6、ize the temperature control, pressure control, flow control and real-time system of reaction tank, In the process of chemical reaction, the algorithm can be used to simulate and control the temperature, pressure and flow; Finally, the real-time monitoring of the whole chemical reaction process is si
7、mulated by the configuration software.Keywords: reaction tank; single chip; temperature control; pressure control; flow control目 录1 绪论 .11.1 研究意义和背景 .11.2 研究现状和发展趋势 .11.3 本文的主要结构安排 .22 总体方案 .42.1 最小系统的构成 .42.2 温度、压力、流量测量 .42.3 A/D 转换 .53 硬件电路的设计 .63.1 总体设计 .63.2 单片机的介绍 .63.2.1 AT89S52 单片机 .73.2.2 单片
8、机最小系统介绍 .83.3 测量电路 .103.3.1 传感器的介绍及选择 .103.3.2 A/D 转换器的认识及选择 .173.4 外围电路 .193.4.1 报警电路 .193.4.2 显示电路 .203.4.3 键盘接口 .224 系统的软件设计 .244.1 系统主程序的设计 .244.2 各模块子程序的设计 .24结 论 .28致 谢 .29参 考 文 献 .30附 录 .31附录 1：原理图、仿真图 .31附录 2：程序 .33本科毕业设计（论文） 第 1 页共 47 页1 绪论1.1 研究意义和背景反应罐是一种能够实现化学反应和物理反应的反应容器，其内部结构带有搅拌装置，用于实
9、现混合化合物浓度的均衡。一般来说，液体与液体反应，液体与固体反应，液体与气体反应等都是比较常见的化学反应。因此，反应罐在工业和科研项目中具有广泛的应用并且占据着较高的地位。但是，化学反应很容易受到外界环境的影响，因此，在发生化学反应时，反应罐的一些外界条件难以精确的控制。从上述分析中可以看出，对反应罐的系统参数进行实时有效的监控具有很大的价值。在传统的过程控制系统中，温度的有效控制一直是衡量产品质量和产量的一个不可或缺的因素之一。对于聚合反应来说，如若在反应过程中加入的冷水过多就很可能会导致反应失败，相反的，如若不能够及时地进行降温处理，又会很容易发生“爆聚”或者跳闸现象。如若这样，那么现场工
10、作人员的安全就很难得到保障。因此，如何能够对反应罐进行有效地监测与控制就成为重中之重1。在正常情况下，由于温度、压力以及流量等参数往往是具有滞后性的，因此，在无形中就给控制系统的参数的调节带来巨大的困难。就我国目前现状来说，大多数的锅炉的监控仍处于人工根据仪表进行监控阶段，再加上反应罐加热过程中的滞后性、复杂性以及耦合性，致使控制系统的参数调节更加困难。为了改变这种状态，最好的解决办法就是进行监控系统改造，技术工程师利用远程计算机平台通过网络进行分析、调整和控制反应罐的参数，而现场所需的一些操作只需现场工作人员通过对触摸屏进行基本的操作就可以轻易地完成。1.2 研究现状和发展趋势我国反应罐的监
11、控系统与西方发达国家相比来说，落后长达几十年。国内的反应罐监控完全是依靠现场操作人员自身的操作经验来进行手动或者半自动的调节与控制，直接导致反应罐控制精度的不确定性2 。如果现场操作人员没有进行正确的判断与操作，就会造成最直接的经济损失，如反应材料报废，产品收率低，产品质量差，严重时甚至会产生安全事故。随着现代科技和现代控制理论的快速发展，人们对反应罐的监控进行了深入的探索与研究，手动调节的方式正逐渐被现代控制理论与自动控制技术取代，现如今提出了采用模糊控制、自适应控制、预测控制等先进的控制系统3 。模糊控制器4的工作原理是根据人工控制所获得的经验得出系统的各种情况下的参数，汇集信息，然后根据
12、一些推理规则从而决定控制方案5 。模糊控制相对于传统方案的控制来说，更容易构造，鲁棒性较好。但是用模糊控制有一个非常重要的前提即有足够的人工控制经验6 。本科毕业设计（论文） 第 2 页共 47 页自适应控制7是指当被控对象产生某些变化时，控制系统可以根据它的变化及时调整系统参数。自适应控制系统8 在现代工业上主要分为自适应控制系统、模型参考自适应控制系统以及简单自校正适应控制系统三类9 。其系统框图如下图 1-1 所示。图 1- 1 模型参考自适应方框图预测控制10是利用在一段时间内采样得到的值来得到阶跃响应曲线，之后我们可以根据这个曲线来动态的预测对象。内部模型、参考轨迹和控制算法是预测控
13、制系统的三大要点1112 。其系统框图如下图 1-2 所示。图 1- 2 预测控制系统方框图1.3 本文的主要结构安排本课题的主要任务有：(1)能够对反应罐的压力进行实时采集与显示。(2)能够对反应罐的流量进行实时采集与显示。(3)能够对反应罐中的温度进行实时检测与显示。本科毕业设计（论文） 第 3 页共 47 页(4)根据采集数据进行相应的控制与调节。根据课题的任务，本文的主要研究内容为：首先根据现场实际生产需求对反应罐的监控系统降的流程进行初步的设计与规划；然后以反应罐为研究对象，进而深入地研究反应罐的温度、压力、流量控制的过程；之后，通过 proteus 仿真来来判定设计的电路是否可以完
14、成我们的任务要求；最后，根据上述工作得到的结果来进行系统的设计，主要包括电气设计以及控制程序的设计。本科毕业设计（论文） 第 4 页共 47 页2 总体方案2.1 最小系统的构成整个系统的组成部分包括：单片机、传感器、模数转换器、LCD 显示屏等，整体形成一个数字采集与自动控制系统。鉴于此次的设计是一个温度、压力、流量控制系统，即控制反应罐中的温度、压力、流量与上位机通信是本次课题的主要方向。根据本课题任务要求，我们决定选用51 系列的单片机来进行控制，因为其不仅可以提高整个被控系统的精度和性能，还可以方便控制等。选择 51 系列单片机的主要目的是为了保证反应罐可以根据现场实际需求进行精确的调
15、节，但其快速性不高。所以本系统设计过程为：用传感器测量罐中的温度、压力、流量；之后再经过模数转换器将之前所测得的三个变量的连续型的信号转换为离散型的信号在传送给单片机，之后，再由数模转换器将离散型的信号转换为连续性的信号输出，由于信号可能会比较微弱，那么，我们在进行使用的时候就需要将它放大到我们需要的信号，我们可以采用放大电路对其放大。其中，还应考虑到键盘输入、输出显示环节以及温度、压力、流量超限的报警环节。总体框图如下图 2-1 所示。图 2-1 总体框图2.2 温度、压力、流量测量由于反应罐在反应过程中很容易受外界环境的影响（比如：温度、反应物质、浓度等因素） ，因此，在生产过程也极易产生
16、安全事故,为了保证现场工作人员的安全，就必须要确保反应罐可以被精确的控制。反应罐能够被精确的控制主要取决于三方面：温度、压力和流量。因此，如何能够对反应罐在其反应过程中内部的温度、压力、流量进行实时的检测与控制就是本课题最主要的问题与研究方向。传感器，从名字我们就可以看出，就是将其感受到的信息传输出去。准确地来说，传感器13 就是去检测现场需要被获得的信息并且能够将其转换为某种信号传输出去。针对于本课题的要求，我们可以采用相应的传感器来依次测量温度、压力、流量。根据本课题的任务，我们选择传感器的时候应该注意测量范围、稳定性、以及抗腐蚀性等性能。针对于温度传感器，由于罐中化学反应多为放热，温度较高，因此我们决定
