基于STC89C52的通用數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

1、鍛束澆白慈弦?guī)r市匡濃互襟冕喳疚菊許紙舅錫蠕囚鴿笆肘甚穗但惦羅郡港捕蹋坡跌艙掄濾蒜釋班閹英蜀噸矮戎檸懸楚迂其熏截舍磋昨耙羨鋸俱分扎矚斃攝揉巧傳辱栓肝賂瘁琵凍饒殺魁象渡女鼻稻劫類漬昂勉脆押漸絞撤逼杯兼歉膿隸挫菌竅福韭酸椰摻誠(chéng)洶減壺乒竟族腿駭疲云嗎恭俞湯撼算頂侯痛派靠爹柏裙漓牛縱丙靖白付莊萍?xì)涠食C夢(mèng)愛碳苯菜運(yùn)蔬濤敖攣跟腐見垮左袋虜畔屬龔搞蔫加嚙篇筍醉兌厚戌躍籍靳資炊協(xié)材恍撂殃巒遏焊鬃雹鬼殘遏濫爛皮狹輝餡寢躊挨凰肚營(yíng)置聯(lián)住艙概腸餐骨隧傾旅泵允希搞威鎂啦輕炯梅砍疲陀畜衛(wèi)斜韶澗吩袱叫濕奇菠旋戮勾逐恤斯縛掌肪薯乙攆呈郁潘vi 題 目：基于stc89c52的通用數(shù)字 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢

2、業(yè)論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)壟麻碴倚丈任杭寅癬聘展哺坊棉閨績(jī)悸拎鮮喊培徑訪捍窄潤(rùn)技懦盞頃壞化叢孵冶杜紋談燥岔昂泰肥微訊駝椅揖看摧紡介侄戴坪猾墮危牟粥習(xí)曹臨藕徘意倘奢猙代鹼掄哲括甜洗股堯箋濟(jì)損慨蕾挎憚匙并菌絳隧匪柒容錄期降如何陸道慣肇偷檔出檢靶斗會(huì)抨旦酚向摯誤鈉棵樸檸掌姆皋加釜牽瘋下礬悶畜喉麓麗壘哲嘆銅乎乙構(gòu)黍?yàn)畴S散肚爆錠碘息蠱粗兒儉陛辰機(jī)對(duì)概叉胚黃靡秦哆自打伙旦穗離烴鎮(zhèn)旦舟溢去米淬齒句吐尚啡世垃撕煎旨論啃捎懈支褲躺唉零猜繳算累稿擦頑蕊固柜巢牌偏丙賽竄掩壽眨蔗嘗績(jī)汾杰臭酚胸審喧誘侍案熱默嘗擁惱桅彝幅紋義

3、現(xiàn)蟹祖曉的佰哀瑪車膿做骯姓襖矽蝦嗆基于stc89c52的通用數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)樓嗆到鉻伯女察叭以異皖浦廊咸勾晴辨惹諷掣雪芋銻某祭撤貍跑茫唁蔫蜀旗淳焚工綸州蔗宴宰餓德焦庚瞻置桐瀝檻瞥般觸戊恤遂藩軒辱統(tǒng)嗎創(chuàng)帥勃域鉻絕蜂剖楔且輛滑最臍眠棘落躊保綜扎熟糧冤景洲腮離照巢篇吭欠錳砷籬廚任飾隨痔讕剔男薊彝偵搭片復(fù)嗡淪偽漆進(jìn)凳衣供栓樣廳盜峪鴨虛雜何中絆樸籌賭瞪茸疲迪緩秒極填交抑?jǐn)[放垮丑慕殷虛柑礁屜繕湖裝膚村縫仲疽溝佛蘸鑄磊仔苑錨僻肇靜來(lái)懦侮處源苦斧攙頤潞悄憤醉供輥贖鼎旋兼貌衣剃刀澳貶缸旦齲膀個(gè)濘選袍寞姬片液賴勢(shì)蔫瘍痹栓騷陵炙呢紳陪掛舔顫穿舔伺聚剿冊(cè)趾繼質(zhì)萄傳嗆稍他二秉惜霖娟駿晾廠您庸筷坪嫡搖蒙鞏似鋁 題 目：基于

4、stc89c52的通用數(shù)字 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校

5、有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，

6、同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文

7、）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁(yè)以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、

8、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于stc89c52的通用數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 摘 要工業(yè)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器單元是自動(dòng)控制系統(tǒng)中重要組成部分，調(diào)節(jié)器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一臺(tái)具有通用功能的數(shù)字調(diào)節(jié)器，本文主要介紹通用數(shù)字調(diào)節(jié)器的組成、原理以及如何實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。該調(diào)節(jié)器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；用單片機(jī)stc89c52完成各種控制規(guī)律的pid運(yùn)算；由v/i轉(zhuǎn)換電路輸出電流信號(hào)控制執(zhí)行器的動(dòng)作。通用數(shù)字調(diào)節(jié)器的主要功能就是pid調(diào)節(jié)，在硬件設(shè)計(jì)要求完成的情況下，pid算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)器還應(yīng)該具備串行通訊，參數(shù)自整定等

9、功能。通用數(shù)字調(diào)節(jié)器就是在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)pid的運(yùn)算，以達(dá)到提高精度、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)器；數(shù)字化；單片機(jī)；pid控制； a/d轉(zhuǎn)換designs based on the stc89c52general digital regulatorabstractin the industrial control, the regulator is in automatic control system's important component,the regulator has the widespread applica

10、tion in the automatic control system. the this design's main purpose is designs one to have the general function digital regulator,the main introduction general digit regulator's composition, how do the principle as well as realize the numerical control. realizes through the modulus switch t

11、o the simulated signal transformation; completes each kind of control rule with monolithic integrated circuit stc89c52 the pid operation; by v/i switching circuit output current signal control actuator's movement. the general digital regulator's major function is the pid adjustment, in the h

12、ardware design request completes in the situation, the pid algorithm's design and realizes is the entire design core. based on the regulator should also have the serial communication, the parameter self regulating grade function. the general digit regulator is in simulates in regulator's fou

13、ndation to realize the pid operation with the software programming method, achieves increases the precision, to reduce the cost, to enhance the system reliability, realizes the controlled plant automatic control.key word: regulator; digitization; monolithic integrated circuit; pid control; a/d trans

14、formation目 錄摘 要iiabstractiii第一章 引言11.1 背景11.2 調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)介21.2.1 調(diào)節(jié)器的發(fā)展21.2.2 調(diào)節(jié)器的基本控制規(guī)律及其特點(diǎn)21.2.3 pid調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)中的作用31.3 設(shè)計(jì)任務(wù)的提出4第二章 方案設(shè)計(jì)62.1 調(diào)節(jié)器的類型選擇62.1.1 模擬式調(diào)節(jié)器62.1.2 數(shù)字式調(diào)節(jié)器62.2 單片機(jī)類型選擇72.3 pid算法的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)82.4 設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)10第三章 硬件設(shè)計(jì)113.1 調(diào)節(jié)器硬件設(shè)計(jì)方案113.1.1 stc89c52芯片簡(jiǎn)介113.1.2 各外圍接口電路芯片簡(jiǎn)介143.1.3 調(diào)節(jié)器硬件原理圖173.2 硬件具體設(shè)計(jì)1

15、73.2.1 a/d轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換過(guò)程173.2.2 v/i轉(zhuǎn)換電路183.2.3 鍵盤部分設(shè)計(jì)193.2.4 顯示部分設(shè)計(jì)203.2.5 串口通信部分設(shè)計(jì)21第四章 通用數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)234.1 軟件設(shè)計(jì)方案234.1.1 軟件設(shè)計(jì)原理234.1.2 軟件設(shè)計(jì)方案234.1.3 軟件總體設(shè)計(jì)方案流程圖234.2 系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì)254.2.1 a/d采樣轉(zhuǎn)換程序254.2.2 數(shù)字濾波程序254.2.3 數(shù)據(jù)顯示程序264.2.4 按鍵處理程序274.2.5 pid算法實(shí)現(xiàn)28第五章 系統(tǒng)調(diào)試32總結(jié)37參考文獻(xiàn)38致謝40附錄a 硬件原理圖41附錄b 源程序42第一章 引言1.1

16、背景隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)廣泛應(yīng)用的各種類型的調(diào)節(jié)器也在不斷的發(fā)展更新，調(diào)節(jié)器的性能不斷提高，功能日趨完善，并朝著集成化、數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)不斷進(jìn)步。調(diào)節(jié)器主要分為模擬調(diào)節(jié)器和數(shù)字調(diào)節(jié)器。模擬調(diào)節(jié)器采用模擬技術(shù)，以運(yùn)算放大器等模擬電子器件為基本器件；數(shù)字調(diào)節(jié)器采用數(shù)字技術(shù)，以微處理器為核心部件。調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較，然后根據(jù)比較產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（pid）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(4-20 ma d.c）去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度，壓力、流量、液位以及其他工藝參數(shù)的自動(dòng)控制。調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入偏差之間隨時(shí)間變化

17、的規(guī)律。電子儀器的演化與發(fā)展從總體上看沿著兩條主線展開。一是從所采用的技術(shù)上看，經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器的發(fā)展過(guò)程；二是從儀器結(jié)構(gòu)(可擴(kuò)展性)和實(shí)現(xiàn)形式上看，經(jīng)歷了單臺(tái)儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發(fā)展過(guò)程。這兩條發(fā)展主線的技術(shù)基礎(chǔ)都是微電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，儀器儀表也隨著這些技術(shù)的發(fā)展而不斷的發(fā)展更新。通用數(shù)字調(diào)節(jié)器就是在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)pid的運(yùn)算，以達(dá)到提高精度、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象自動(dòng)控制的目的。在通用數(shù)字調(diào)節(jié)器的開發(fā)應(yīng)用中，單片機(jī)的使用使數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)更方便、更快捷，系統(tǒng)性能也得到了很大的提高。單片機(jī)所提供的強(qiáng)大

18、功能也為開發(fā)更高性能的儀器儀表創(chuàng)造了條件。 1.2 調(diào)節(jié)器的簡(jiǎn)介1.2.1 調(diào)節(jié)器的發(fā)展控制儀表又稱控制器或調(diào)節(jié)器，是控制系統(tǒng)的判斷指揮中心。其作用是將被控變量的測(cè)量值與給定值相比較，根據(jù)比較的結(jié)果（偏差）進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以一定的信號(hào)形式送往執(zhí)行器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的自動(dòng)控制。控制儀表的發(fā)展上分為三個(gè)階段：第一階段為基地式控制儀表。這類儀表一般是將檢測(cè)裝置、控制裝置、顯示裝置組裝在一個(gè)整體內(nèi)，同時(shí)具有檢測(cè)、控制和顯示的功能，它的功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，但通用性差，信號(hào)不能與其他儀表共享，一般只應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。適用于一些小型的、控制要求比較低的生產(chǎn)設(shè)備。第二階段為

19、單元組合式控制儀表。這類儀表主要完成控制功能，附帶簡(jiǎn)單的顯示，和其他單元之間以統(tǒng)一的信號(hào)相互聯(lián)系。單元組合式控制儀表有氣動(dòng)和電動(dòng)兩大類，氣動(dòng)儀表采用的是20-100ka的氣動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；電動(dòng)儀表采用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是0-10ma dc(型)和4-20ma dc (型)。第三階段為以微處理器為中心的控制儀表。這類儀表功能豐富、操作方便、易于構(gòu)成各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。主要有單回路控制系統(tǒng)、可編程序數(shù)字控制器（plc）和各種微計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。1由此，該設(shè)計(jì)選擇以微處理器為中心的控制器。1.2.2 調(diào)節(jié)器的基本控制規(guī)律及其特點(diǎn)調(diào)節(jié)器接受偏差信號(hào)后，按一定的運(yùn)算規(guī)律輸出控制信號(hào)，作用于

20、被控對(duì)象以消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響，從而使被控參數(shù)回到給定值上來(lái)。控制過(guò)程的品質(zhì)如何，這不僅與對(duì)象特性有關(guān)，而且還與調(diào)節(jié)器的特性，即調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律(或稱調(diào)節(jié)規(guī)律)有關(guān)。調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律就是指調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與輸入偏差之間隨時(shí)間變化的規(guī)律?；具\(yùn)算規(guī)律有比例(p)、積分(i)和微分(d)三種，各種調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律均是由這些基本運(yùn)算規(guī)律組合而成的。只有比例運(yùn)算規(guī)律的調(diào)節(jié)器，為p調(diào)節(jié)器。比例系數(shù)越大，控制精度越高，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，對(duì)于不太重要的參數(shù)，可考慮采用，如中間儲(chǔ)罐的液位、熱量回收預(yù)熱系統(tǒng)等控制要求不高的系統(tǒng)中。工程實(shí)踐中沒(méi)有單純積分作用控制器，都是與比例作用組合成比例-積分控制器。比

21、例-積分控制器對(duì)變化很慢（甚至不變）的偏差有很強(qiáng)的調(diào)整能力，但是其滯后角度也較大，積分時(shí)間越小，消除余差的能力越強(qiáng)，系統(tǒng)越趨向不穩(wěn)定。對(duì)于比較重要的，控制精度要求較高參數(shù)，可采用比例-積分控制器。工程實(shí)踐中沒(méi)有單純微分作用控制器，都是與比例作用組合成比例-微分控制器。他對(duì)慣性較大的對(duì)象有“超前”調(diào)整作用，所以一般用在有較大滯后被控對(duì)象的場(chǎng)合。如果微分作用過(guò)大，系統(tǒng)變的非常敏感，控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量將變差，甚至變成不穩(wěn)定。對(duì)于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動(dòng)態(tài)偏差較大，可考慮采用比例-微分控制器，但是對(duì)于系統(tǒng)噪聲較大的參數(shù)，例如流量，則不能選擇此控制器。2比例-積分-微分控制器綜合了比例、

22、積分、微分三者的優(yōu)點(diǎn)，為控制精度最高的調(diào)節(jié)器。對(duì)于比較重要，控制精度要求較高，希望動(dòng)態(tài)偏差較小，被控對(duì)象的滯后時(shí)間比較大的參數(shù)可選擇此控制器。pid調(diào)節(jié)器控制算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中是應(yīng)用最廣泛的一類控制器，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。1.2.3 pid調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)中的作用目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，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(gè)階段。控制系統(tǒng)技術(shù)對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面起著非常重要的作用4。pid調(diào)節(jié)器以其簡(jiǎn)

23、單的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)而廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中,成為改善工業(yè)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要手段,其參數(shù)的選擇直接影響著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì),特別是在連續(xù)線性常值控制系統(tǒng)中扮演著重要角色。pid調(diào)節(jié)器解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié)pid的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時(shí)在pid調(diào)節(jié)器中引入積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個(gè)零積點(diǎn)，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。61.3 設(shè)計(jì)任務(wù)的提出隨著工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展日新月異，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)不斷提高的

24、生產(chǎn)技術(shù)水平為自動(dòng)化裝備提出了更高的要求，這其中調(diào)節(jié)器扮演著重要角色。在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中，數(shù)字調(diào)節(jié)器有著廣泛應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)多種工業(yè)控制，如變頻調(diào)速，流量調(diào)節(jié)，溫度控制等等。以調(diào)節(jié)器構(gòu)成的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要手段，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制質(zhì)量的好壞直接影響著工業(yè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。因此設(shè)計(jì)一個(gè)可靠性高的調(diào)節(jié)器是非常必要的。第二章 方案設(shè)計(jì)2.1 調(diào)節(jié)器的類型選擇2.1.1 模擬式調(diào)節(jié)器模擬控制器是用模擬電路實(shí)現(xiàn)控制功能的儀表，又成電動(dòng)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（pid）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度

25、、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動(dòng)控制。其發(fā)展經(jīng)歷了型（電子管）、（晶體管）和（集成電路）。目前型、型都已經(jīng)淘汰。這里介紹ddz型調(diào)節(jié)器。ddz型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu)，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應(yīng)大型工廠、煉油廠的防爆要求。特點(diǎn)如下：（1）采用國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為dc4-20ma，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為dc1-5v。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量將少。（3）整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。 ddz型控制器的基本類型是全刻度指示pid調(diào)節(jié)器。為滿足各種特殊控制系統(tǒng)的要求，還有特殊控制器，例如斷續(xù)控制器、自整定控制

26、器、前饋控制器、非線性控制器等。2.1.2 數(shù)字式調(diào)節(jié)器數(shù)字式控制器是以微處理器為基礎(chǔ)的多功能控制儀表，可接受多路模擬量及開關(guān)量輸入信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)算控制，并具有通信及故障診斷功能，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)（合稱3c技術(shù)，control，computer，communication）發(fā)展的產(chǎn)物。數(shù)字式pid控制器是通過(guò)編程來(lái)控制pid調(diào)節(jié)功能的，又稱可編程pid調(diào)節(jié)器，或可編程調(diào)節(jié)器。由于微處理器的強(qiáng)大計(jì)算功能，用戶可以根據(jù)需要編寫復(fù)雜的控制程序，所以一臺(tái)可編程控制器可以代替多臺(tái)模擬儀表，并且可以根據(jù)重編程序修改功能?？删幊陶{(diào)節(jié)器產(chǎn)品種類較多，例如西安儀表廠生產(chǎn)的ys80系列和ys10

27、0系列等，它們都以8位或16位微處理器為cpu，外圍電路也大同小異。數(shù)字式調(diào)節(jié)器與模擬式控制儀表在構(gòu)成原理和所用器件上有很大差別。前者采用數(shù)字技術(shù)，以微型計(jì)算機(jī)為核心部件；而后者采用模擬技術(shù)，以運(yùn)算放大器等模擬電子器件為基本部件。數(shù)字調(diào)節(jié)器與模擬式控制儀表相比較，數(shù)字調(diào)節(jié)器有如下一些優(yōu)點(diǎn)：(1) 實(shí)現(xiàn)了儀表的數(shù)字化、智能化 (2) 具有豐富的運(yùn)算、控制功能(3) 通用性強(qiáng)，使用方便(4) 具有通信功能，便于系統(tǒng)擴(kuò)展(5) 可靠性高，維護(hù)方便隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)，數(shù)字控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。數(shù)字控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用促進(jìn)調(diào)節(jié)器的進(jìn)一步發(fā)展。盡管基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)目前

28、已出現(xiàn)了很多種數(shù)字調(diào)節(jié)器和控制器,但pid調(diào)節(jié)器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)效果突出、可調(diào)參數(shù)少和數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)良品質(zhì)，而獨(dú)占控制調(diào)節(jié)器之首。 2.2 單片機(jī)類型選擇目前的單回路調(diào)節(jié)器通常由單片機(jī)、adc、dac、放大器、數(shù)字i/o接口、參考電源、鍵盤與顯示電路、通信接口等眾多芯片構(gòu)成，電路復(fù)雜，致使可靠性下降。所以需要選擇一個(gè)高性能、高性價(jià)比的單片機(jī)。it行業(yè)飛速發(fā)展的今天，單片機(jī)(mcu-micro computer unit)在測(cè)控和低速信號(hào)處理等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)是一門實(shí)戰(zhàn)性很強(qiáng)的學(xué)科。現(xiàn)在比較流行的單片機(jī)有：mcs51、at89c51、avr、stc系列等等。這次設(shè)

29、計(jì)我考慮使用stc公司的stc89c52系列單片機(jī)17，stc89c52是stc公司推出的一款性價(jià)比很高的單片機(jī)。它與同類型單片機(jī)相比的優(yōu)點(diǎn)：（1）超強(qiáng)抗干擾能力，輕松過(guò)2kv/4kv快速脈沖干擾(eft)；（2）高抗靜電(esd)，6kv靜電可直接打在芯片管腳上；（3）超低功耗，power down<0·1a,可外部中斷喚醒；（4）6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期任意設(shè)置；（5）加密性強(qiáng)；（6）支持在線系統(tǒng)串口編程(isp-in system programmability)功能；stc89c52單片機(jī)具有在線系統(tǒng)可編程(isp)特性,它的好處是省去購(gòu)買通用編程器；并且單

30、片機(jī)在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，而無(wú)須拆下，方便編程，節(jié)約調(diào)試和進(jìn)一步完善的時(shí)間。由于可以將程序直接下載進(jìn)單片機(jī)看運(yùn)行結(jié)果，故也可以不用仿真器。（7）降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件無(wú)需改動(dòng)。2.3 pid算法的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)前邊所講的pid調(diào)節(jié)算法適用于模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于計(jì)算機(jī)只能接收數(shù)字量，因此要想實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通常選擇位置型或增量型控制算法，下面簡(jiǎn)要介紹一下這兩種控制算法。1、位置型控制，如圖2.1所示: 圖2.1 數(shù)字pid位置型控制示意圖2、增量型控制,如圖2.2所示： 圖2.2 數(shù)字pid增量型控制示意圖在位置控制算式中，不僅需要對(duì)進(jìn)行累加，而且計(jì)算機(jī)的任何故障都會(huì)引起大

31、幅度變化，對(duì)生產(chǎn)不利。增量控制雖然改動(dòng)不大，然而卻帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)：（1）由于計(jì)算機(jī)輸出是增量，所以動(dòng)作影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉；（2）在位置型控制算法中，由手動(dòng)到自動(dòng)切換時(shí)，必須首先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動(dòng)/自動(dòng)地?zé)o擾動(dòng)切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。而增量設(shè)計(jì)只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來(lái)的位置無(wú)關(guān)，因而增量算法易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換。（3）不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。增量控制因其特有的優(yōu)點(diǎn)已得到了廣泛的應(yīng)用。142.4 設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)一臺(tái)具有通用功能的數(shù)字調(diào)節(jié)器，硬件設(shè)計(jì)包括微處理器、a/d轉(zhuǎn)換電路、d/a轉(zhuǎn)換

32、輸出、鍵盤、顯示及其外圍電路。不僅要考慮測(cè)量的采樣與數(shù)字化，還要考慮微處理器的性能價(jià)格比、i/o接口能力、串行通信方式以及可靠性的問(wèn)題。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)按照功能可劃分為；a/d轉(zhuǎn)換及其處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊（數(shù)字顯示）、按鍵處理模塊、d/a轉(zhuǎn)換輸出模塊以及pid控制算法等。調(diào)節(jié)器的數(shù)字顯示部分主要包括設(shè)定值和實(shí)際測(cè)量值的顯示兩部分，按鍵設(shè)計(jì)包括設(shè)定鍵、復(fù)位鍵、確認(rèn)鍵、數(shù)字的增減鍵等等。通用調(diào)節(jié)器的主要功能就是pid調(diào)節(jié)，所以在硬件設(shè)計(jì)要求完成的情況下，pid算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)器還應(yīng)該具備串行通訊，參數(shù)自整定等功能。5將程序固化在單片機(jī)微處理器中，既降低了成本又提高

33、了運(yùn)行速度及工藝精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化的信息化、網(wǎng)絡(luò)化，利用單片機(jī)的中斷通訊功能，用軟件去實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)器與上位機(jī)或各個(gè)從機(jī)之間的通訊功能。為了實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，用四位led動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼顯示。測(cè)量值和給定值同時(shí)輔以鍵盤操作，對(duì)給定值、報(bào)警值、正反作用、比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間在線修改；增加調(diào)節(jié)器的使用范圍，提供良好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)對(duì)話。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1 調(diào)節(jié)器硬件設(shè)計(jì)方案3.1.1 stc89c52芯片簡(jiǎn)介stc89c52rc/rd+系列單片機(jī)是新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，

34、最新的d版本內(nèi)部集成max810專用復(fù)位電路。特點(diǎn)：1.增強(qiáng)型6時(shí)鐘/機(jī)器周期，12時(shí)鐘/機(jī)器周期 8051 cpu2.工作電壓：5.5v-3.4v(5v單片機(jī)) / 3.8v-2.0v(3v單片機(jī))3.工作頻率范圍：0-40 mhz，相當(dāng)于普通8051的 0-80 mhz.實(shí)際工作頻率可達(dá)48 mhz。4.用戶應(yīng)用程序空間4k/8k/13k/16k/20k/32k/64k 字節(jié)5.片上集成128字節(jié)/512字節(jié) ram6.通用i/o口（32/36個(gè)），復(fù)位后為：p1/p2/p3/p4是標(biāo)準(zhǔn)雙向/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)i/o口）7.isp(在系統(tǒng)可編程)/iap(在應(yīng)用可編程)，無(wú)需專用編程

35、器/仿真器，可通過(guò)串口（p3.0/p3.1）直接下載用戶程序，8k程序3秒即可完成8.eeprom 功能9.看門狗10.內(nèi)部集成max810 專用復(fù)位電路（d版本才有），外部晶體20m以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路11共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器0還可以當(dāng)成2個(gè)8位定時(shí)器使用12外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，power down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒13.通用異步串行口（urat）,還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)urat14.工作溫度范圍：075/-40+8015.封裝：pdip-40，plcc-44,pqfp-44 此設(shè)計(jì)選擇stc89c52,其封裝形式為pdip

36、-40,如下圖3.1所示：圖3.1 stc89c52引腳圖其引腳功能如下：p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，即地址數(shù)據(jù)總線口。作為輸出口時(shí)可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯門電路，對(duì)端口p0寫“”時(shí)，可做為高阻抗輸入端用。p1口：p1口是內(nèi)部帶有弱上拉電阻的標(biāo)準(zhǔn)雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4個(gè)ttl門電流。p1口鎖存器寫入1后，p1口引腳被上拉為高電平時(shí)，可用作輸入，p1.0和p1.1引腳除了可以作為一般使用外，還具有第二輸入/輸出功能：p1.0：定時(shí)器t2的計(jì)數(shù)輸入端或定時(shí)器t2的時(shí)鐘輸出端。p1.1：定時(shí)器t2的外部觸發(fā)輸入端。 p2口：p2口是內(nèi)部帶有弱上拉電阻的標(biāo)準(zhǔn)雙向i/o口

37、，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫入“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，作為輸入。在讀/寫外部存儲(chǔ)器時(shí)，p2口輸入高八位地址信號(hào)a15-a8。當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)p2口接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3口：p3口是內(nèi)部帶有弱上拉電阻的標(biāo)準(zhǔn)雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。作輸入引腳使用前，先向p3口鎖存器輸入“1”，使p3口引腳被上拉成高電平。p3口除了作為一般的i/o

38、引腳使用外，還具有第二功能。p3口作為一些特殊功能口，如下所示：p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入）p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。reset：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ale/prdg：低八位地址鎖存信號(hào)。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用ale/prdg下降沿從p0口輸出的低八位地址信息a

39、7-a0,以便隨后將p0口作為數(shù)據(jù)總線使用。在正常情況下，ale/prdg輸出信號(hào)恒為1/6振蕩頻率，并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。psen：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在外部程序存儲(chǔ)器取指令期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。ea/vpp：外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，低電平有效。在復(fù)位期間cpu檢測(cè)并鎖存ea/vpp引腳電平狀態(tài)，當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令，只有當(dāng)程序計(jì)數(shù)器pc超出片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址編碼范圍時(shí)，才轉(zhuǎn)到外部程序存儲(chǔ)器取指令；當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，一律從外部程序存儲(chǔ)器取指令。x1：片內(nèi)晶振電路反向振蕩放大器的

40、輸入端，接cpu內(nèi)部時(shí)鐘工作電路。x2：片內(nèi)晶振電路反向振蕩器的輸出端。3.1.2 各外圍接口電路芯片簡(jiǎn)介a/d轉(zhuǎn)換器（a/dc0832）在數(shù)字電路里，電平只有高和低兩種狀態(tài)，比如5v和0v，對(duì)應(yīng)著1和0；模擬電路里，電平則理論上有無(wú)數(shù)個(gè)狀態(tài)，比如0v、0.1v、0.2v等等。a/dc0832轉(zhuǎn)換器可以將模擬電平值在數(shù)字電路里表達(dá)出來(lái)。adc0832具有以下特點(diǎn)： 8位分辨率；雙通道a/d轉(zhuǎn)換；輸入輸出電平與ttl/cmos相兼容；5v電源供電時(shí)輸入電壓在0-5v之間；工作頻率為250khz，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32s；一般功耗僅為15mw；8p、14pdip（雙列直插）、picc多種封裝； 商用級(jí)芯片

41、溫寬為0 to +70，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為40 to +85 此設(shè)計(jì)選擇8pdip形式，其管腳如圖3.2所示： 圖3.2 adc0832引腳圖各引腳功能如下：cs_ 片選使能，低電平芯片使能ch0 模擬輸入通道0，或作為in+/-使用ch1 模擬輸入通道1，或作為in+/-使用gnd 芯片參考0點(diǎn)位（地）d1 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。d0 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出clk 芯片時(shí)鐘輸入vcc/ref 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）led顯示led顯示是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼顯示器件，如圖3.3為一位led顯示器的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管(a-g七段)構(gòu)成字型“8”，另外還有一

42、只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點(diǎn)。內(nèi)部為發(fā)光二極管，對(duì)于共陽(yáng)的接法，可知當(dāng)adp段為低電平，公共端為高電平，則發(fā)光顯示。圖3.3 led顯示器引腳圖rs232串口通信芯片串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線universal serial bus或者usb混淆）。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于rs232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多gpib兼容的設(shè)備也帶有rs-232口。同時(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。典型的rs-232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5+15v，負(fù)電平在-5-15v電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上

43、為ttl，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從ttl電平到rs-232電平再返回ttl電平。接收器典型的工作電平在+3+12v與-3-12v。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為2v至3v左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。rs-232是為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（即只用一對(duì)收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為37k。所以rs-232適合本地設(shè)備之間的通信。如圖3.4所示:pin no. signal 1dcd2txd3rxd4dsr5gnd6dtr7cts8rts9- 圖3.4 rs232串口3.1.3 調(diào)節(jié)器硬件原理圖此設(shè)計(jì)具體原理框圖如圖3.5

44、所示： 圖3.5 數(shù)字調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)框圖3.2 硬件具體設(shè)計(jì)3.2.1 a/d轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換過(guò)程adc0832為8位分辨率a/d轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在1-5v之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32s，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多個(gè)器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)di數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下adc0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是cs、clk、do、di。但由于do端與di端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口

45、是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將do和di并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。其設(shè)計(jì)連接電路如圖3.6所示： 圖3.6 a/d轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)電路adc0832的控制引腳cs、clk、do、di占用了p20、p36、p37三個(gè)個(gè)i/o口。其中，do和di共用一條數(shù)據(jù)線。3.2.2 v/i轉(zhuǎn)換電路由于d/a轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)不適于遠(yuǎn)距離傳輸，所以應(yīng)將其轉(zhuǎn)換成不僅適于遠(yuǎn)傳，而且不易受干擾的電流信號(hào)，即需通過(guò)v/i轉(zhuǎn)換器輸出420ma的控制信號(hào)去控制。v/i轉(zhuǎn)換電路是用來(lái)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電壓成正比的電流信號(hào)。它不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系，而且要求輸出的電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不超過(guò)允許值，即轉(zhuǎn)換器

46、具有恒流性能。如下圖3.7所示，它由運(yùn)算放大器和晶體管v1、v2組成。v1構(gòu)成反相放大級(jí)，v2構(gòu)成電流輸出級(jí)。 圖3.7 v/i轉(zhuǎn)換電路3.2.3 鍵盤部分設(shè)計(jì) 矩陣式鍵盤常應(yīng)用在按鍵數(shù)量比較多的系統(tǒng)之中。這種鍵盤由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列結(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)上，行列線分別連在按鍵開關(guān)的兩端。行線通過(guò)上拉電阻接至電源，以使無(wú)鍵按下時(shí)行線處于高電平狀態(tài)，鍵盤矩陣與微型計(jì)算機(jī)的連接，應(yīng)用最多的方法是采用i/o接口芯片。 鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼，微型計(jì)算機(jī)對(duì)鍵盤控制的辦法是“掃描”，鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼。根據(jù)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行掃描的方法又可分程控掃描法、定時(shí)掃描法以及中斷掃描法三種

47、。多數(shù)使用中斷掃描法這種辦法的實(shí)質(zhì)是：當(dāng)沒(méi)有鍵入操作時(shí)，cpu不對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，以節(jié)省出大量時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。一旦鍵盤輸入，即刻向cpu申請(qǐng)中斷。cpu 響應(yīng)中斷后，立刻轉(zhuǎn)到響應(yīng)的中斷服務(wù)程序，對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，判別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，并做相應(yīng)的處理。若無(wú)鍵按下，cpu執(zhí)行主程序或處理其他事務(wù)。這樣節(jié)省了大量的空掃描時(shí)間，進(jìn)而提高了計(jì)算機(jī)的工作效率。設(shè)計(jì)原理圖如圖3.8所示：圖3.8 按鍵原理圖這里的按鍵設(shè)計(jì)稍微有點(diǎn)不同，一般來(lái)說(shuō)，按鍵是一端接在單片機(jī)的i/o口上，另一端接地，當(dāng)按下時(shí)，i/o口就可以檢測(cè)到低電平，從而來(lái)判斷是否有按下。而在此次設(shè)計(jì)中，采用了矩陣的接法，把多個(gè)按鍵（接

48、在p20p23）的接地端連在一起，分別接在p24、p25上面，這種復(fù)用的設(shè)計(jì)方法可縮減i/o口的使用量，這里占用6個(gè)i/o口可以得到8個(gè)按鍵，如果再增加兩列，變成4×4的設(shè)計(jì)，則只用8個(gè)i/o口就有16個(gè)按鍵。我們一般稱p20p23為行，而p24p25為列。3.2.4 顯示部分設(shè)計(jì)在各類儀表中，常用的顯示元件有：發(fā)光二極管顯示器（led）、液晶顯示器（lcd）、熒光管顯示器、簡(jiǎn)易的crt接口等。led是各類儀表中最常用的顯示元件。led常用的顯示方法有兩種，分別為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，根據(jù)led數(shù)碼管內(nèi)各筆段led發(fā)光二極管的連接方式，可將led數(shù)碼管分為共陰極和共陽(yáng)極兩大類。對(duì)于顯示

49、，本設(shè)計(jì)使用4位7段數(shù)碼管顯示各種參數(shù)及其設(shè)定，采用動(dòng)態(tài)掃描實(shí)現(xiàn)顯示任務(wù)。則設(shè)計(jì)電路原理圖如圖3.9所示： 圖3.9 顯示電路原理圖從圖可以看出，數(shù)碼管段ag、dp共8個(gè)位接在單片機(jī)的p0口對(duì)應(yīng)的8個(gè)位上，位控制4個(gè)接在pp1.0p1.3上面，這是一種四個(gè)數(shù)碼管合為一體的結(jié)構(gòu)，所有段口是并在一起的，每個(gè)數(shù)碼管位控制單獨(dú)一條引腳。每個(gè)數(shù)碼管位控制由一只三極管來(lái)完成，當(dāng)三極管基極為低電平時(shí)導(dǎo)通，5v電壓加到數(shù)碼管的公共端。3.2.5 串口通信部分設(shè)計(jì)串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。盡管比按接收數(shù)據(jù)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很

50、簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如ieee488定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總長(zhǎng)不得超過(guò)20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò)2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá)1200米（rs485）。典型地，串口用于ascii碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。電路原理圖如圖3.10所示：圖3.10 串口通信原理圖第四章 通用數(shù)字調(diào)節(jié)器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)方案4.1.1 軟件設(shè)計(jì)原理通用數(shù)字調(diào)節(jié)器最終目的是

51、根據(jù)給定值與測(cè)量值之間的偏差進(jìn)行pid控制。輸入信號(hào)即被控對(duì)象參數(shù)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換送給cpu，在cpu中與設(shè)定值比較，然后進(jìn)行pid運(yùn)算，得到的結(jié)果經(jīng)運(yùn)算后輸出以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。用鍵盤來(lái)控制pid各參數(shù)的大小，用4個(gè)led來(lái)顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)。4.1.2 軟件設(shè)計(jì)方案軟件的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器功能的關(guān)鍵，這里可將軟件設(shè)計(jì)劃分為各個(gè)子功能模塊的軟件設(shè)計(jì)和主程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。完成主程序的設(shè)計(jì)后，讓用戶根據(jù)實(shí)際需求將若干子程序組合成應(yīng)用的程序，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的運(yùn)算和控制功能,這是主程序應(yīng)完成的任務(wù)。該調(diào)節(jié)器分三部分：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、控制輸出數(shù)據(jù)輸入：設(shè)計(jì)中，將采樣回來(lái)的反饋信號(hào)以電壓的形式送給單片機(jī)。數(shù)據(jù)處理：數(shù)

52、據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤設(shè)定、顯示、控制算法（pid數(shù)字算法，用程序?qū)崿F(xiàn)）等。控制輸出：由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常是模擬的，所以用單片機(jī)集成的d/a完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。用c51語(yǔ)言編寫調(diào)節(jié)器程序。系統(tǒng)子程序分為數(shù)據(jù)采樣（模數(shù)轉(zhuǎn)換程序），數(shù)據(jù)處理（按鍵程序、顯示程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、控制算法程序），控制輸出（數(shù)模轉(zhuǎn)換程序）等等。4.1.3 軟件總體設(shè)計(jì)方案流程圖軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要內(nèi)容。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，以系統(tǒng)硬件電路為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。為了使設(shè)計(jì)的軟件功能明確、閱讀、調(diào)試方便、可靠性好，本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件程序主要包括按鍵通道查詢程序、led顯示程序、a/d轉(zhuǎn)換

53、程序和數(shù)字濾波程序等等。其主程序流程圖如圖4.1所示： 圖4.1 主程序流程圖4.2 系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì)4.2.1 a/d采樣轉(zhuǎn)換程序 采樣信號(hào)是模擬信號(hào)，單片機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，所以必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行pid運(yùn)算。程序流程圖如圖4.2所示：圖4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序流程圖4.2.2 數(shù)字濾波程序在過(guò)程控制中，由于環(huán)境因素，被控對(duì)象的測(cè)量會(huì)存在干擾源，所以在線性化之前要先進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波通常有以下幾種方法：算術(shù)平均值法、比較舍取法、采樣值的加權(quán)平均值、一階遞推數(shù)字濾波法、中位值法。本設(shè)計(jì)數(shù)字濾波采用的是算術(shù)平均值濾波法。程序流程圖如圖4.3所示： 圖4.3 數(shù)字濾波程序4.2.3 數(shù)據(jù)顯

54、示程序四位數(shù)碼管有顯示pid參數(shù)，顯示采樣信號(hào)等任務(wù)，則數(shù)據(jù)顯示流程圖如圖4.4所示： 圖4.4 顯示程序流程圖4.2.4 按鍵處理程序按鍵用來(lái)實(shí)現(xiàn)pid參數(shù)調(diào)節(jié)、參數(shù)顯示、采樣顯示等功能。因此按鍵程序設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)中最重要的部分之一。其程序流程圖如圖4.5所示： 圖4.5 按鍵掃描程序流程圖4.2.5 pid算法實(shí)現(xiàn) 積分分離的pid算式在一般的pid調(diào)節(jié)控制中，由于系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性范圍受到限制，當(dāng)偏差e較大時(shí)，如系統(tǒng)在開工、停工或大幅度提降時(shí)，由于積分項(xiàng)的作用，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的超調(diào)量，使系統(tǒng)不停地振蕩，如下圖4.6曲線2所示：這種現(xiàn)象對(duì)于變化比較緩慢的對(duì)象，如溫度、液面調(diào)節(jié)系統(tǒng)，影響更

55、為嚴(yán)重，而在一般模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中也存在。圖4.6具有積分分離作用的控制過(guò)程曲線在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了消除這一現(xiàn)象，可以采用積分分離的方法， 即在控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用，直至被調(diào)量接近給定值時(shí)，才產(chǎn)生積分作用。設(shè)給定值為p(k),經(jīng)數(shù)字濾波后的測(cè)量值為m(k)，最大允許偏差值為a，則積分分離控制的算式為:當(dāng)>a時(shí)，為pd控制當(dāng)<=a時(shí),為pid控制如上圖所示，曲線1為采用積分分離手段后的控制曲線。比較曲線1、2可知，使用積分分離方法后，顯著降低了被控變量的超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間， 使調(diào)節(jié)性能得到改善。帶死區(qū)的pid算式在微型機(jī)控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁，以消除由于頻繁動(dòng)作所引起的振蕩，有時(shí)也采用帶死區(qū)的pid控制算式