智能溫度控制儀表設(shè)計

1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）中文題目： 智能溫度控制儀表設(shè)計 英文題目： Intelligent temperature control instrument design 院 系： 機械電子工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動化 起訖時間： 2010-01-20至2010-05-25 目錄1緒論411 課題的背景和意義412 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題513 本課題的工作重點62 溫度儀表的總體設(shè)計方案721 功能指標722 功能需求分析723 方案設(shè)計8231 方案（1）采用單CPU設(shè)計8232 方案（2）采用雙CPU設(shè)計8233 方案（3）采用雙CPU設(shè)計824 方案選擇825 系統(tǒng)

2、設(shè)計93 溫度控制方法及算法1131溫度的控制原理113. 2 控制算法與數(shù)字濾波114 硬件設(shè)計1841 芯片介紹18411 ADuC812單片機的特點18412 philips P89C51單片機的特點31413 TG12864B的特點3442 系統(tǒng)電路設(shè)計40421 硬件原理圖設(shè)計40422 電源電路41423 A/D采集電路42424 LCD顯示驅(qū)動電路43425 RS-232接口與modbus通訊協(xié)議4443 硬件系統(tǒng)設(shè)備抗干擾分析455 軟件設(shè)計4851 軟件的結(jié)構(gòu)思路4852 軟件流程4853 部分程序功能模塊分析及實現(xiàn)52531 主控制模塊52532 顯示模塊58533 頭文件

3、模塊636系統(tǒng)調(diào)試6661 硬件調(diào)試6662 軟件調(diào)試6763 系統(tǒng)調(diào)試過程遇到的問題6864 對加熱爐進行溫度控制試驗697.結(jié)論698.參考文獻719經(jīng)濟分析報 72摘 要單片微型計算機是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，把單片機應(yīng)用于溫度控制中，采用單片機做主控單元，無觸點控制，可完成對溫度的采集和控制的要求。所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。本文主要介紹單片機在熱處理爐溫度控制中的應(yīng)用，對溫度控制模塊的組成及主要所選器件進行了詳

4、細的介紹。并根據(jù)具體的要求本文編寫了適合本設(shè)計的軟件程序。溫度控制在熱處理工藝過程中,是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？刂凭戎苯佑绊懼a(chǎn)品質(zhì)量的好壞。關(guān)鍵詞：單片機；溫度控制； PID。AbstractThe single slice of microcomputers emerges with development of very large scale integration technology, because it has small , the function is strong , high characteristic of cost performance, applies th

5、e one-chip computer to temperature control, adopt the one-chip computer to do the top management unit, control contactlessly , can finish the requisition for collection and control of temperature . So apply to such a great deal of fields as electronic instrument , household appliances , energy-conse

6、rvation fitting , the robot , industrial control ,etc. extensively, make the products miniaturized , intelligented , has already improved the function and quality of the products, have lower costs again, has simplified and designed. This text introduces the application of the one-chip computer in th

7、e temperature control of heat-treatment furnace mainly, composition and selecting to introduce the detailed one with device mainly of the temperature control module . And has written the suitable software procedure originally designed according to the concrete demand this text.Temperature in heat tr

8、eatment craft is very important. Control precision effect directly the quality of the product。Keyword：SCM；Temperature control； PID.1緒論11 課題的背景和意義 儀器儀表應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,覆蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、科技、環(huán)保、國防、文教衛(wèi)生、人民生活等各方面,在國民經(jīng)濟建設(shè)各行各業(yè)的運行過程中承擔著把關(guān)者和指導(dǎo)者的任務(wù).隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對各種儀器儀表的要求也越來越高.高精度溫度控制儀表在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用也越來越占有重要位量.工業(yè)上測量溫度常采用熱電偶和電阻溫度計.熱電偶

9、是由兩種不同成份的金屬絲組成,由于測量點的冷端間的溫度差引起能用毫伏計測量出的熱電勢,是基于溫度的熱電勢的變化來測量溫度的,因此對材料的熱穩(wěn)性要求是很嚴格的.高精度溫度控制儀表能夠精確測量,實時控制,合理整定被控對象,通過PID算法達到最優(yōu)水準.今天,世界正從工業(yè)化機械化時代進入信息化時代.這個時代的特征是以計算機為核心延伸人的大腦功能,起著擴展人腦力勞動的作用,使人類正在走出機械化過程,進入以物質(zhì)手段擴展人的感官神經(jīng)系統(tǒng)及腦力智力的時代.這時,儀器的作用主要是獲取信息,作為智能行動的依據(jù) 目前國內(nèi)外的儀表普遍采用EDA（電子設(shè)計自動化）、CAM（計算機輔助制造）、CA（計算機輔助測試）、DS

10、P（數(shù)字信號處理）、ASIC（專用集成電路）及SMT（表面貼裝技術(shù)）等 在重視高檔儀器開發(fā)的同時，注重高新技術(shù)和量大面廣的產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)。注重系統(tǒng)集成，不僅著眼于單機，更注重系統(tǒng)、產(chǎn)品軟化，隨著各類儀器裝上了CPU，實現(xiàn)了數(shù)字化后，軟件上投入了巨大的人力、財力，今后的儀器歸納成一個簡單的公式：儀器=AD/DA+CPU+軟件，AD芯片將模擬信號變成數(shù)字信號，再經(jīng)過軟件處理變換后用DA輸出。 從技術(shù)驅(qū)動轉(zhuǎn)為市場驅(qū)動，從一味追求高精尖轉(zhuǎn)為恰到好處。開發(fā)一項成功產(chǎn)品的準則是，用戶有明確的需求；能用最短的開發(fā)時間投放市場；功能與性能要恰到好處；產(chǎn)品開發(fā)準則的另一變化是收縮方向，集中優(yōu)勢。 生產(chǎn)過程采用自

11、動測試系統(tǒng)。目前多以GP-IB儀器組建自動測試系統(tǒng)，生產(chǎn)線上一個個大的測試柜，快速地進行自動測試、統(tǒng)計、分析、打印出結(jié)果。 目前以PLC為基礎(chǔ)的DCS發(fā)展很快，PLC與DCS相互滲透、相互融合、相互競爭，已成為當前工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。因此基于這種考慮研究基于單回路智能溫度控制儀表開發(fā)在人們獲取信息的應(yīng)用則具有十分重要的意義 12 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題由于儀器儀表原隸屬于機械工業(yè),一直以來都沒有明確的概念?，F(xiàn)代的儀器儀表應(yīng)當界定為測量、控制儀器儀表與系統(tǒng)、科學(xué)儀器、醫(yī)療儀器，及其相關(guān)的傳感器、元器件和材料。我國現(xiàn)有各類儀器儀表企業(yè)6千多家，職工總數(shù)88萬人。其中：（1）工業(yè)過程檢測、控

12、制儀器儀表與系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)2000多家，銷售額約占50%；（2）科學(xué)儀器生產(chǎn)企業(yè)約1500家，銷售額占總銷售額25%；（3）醫(yī)療儀器生產(chǎn)企業(yè)約1200家，銷售額占少部分與醫(yī)療儀器生產(chǎn)企業(yè)的銷售額大致相等；（4）其他各類測量儀器儀表及元器件材料等生產(chǎn)企業(yè)近1000家，銷售額約200億元。我國儀器儀表已經(jīng)形成門類品種比較齊全，具有一定技術(shù)基礎(chǔ)和生產(chǎn)規(guī)模的工業(yè)體系，成為亞洲除日本以外第二大儀器儀表生產(chǎn)國。“九五”以來，我國儀器儀表工業(yè)總的形勢是向前發(fā)展的。主要表現(xiàn)在：（1） 儀器儀表行業(yè)銷售收入以年平均增長率8%不斷遞增，科學(xué)儀器發(fā)展迅速，達到年銷售平均增長率超過25%；（2） 儀器儀表產(chǎn)品在微型化、

13、集成化、智能化、總線化等發(fā)展方向上緊跟國際發(fā)展的步伐，涌現(xiàn)出一批技術(shù)先進的新型產(chǎn)品，黑體空腔式鋼水連續(xù)測溫儀、微波等離子體炬光譜儀、柔性控制系統(tǒng)、超聲聚焦刀等項產(chǎn)品技術(shù)上領(lǐng)先國際水平；（3） 儀器儀表產(chǎn)品出口創(chuàng)匯有了明顯增長。1999年我國儀器儀表產(chǎn)品出口創(chuàng)匯比1998年增長12%。出口產(chǎn)品中已經(jīng)飲食有技術(shù)含量較高的氣相色譜儀和精密天平等。數(shù)字萬用表出口占據(jù)世界市場70%以上的份額。出口國家不只限定在亞洲、非洲，許多產(chǎn)品已經(jīng)進入歐美市場；（4） 一批具有相當規(guī)模和發(fā)展前景的民營企業(yè)的崛起，是我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新興力量。這批企業(yè)中，有從事自動化系統(tǒng)集成的高新技術(shù)公司，如浙大中控、德維森公司等

14、；有已經(jīng)形成現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)品打入國際市場的華立集團、舜禹集團，普析公司、天美公司、華誼公司等。它們的崛起對我國儀器儀表產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生并將繼續(xù)產(chǎn)生巨大的推動和影響。應(yīng)當清醒地看到，雖然我國儀器儀表工業(yè)有了一定的發(fā)展，但遠遠不能滿足國民經(jīng)濟、科學(xué)研究、國防建設(shè)以及社會生活等各個方面日益增長的迫切需求。我國儀器儀表產(chǎn)品，絕大部分屬于中低檔技術(shù)水平，而且可靠性、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性指標尚未全部達到要求。高檔、大型儀器設(shè)備幾乎全部依賴進口，中檔產(chǎn)品以及許多關(guān)鍵零部件，國外公司同樣占有國內(nèi)市場60%以上的份額。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，除去隨成套工程項目配套引起的儀器儀表不計，每年進口各類儀器儀表總額接近我國儀器儀表

15、工業(yè)總產(chǎn)值50%。此外，在6000多家企業(yè)中，年銷售收入超過1000萬元的不足1000家，全行業(yè)經(jīng)濟效益低下。更為嚴重的是，低水平重復(fù)生產(chǎn)異常突出。無論是工業(yè)自動化儀表或是科學(xué)儀器，幾乎每一個主要產(chǎn)品都有幾十家甚至幾百家企業(yè)重復(fù)生產(chǎn)，乃至產(chǎn)品的型號規(guī)格都完全相同。比如，全國有近百家企業(yè)重復(fù)生產(chǎn)渦街流量計，有80多家企業(yè)重復(fù)生產(chǎn)氣相色譜儀，有300多家企業(yè)重復(fù)生產(chǎn)熱電偶，等等。其產(chǎn)品的技術(shù)水平多只相當國際80年代初期水平，而且產(chǎn)品質(zhì)量全面過關(guān)的卻微乎其微。又比如，浙江華立集團和三星集團年產(chǎn)電能表的生產(chǎn)能力，已經(jīng)基本滿足國內(nèi)市場的需求，而同時在浙江省還有40多家，其他省市上百家企業(yè)繼續(xù)生產(chǎn)電能表，

16、出現(xiàn)嚴重的供大于求的現(xiàn)象。低水平重復(fù)生產(chǎn)肆意擴展，對我國儀器儀表工業(yè)的發(fā)展造成了極大的危害：第一，低水平重復(fù)生產(chǎn)，耗費了大量人力、物力和財力，導(dǎo)致我國儀器儀表工業(yè)的發(fā)展不能集中優(yōu)勢力量，捏緊拳頭，生產(chǎn)能力極度放空，難以擺脫長期分散落后的局面；第二，大量低水平重復(fù)生產(chǎn)，破壞了市場競爭的有效秩序，導(dǎo)致出現(xiàn)不公平競爭和暗箱操作等各種丑陋現(xiàn)象，致使許多企業(yè)不能集中力量提高產(chǎn)品質(zhì)量和發(fā)展生產(chǎn)； 第三，低水平重復(fù)生產(chǎn)的結(jié)果，必然出現(xiàn)大量產(chǎn)品質(zhì)量低劣，給用戶造成惡劣的影響，使民族儀器儀表工業(yè)的發(fā)展受到沉重的打擊。更令人吃驚的是，電能表大量重復(fù)生產(chǎn)的結(jié)果，在兩網(wǎng)改造過程中已經(jīng)有大約4000萬只不合格產(chǎn)品進入了

17、電網(wǎng)，其后果不堪設(shè)想。這就是我國儀器儀表工業(yè)大致的現(xiàn)狀。13 本課題的工作重點本課題主要研究用單片機實現(xiàn)帶PID調(diào)節(jié)的液晶顯示溫度控制儀表。主要有以下三個工作重點：u PID算法的處理，PID控制器的參數(shù)整定。u LCD驅(qū)動顯示的調(diào)試。u 雙CPU之間的通訊協(xié)議modbus。經(jīng)過對溫度控制儀表的反復(fù)調(diào)試研究，最終采用ADI公司的ADuC812和PHILIPS公司的P89C51單片機作為主控芯片，采用溫度傳感器檢測方法，輔之以精確外圍電路檢測與控制，實現(xiàn)了一臺具有液晶顯示、通訊、對溫度進行實時控制等功能的智能溫度儀表。2 溫度儀表的總體設(shè)計方案21 功能指標 1溫度控制范圍：251300度； 2

18、溫度測量誤差為：1度；3. 通信接口：RS232；4. 溫度超調(diào)量：1%;5. 溫度波動： 1度；6. 適用于冷態(tài)到高溫的全自動控制；7. 顯示控溫時的實際溫度和恒溫時間；8. 可實現(xiàn)手/自動的無擾動切換；9. 友好的人機界面；10 可靠性好，壽命長。22 功能需求分析 溫度控制器實際上是以單片機控制為核心，根據(jù)設(shè)定目標溫度值進行自動或手動調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)，主要包括溫度檢測、溫度控制、參數(shù)顯示、報警指示等部分。根據(jù)模式值，可查看相應(yīng)的參數(shù)，如設(shè)定溫度值、溫度上限報警值等，并根據(jù)需要可對參數(shù)進行修改、保存等。同時本系統(tǒng)還配液晶顯示，可以通過啟動通信實時顯示溫度值等，配合構(gòu)成一套完整的溫度監(jiān)控系

19、統(tǒng)。主要功能如下：1 設(shè)定溫度顯示、實時溫度顯示2 溫度上限報警，溫度報警上限值設(shè)定3 溫度下限報警，溫度報警下限值設(shè)定4 目標溫度值設(shè)定5 放大電路放大倍數(shù)設(shè)定6 P、I、D控制參數(shù)的設(shè)定7 手動加熱設(shè)定值8 手動/自動設(shè)定9 溫度零點標定10 參數(shù)保存11 液晶顯示23 方案設(shè)計231 方案（1）采用單CPU設(shè)計此方案采用ADI公司的ADuC812芯片實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，其溫度檢測部分電路需外加熱電偶進行檢測。ADuC812芯片內(nèi)部有溫度傳感器、3個定時/計數(shù)器、A/D功能、EPROM存儲功能，可以對室溫進行采集、進行實時計數(shù)、參數(shù)保存，顯示部分由液晶顯示。但實現(xiàn)驅(qū)動液晶顯示比較困難。23

20、2 方案（2）采用雙CPU設(shè)計 此方案采用雙CPU進行控制，PHILIPS公司P89C51作為主控芯片，負責(zé)整個系統(tǒng)的控制和各項任務(wù)的管理。LPC938則負責(zé)溫度的采集和處理，同時把處理的情況實時傳給主控芯片。但LPC938沒有片上溫度傳感器，需外加溫度傳感器對系統(tǒng)進行溫度補償才能準確計算出所需要的溫度。233 方案（3）采用雙CPU設(shè)計此方案采用雙CPU進行控制，ADI公司的ADuC812作為主控芯片，負責(zé)整個系統(tǒng)的控制和溫度的采集和處理。PHILIPS公司P89C51則負責(zé)驅(qū)動液晶顯示，同時實時顯示從主控芯片傳送來的數(shù)據(jù)。24 方案選擇方案（1）只用了一塊單片機，有片上溫度傳感器，因此節(jié)省

21、器件、電路簡單、調(diào)試容易、成本較低，但難以驅(qū)動液晶顯示。方案（2）是一個雙CPU系統(tǒng)，采用PHILIPS公司P89C51作為主控芯片，LPC938 作為從機。這樣當很多信號同時響應(yīng)時，兩塊單片機分工合作，突破了瓶頸現(xiàn)象，使得單片機能夠快速、準確采集和處理各種信號。但需外加溫度傳感器對系統(tǒng)進行溫度補償才能準確計算出所需要的溫度。方案（3）是一個雙CPU系統(tǒng)，采用ADI公司的ADuC812作為主控芯片，PHILIPS公司P89C51 作為從機。這樣當很多信號同時響應(yīng)時，兩塊單片機分工合作，突破了瓶頸現(xiàn)象，使得單片機能夠快速、準確采集和處理各種信號。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，實時性好，CPU利用率高25 系統(tǒng)

22、設(shè)計 按方案（3）設(shè)計出來的溫度儀表系統(tǒng)如圖2.1 此系統(tǒng)采用ADI公司的ADuC812和PHILIPS公司P89C51作為主控芯片。溫度控制系統(tǒng)包括實現(xiàn)溫度控制的CPUAduC812、溫度測量裝置（K分度熱電偶）、加熱元件、溫度參數(shù)顯示、SSR、輔助控制電路等。 LCD用來顯示模式值及相應(yīng)的參數(shù)，通過按鍵可以改變模式值及相應(yīng)的參數(shù)CPU根據(jù)檢測的溫度值對上、下限報警值進行比較，控制報警燈的狀態(tài)。本系統(tǒng)采用周波控制加熱爐的溫度。K分度熱電偶作為溫度傳感器，是檢測電路的關(guān)鍵部件。傳感信號通過放大、濾波等處理，可直接由CPU進行A/D轉(zhuǎn)換，換算為相應(yīng)的溫度測量值。根據(jù)測量值和設(shè)定值之差，進行PID

23、運算，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為周波數(shù)，通過控制SSR通過的周波來控制加熱的溫度。圖2.1溫度儀表框圖圖2.2人機界面液晶顯示人機界面中心EM液晶顯示人機界面中心3 溫度控制方法及算法31溫度的控制原理對于電熱加溫的溫度控制可以采用移相控制或周波控制方式。移相控制方式是通過改變可控硅的導(dǎo)通角來控制輸出電壓，從控制加熱對象的溫度，控制電路相對復(fù)雜，但控制精度比較高。周波控制方式的輸出電路如圖3.1所示，它實際上是通過調(diào)節(jié)一定時間的循環(huán)周期內(nèi)的供電時間比例來控制加熱對象在本周期內(nèi)獲得的電能，從而控制其溫度。由于控制加溫的時間比例實現(xiàn)起來相對簡單，因此周波控制方式在溫度控制系統(tǒng)獲得了比較廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)確定

24、采用周波控制方式。VCC+ SSR- R加熱元件LN圖3.1周波控制輸出電路由圖3.1可知，CPU的I/O腳輸出低電平時，SSR給加熱元件接通220V交流電源，加熱元件獲得電能，溫度升高；I/O腳輸出高電平時，SSR開路，加熱元件兩端無電壓，停止加熱，如溫度高于環(huán)境室溫，則對象的溫度開始下降。采用時間比例控制的具體方法是：1 設(shè)定一個標準的加溫周期T，以T為周期對溫度進行采樣，獲得溫度測量值；2 根據(jù)設(shè)定值和測量值的偏差，進行PID算法；3 將PID的輸出轉(zhuǎn)換為SSR的通斷時間。PID的輸出為0%，則SSR接通時間為0，即本周期無輸出；如果PID輸出為100%，則SSR接通時間為T，即本周期為

25、全輸出；如果PID的輸出為MV，則SSR的接通時間為T*MV/100，斷開時間為T-T*MV/100。3. 2 控制算法與數(shù)字濾波 所謂算法是指為了獲得某種特定的計算結(jié)果而規(guī)定的一套詳細的計算方法和步驟，可以表示為數(shù)學(xué)公式或操作流程。常用的算法包括測量算法和控制算法兩大類。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器傳感器變送器執(zhí)行機構(gòu)輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系

26、統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器變送器執(zhí)行機構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator)，其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。有利用PID控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC)，還有可實現(xiàn)P

27、ID控制的PC系統(tǒng)等等。 可編程控制器(PLC) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連，如Rockwell的PLC-5等。還有可以實現(xiàn)PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix產(chǎn)品系列，它可以直接與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)其遠程控制功能。（1）開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。 （2）閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-lo

28、op control system)的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋( Negative Feedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當反饋，人體系統(tǒng)能通過不斷的修正最后做出各種正確的動作。如果沒有眼睛，就沒有了反饋回路，也就成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。另例，當一臺真正的全自動洗衣機具有能連續(xù)檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源，它就

29、是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）階躍響應(yīng) 階躍響應(yīng)是指將一個階躍輸入（step function）加到系統(tǒng)上時，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準、快三個字來描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的，準是指控制系統(tǒng)的準確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(Steady-state error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差，快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時間來定量描述。 （4）PID控制的原理和特點 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比

30、例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。在模擬系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID

31、控制.PID控制器是一種線形控制器,它根據(jù)給定值w與實際輸出值y構(gòu)成控制偏差e, e(t)=r(t)-c(t)將偏差的比例（P）,積分（I）,微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進行控制,稱為PID控制.其控制規(guī)律為：或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：圖3.2 PID控制PID控制器各環(huán)節(jié)的作用是：比例環(huán)節(jié): 即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生,立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差.積分環(huán)節(jié): 主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度.積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti,Ti越大,積分作用越弱,反之則越強.微分環(huán)節(jié): 能反映偏差信號的變化趨勢,并能在偏差信號值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期

32、修正信號,從而加快系統(tǒng)的動作速度,減小調(diào)節(jié)時間.上圖為模擬PID控制系統(tǒng)原理圖.在計算機控制系統(tǒng)中,使用的是數(shù)字PID控制器,數(shù)字PID控制算法又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法.位置式PID控制算法的缺點是,由于全量輸出,所以每次輸出均與過去的狀態(tài)無關(guān),計算時要對偏差進行累加,計算機運算工作量大.而且,因為計算機輸出的y對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置,如果計算機出現(xiàn)故障,y的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化,這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的.鑒于以上考慮,本系統(tǒng)采用增量式控制算法.所謂增量式PID控制算法,是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量.數(shù)字PID表達式為：根據(jù)推理可

33、得：兩式相減,得：增量式控制雖然只是算法上作了一點改進,帶來不少好處：（1）由于計算機輸出增量,所以誤動作時影響小,必要時可用邏輯判斷的方法去掉.（2）手動/自動切換時沖擊小,便于實現(xiàn)無擾動切換.此外,當計算機發(fā)生故障時,由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用,故能仍然保持原值.（3）算式中不需要累加.控制增量的確定僅與最近K次的采樣值有關(guān),所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果.右圖增量式PID控制算法的程序框圖:圖3.3 PID計算流程圖（4）在編程中,PID還做了一些改進,即在開始時進行積分,進入限制范圍后即停止積分.其基本思想是：當控制進入飽和區(qū)以后,便不再進行積分項的累加,而

34、只執(zhí)行削弱積分項的運算.因而,在計算u(k)時,先判斷u(k-1)是否已超出限制值.若u(k-1)超出限制值,則只累加負偏差；若u(k-1)未超出限制值,則累加正偏差.這種算法可以避免控制量長時間停留在飽和區(qū). PD電路和PI電路等效圖:C2C3R3VO3VO2VO2/mC1R2R1VO2VO1圖3.5 PI等效電路圖3.4 PD等效電路(5) PID控制器的參數(shù)整定 PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理

35、論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對

36、輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。(6)數(shù)字濾波本系統(tǒng)要采樣的模擬信號有電壓,電流等信號,因為ADuC812單片機內(nèi)部自帶8個通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器,故無需再擴展其他的A/D轉(zhuǎn)換芯片.單片機作一次A/D轉(zhuǎn)換需ADCCON1來設(shè)定,采用12MHz時為0.2us.轉(zhuǎn)換結(jié)果存于A/D結(jié)果寄存器中.A/D結(jié)果寄存器不能按字讀取,必須2個字節(jié)分開讀.在寫程序時應(yīng)分別讀得其高位和低位,然后拼裝成完整的結(jié)果.因測量信號來自工業(yè)現(xiàn)場,而現(xiàn)場往往存在很多干擾源,影響最大的是50Hz的工頻干擾.因此,對工頻干擾信號的抑制是

37、保證測量準確的重要措施之一.本系統(tǒng)除了在硬件上加了RC濾波器之外,在軟件上進一步采用數(shù)字濾波方法抑制干擾的產(chǎn)生.數(shù)字濾波的方法很多,有程序判斷濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法等等.其中程序判斷濾波法是根據(jù)應(yīng)驗確定兩次采樣允許的最大偏差,若先后兩次采樣值大于最大偏差,則表明本次輸入信號是干擾信號,應(yīng)該丟掉,而且上次采樣值作為本次采樣值；若小于最大偏差,則本次采樣值有效.中位值濾波法就是對某一被測參數(shù)連續(xù)采樣N次,然后把N次采樣值按大小排列,取中間值作為本次采樣值.中位值能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾.算術(shù)平均值濾波就是連續(xù)取N個值進行采樣,然后求出平均值作為采樣值.本系

38、統(tǒng)綜合以上各種濾波方法,連續(xù)采樣10個值,然后把這10個值按大小排列,去掉兩個最大值,去掉兩個最小值,再求剩下的8個值的平均值,將其作為最終的采樣值.4 硬件設(shè)計41 芯片介紹411 ADuC812單片機的特點ADuC812是美國ADI公司出品的高性能微轉(zhuǎn)換器。有時也把它通俗地稱為單片機或微控制器。它具有十分強大的功能。下面就以本次課題所要用ADuC812的功能作以介紹。以下是芯片的引腳圖：圖4.1 ADuC812引腳 AduC812有9個中斷源，分2個中斷優(yōu)先等級，允許實現(xiàn)。由中斷優(yōu)先級寄存器IP 控制各中斷源的中斷優(yōu)先級，如果中斷源處于同一優(yōu)先級，則通過內(nèi)部查詢電路決定其響應(yīng)的先后順序。A

39、duC812 的中斷系統(tǒng)由中斷標志（特殊功能寄存器TCON、SCON）、中斷允許寄存器IE、中斷優(yōu)先級寄存器IP 及內(nèi)部查詢電路組成。當這些中斷源發(fā)出中斷申請時，CPU 可自動將程序轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷入口地址（中斷向量），這些中斷向量是固定的。 表4.1 中 斷 源 中 斷 入 口 地 址中斷中斷名稱中斷矢量地址PSMI電源監(jiān)視器43HIE0INT0 外部中斷03HADCIA/D轉(zhuǎn)換結(jié)果33HTF0定時器0溢出0BHIE1外部中斷113HTF1定時/計數(shù)器11BHI2CI/ISPI串行中斷3BHRI/TIUART中斷23HTF2/EXF2定時器22BH（1）中斷允許寄存器IE在AduC812 中，

40、利用特殊功能寄存器IE 作為中斷允許寄存器，IE 的字節(jié)地址為A8H，可進行位尋址，IE 的邏輯結(jié)構(gòu)。 表4.2 IE 的邏輯結(jié)構(gòu)位D7D6D5D4D3D2D1D0IEEAEADCET2ESET1EX1ET0EX0位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HEX0外部中斷0 的中斷允許位當EX0=0 時，禁止外部中斷0 中斷；EX0=1 時，允許外部中斷0 中斷。ET0內(nèi)部定時/計數(shù)器0 的中斷允許位當ET0=0 時，禁止內(nèi)部定時/計數(shù)器0 中斷；ET0=1 時，允許內(nèi)部定時/計數(shù)器0 中斷。EX1外部中斷1 的中斷允許位當EX1=0 時，禁止外部中斷1 中斷；EX1=1 時，允許外

41、部中斷1 中斷。ES片內(nèi)串口的中斷允許位當ES=0 時，禁止片內(nèi)串口中斷；ES=1 時，允許片內(nèi)串口中斷。ET2同ET0同ET0EADCAD中斷允許位EADC=1時, 允許AD中斷;EADC=0時, 禁止AD中斷EA中斷允許總控位當EA=0 時，CPU 禁止中斷，即CPU 關(guān)中斷；EA=1 時，CPU 允許中斷，即CPU 開中斷。EA 稱為總允許。 表4.3中斷允許位 根據(jù)實驗的需要，要設(shè)置IE各功能，我們分析到IE有兩級中斷嵌套即通過EA實現(xiàn)一級中斷允許總控位，然后再依據(jù)需要分別啟動各中斷的標志位。在這種情況下，我們分步設(shè)置IE來實現(xiàn)各中斷的需要。在這里我們要用到外部中斷0、定時器0中斷、A

42、DC中斷、串口中斷。EA = 1;ET0 = 1;EADC= 1;ES = 1;EX0 =1;（2） 中斷優(yōu)先級寄存器IPAduC812的中斷系統(tǒng)具有兩個中斷優(yōu)先級，通過特殊功能寄存器IP 來進行設(shè)置，IP 的字節(jié)地址是0B8H，可進行位尋址。表4.4中斷優(yōu)先級寄存器IP位D7D6D5D4D3D2D1D0IPPSIPADCPT2PSPT1 PX1PT0PX0位地址BFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8H在這里我們將默認系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級，編寫的程序中沒給出相應(yīng)的語句。（3）中斷的觸發(fā)方式在中斷系統(tǒng)中，可通過特殊功能寄存器TCON 來進行控制。特殊功能寄存器TCON 的字節(jié)地址是88H，可

43、進行位尋址 表4.5 TCON的邏輯結(jié)構(gòu) 位D7D6D5D4D3D2D1D0TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H表4.6 TCON 各位的功能 IT0外部中斷0 的觸發(fā)方式控制位。當IT0=1 時，外部中斷0 采用邊沿觸發(fā)方式（采用從1 到0 的負跳變）;當IT0=0 時，外部中斷0 采用電平觸發(fā)方式IE0外部中斷0 采用邊沿觸發(fā)方式時的中斷申請標志位IE0=1 表示外部中斷0 有中斷申請，IT1外部中斷1 的觸發(fā)方式控制位作用與IT0 相同IE1外部中斷1 采用邊沿觸發(fā)方式時的中斷申請標志位作用與IE0 相同TF0片內(nèi)

44、定時/計數(shù)器0 溢出中斷請求位當定時/計數(shù)器0產(chǎn)生溢出時，TF0被置位，向CPU 發(fā)出中斷申請。TF1片內(nèi)定時/計數(shù)器1 溢出中斷請求位當定時/計數(shù)器1產(chǎn)生溢出時，TF1被置位，向CPU 發(fā)出中斷申請（4）中斷系統(tǒng)步驟中斷程序的結(jié)構(gòu)與CPU 對中斷的處理過程密切相關(guān)，中斷程序通常分主程序和中斷服務(wù)程序兩部分。（1）主程序1）主程序的起始地址 AduC812 系列單片機復(fù)位后，（PC）=0000H，在編寫程序時一般在0000H放置一條長跳轉(zhuǎn)指令。主程序則以跳轉(zhuǎn)的目的地址作為起始地址。2）初始化 所謂初始化，就是將要使用到的AduC812 單片機的內(nèi)部部件或擴展芯片的初始工作狀態(tài)進行設(shè)定。單片機復(fù)

45、位后，特殊功能寄存器IE、IP 的內(nèi)容為00H，所以必須對其進行初始化編程，開放中斷，設(shè)定優(yōu)先級。（2）中斷服務(wù)程序1）中斷服務(wù)程序的起始地址 當CPU 接到中斷申請并響應(yīng)后，CPU 把PC 的當前值壓入堆棧進行保護，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口處執(zhí)行。AduC812 單片機的中斷系統(tǒng)對五個中斷源分別規(guī)定了固定的中斷入口地址，但這些地址之間相距只有8 個字節(jié)，如果中斷服務(wù)程序的指令代碼少于8個字節(jié)，則可從相應(yīng)的入口地址開始直接編寫中斷服務(wù)程序；如果中斷服務(wù)程序的代碼多于8個字節(jié)，則必須在入口處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，以跳轉(zhuǎn)指令的目標地址作為中斷服務(wù)程序的起始地址。2）中斷服務(wù)程序的內(nèi)容A 視需要確定是

46、否保護現(xiàn)場；B 及時清除那些不能被硬件自動清除的中斷標志，以免產(chǎn)生誤中斷；C 中斷服務(wù)程序中的壓棧（PUSH）指令和彈棧（POP）指令必須成對使用，以保證返回正確的斷D 主程序與中斷服務(wù)程序之間的參數(shù)傳遞方式和主程序與子程序之間的參數(shù)傳遞方式一致。（5）定時器/計數(shù)器及其應(yīng)用AduC812 單片機內(nèi)有兩個16 位定時器/計數(shù)器，分別為定時器0（T0）和定時器1（T1）。它們都其有定時器和計數(shù)功能，可用作定時控制、精確延時，以及對外部事件的計數(shù)和控制，其中T1 還可以作為串行口的波特率發(fā)生器。16 位定時器/計數(shù)器的核心部分是一個加1 計數(shù)器，定時在本質(zhì)上也是計數(shù)，即對基準時間計數(shù)。每一個定時器

47、分別由兩個8 位的寄存器組成，T0 由TH0 和TL0 組成，T1 由TH1 和TL1 組成。這兩個寄存器用來存放定時或計數(shù)的初值。當C/T =0，工作在定時方式，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)接通內(nèi)部時基脈沖，是對機器周期進行計數(shù)，所計的數(shù)值乘以機器周期就是所需要的定時時間；當C/T =1 時，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與T0（或T1）引腳接通，對外部輸入信號進行計數(shù)，所計數(shù)據(jù)保存在計數(shù)器中。外部輸入信號的高低電平保持時間最少應(yīng)大于兩個機器周期，這是電路設(shè)計所要求的。定時器/計數(shù)器的兩種工作方式的設(shè)定是通過對定時器工作方式寄存器TMOD 的設(shè)置來決定的。定時器計數(shù)器的啟動、停止及溢出等情況，由定時器控制寄存器TCON 控制

48、。定時器/計數(shù)器的初始化定時器/計數(shù)器是一種可編程部件，在其工作之前必須將控制命令字寫入其方式寄存器TMOD 和控制寄存器TCON，以確定其工作方式。這一過程稱為定時器/計數(shù)器的初始化。1）工作方式寄存器TMODTMOD 用于控制T0 和T1 的工作方式。其格式如下：表4.7TMOD（89H）D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0表4.8 M1、M0的工作方式控制位，構(gòu)成4 種工作方式0 0 013位計數(shù)器0 1 116位計數(shù)器1 0 28 位自動重裝入計數(shù)器1 13T0 分為兩個8 位計數(shù)器 A C/T ：計數(shù)/定時工作方式選擇位。C/T 0，設(shè)置為定時

49、工作方式。C/T 1，設(shè)置為計數(shù)工作方式。B GATE：門控位GATE0，只要用軟件對TR0（或TR1）置1 就啟動定時器T0（或T1）。GATE1，只有在INTX 引腳為1，且用軟件對TR0（或TR1）置1 才能啟動定時器T0（或T1）。TMOD 所有位復(fù)位后都清0。TMOD不能位尋址，只能用字節(jié)方式設(shè)置工作方式。2）控制寄存器TCONTCON 用于控制定時器/計數(shù)器的啟動、停止以及反映定時器/計數(shù)器的溢出和中斷情況，其格式如下表4.9、4.10。 表4.9位D7D6D5D4D3D2D1D0TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 表4.10TF1定時器T1 溢出標志位當T1

50、 溢出時，由硬件自動置1，并向CPU 申請中斷，CPU 響應(yīng)中斷后，又由硬件清0，TF1 也可由軟件清0TR1：定時器T1 運行控制位可由軟件置1 或清0 來啟動或停止T1。用指令SETB TR1: 使TR1 置1，CLR TR1 清0。TF0定時器T0 溢出標志位功能與TF1 相同TR0定時器T0 運行控制位功能與TR1 相同 表4.11 定時器/計數(shù)器的工作方式GATEC/TM1M0GATEC/TM0M0AduC812 單片機的兩個16 位定時器/計數(shù)器具有定時和計數(shù)兩種功能，每種功能都包括了4 種工作方式，除了工作方式3 以外，其它3 種工作方式的基本原理都是一樣的。用戶通過對TMOD

51、的初始化編程來選擇定時器/計數(shù)器的功能和工作方式，通過把計數(shù)初值寫入TH 和TL 中來控制計數(shù)長度，通過對TCON 中相應(yīng)位進行置位或清0 來實現(xiàn)啟動定時器工作或停止計數(shù)。 表4.12定時器的工作方式工作方式0 當M1 M0 為00 時，定時器/計數(shù)器工作在方式0，它是一個8 位的計數(shù)器。工作在定時方式當時C/T =0 時，定時器T0 工作在定時方式。對機器周期進行加1 計數(shù)，其定時時間為：T=（213T0 初值）機器周期工作在計數(shù)方式當C/T 1 時，定時器T0 工作在計數(shù)方式。13 位計數(shù)器對外部輸入信號進行加1 計數(shù)。工作方式1當M1M0 為01 時，定時器/計數(shù)器T0 工作方式1 的定

52、時時間為：T（216T0 初值）機器周期工作在計數(shù)方式工作方式1 是16 位計數(shù)器。當M1M0 為10 時，工作在方式2，16 位的計數(shù)器分成兩個獨立的8 位計數(shù)器TH0和TL01工作方式2 的定時時間為：t(2 8T0 初值)機器周期2 工作方式2 與工作方式0、方式1 的區(qū)別在于工作方式2 為8 為計數(shù)器。當M1M0 為11 時，定時器/計數(shù)器工作在方式3一般情況下，當定時器用作串行口波特率發(fā)生器時，T0 才設(shè)置為工作方式3。此時應(yīng)用定時器/計數(shù)器時。（6）AD/DA轉(zhuǎn)換在模數(shù)和數(shù)模的轉(zhuǎn)換中，AduC812不是像其它芯片一樣外設(shè)專門用來模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換的AD/DA轉(zhuǎn)換器。在AduC812中集成了AD轉(zhuǎn)換塊包含了8通道12位單電源ADC。其優(yōu)點是，提供了軟件校準子程序，可允許用戶在需要時重寫工廠編程的校準系數(shù)，以便使用戶目標系統(tǒng)中端點誤差的影響為最小。我們在編寫下位機程序時，采用了12位AD轉(zhuǎn)換。下面我們就以設(shè)置AD控制字，作以說明。表4.13 Aduc812 的相關(guān)寄存器有5 個ADCCON1ADCCON2ADCCON3ADCDATALADCDATAHEFHD8HF5HD9HDAH其中，ADCCON1 、ADCCON2、ADCCON3是用設(shè)置控制字的，而ADCDATAL 、ADCDATAH是用提取AD轉(zhuǎn)換的值。表4.1