前饋反饋復(fù)合控制課程設(shè)計(jì)概要

1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)課程名稱(chēng)：控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目：前饋反饋復(fù)合控制設(shè)計(jì)系（院）：電子工程學(xué)院學(xué) 期：2014-2015-2專(zhuān)業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化121姓 名：陶濤學(xué) 號(hào)：2012120862評(píng)語(yǔ)：成績(jī)：簽名: 日期:1引言2前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的概述 2.1 基本概念2.2 系統(tǒng)的組成2.3 系統(tǒng)的特點(diǎn)3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與要求3.1 案例要求 3.2 擬合曲線的仿真及傳遞函數(shù)的確定 3.2.1 MATLAB 的介紹3.2.2 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合和仿真響應(yīng)曲線 3.3 利用臨界比例度法整定參數(shù)3.3.1 操縱變量對(duì)被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整定 3.3.2 干擾對(duì)被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整

2、定 3.4 前饋反饋系統(tǒng)仿真與整定3.4.1 靜態(tài)前饋反饋的仿真3.4.2 動(dòng)態(tài)前饋反饋的仿真 4控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1 proteus 的介紹4.2 單片機(jī)芯片的選用4.3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.4 單片機(jī)的A/D,D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)4.5 顯示電路設(shè)計(jì)4.6 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)4.7 自動(dòng)/手動(dòng)切換電路與報(bào)警電路電路設(shè)計(jì) 5控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件規(guī)劃5.2 程序流程圖6總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附錄一單片機(jī)控制硬件總電路圖1引言換熱器是過(guò)程控制生產(chǎn)中普遍使用的換熱裝置之一， 工業(yè)介質(zhì)經(jīng)過(guò)換熱器后 一般能達(dá)到比較好的溫度控制效果，為下一步工藝過(guò)程創(chuàng)造良好的工藝介質(zhì)反應(yīng) 溫度條件，其出口溫度控制的

3、精度，直接影響下一工藝的反應(yīng)過(guò)程，因此，換熱 器出口溫度的控制方案設(shè)計(jì)在工程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有比較重要的作用。目前，換熱器控制中大多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的 PID控制，以加熱介質(zhì)的流量作為 調(diào)節(jié)手段，以被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)，對(duì)于存在大的負(fù)荷干擾且對(duì)于控制品質(zhì)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合 ，多采用加入負(fù)荷干擾的前饋控 制構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。2前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的概述2.1 基本概念前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中既有針對(duì)主要擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那梆伩?制，又存在對(duì)被調(diào)量采用反饋控制以克服其他的干擾信號(hào)，這樣的系統(tǒng)就是前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。(1)復(fù)合控制系統(tǒng)是指系統(tǒng)中存在兩種不同的控制

4、方式，即前饋、反饋。(2)前饋控制系統(tǒng)的作用是對(duì)主要的干擾信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，可以針對(duì)主要干 擾信號(hào)，設(shè)置相應(yīng)的前饋控制器 。(3)引入反饋控制，是為了是系統(tǒng)能夠克服所有的干擾信號(hào)對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生 的影響，除了已知的干擾信號(hào)以外，系統(tǒng)中還存在其他的干擾信號(hào)，這些擾動(dòng)信 號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們肯本就考慮不到或 是無(wú)法測(cè)量，都通過(guò)反饋控制來(lái)克服。(4)系統(tǒng)中需要測(cè)量的信號(hào)既有被調(diào)量又有擾動(dòng)信號(hào)。2.2 系統(tǒng)的組成(1)擾動(dòng)信號(hào)測(cè)量變送器：對(duì)擾動(dòng)信號(hào)測(cè)量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號(hào)(2)被調(diào)量測(cè)量變送器：對(duì)被調(diào)量測(cè)量并轉(zhuǎn)化統(tǒng)一的電信號(hào)(3)前饋控制器：對(duì)干擾信號(hào)完全補(bǔ)償(4)調(diào)節(jié)器：反饋

5、控制調(diào)節(jié)器，對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)(5)執(zhí)行器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(6)擾動(dòng)通道對(duì)象：擾動(dòng)信號(hào)通過(guò)該通道對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生影響(7)控制通道對(duì)象：調(diào)節(jié)量通過(guò)該通道對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)前饋一反饋復(fù)合系統(tǒng)白原理方框圖如圖 2-1所示：FGff ( s) kGpd： GS)Gpc 圖2-1簡(jiǎn)化原理圖2.3 系統(tǒng)的特點(diǎn)從前饋控制角度上講，由于增加了反饋控制，降低了對(duì)前饋控制模型精度的 要求，并能對(duì)未選作前饋信號(hào)的干擾產(chǎn)生校正作用。 而從反饋控制角度上講，由 于前饋控制的存在，對(duì)于擾動(dòng)做了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。 很顯然，前饋無(wú)論加在什么位置都不會(huì)構(gòu)成回路，系統(tǒng)的特征式都保持不變，因而不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3控

6、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與要求3.1 案例要求生產(chǎn)實(shí)踐中，當(dāng)工藝介質(zhì)比較穩(wěn)定的時(shí)候，單閉環(huán)調(diào)整換熱器的蒸汽流量， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝介質(zhì)的出口溫度的控制， 但當(dāng)工藝介質(zhì)進(jìn)料不穩(wěn)定的時(shí)候，僅用 單閉環(huán)蒸汽流量的調(diào)整對(duì)換熱器出口溫度進(jìn)行控制卻達(dá)不到令人滿(mǎn)意的程度。因此需要加入前饋控制器。當(dāng)換熱器的工藝介質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)加熱蒸汽進(jìn)行單位階躍激勵(lì)，則工藝介質(zhì)出口 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)如下：t/s05102030405060708090100T/0580130250260280290297300300300當(dāng)加熱蒸汽流量不變，換熱器工藝介發(fā)生階躍變化時(shí)，則工藝介質(zhì)出口溫度 測(cè)試數(shù)據(jù)如下：t/s0510203040506070T/02.

7、5522.54042.5606567.5t/8090100110120130140150160T/7072.573.674.374.574.97575753.2 擬合曲線的仿真及傳遞函數(shù)的確定3.2.1 MATLAB 的介紹MATLA是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù) 可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB口 Simulink 兩大部分。MATLAB! matrix&laboratory兩個(gè)詞的組合，意為矩陣工廠(矩陣實(shí)驗(yàn)室)。是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì) 的高

8、科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài) 系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了 一種全面的解決 方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如C、Fortran )的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB"品族可以用來(lái)進(jìn)行以下各種工作：數(shù)值分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真、數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、通訊 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、財(cái)務(wù)與金融工程。MATLAB點(diǎn)：此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算，此開(kāi)發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和 數(shù)據(jù)進(jìn)行

9、管理，交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問(wèn)題，數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等，二維和三維 圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)，各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶(hù)界面，各種函數(shù)可將基于MATLAB勺算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言(如C、C+卡Fortran、Java、 COM以及 Microsoft Excel )。3.2.2 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合和仿真響應(yīng)曲線(1)當(dāng)換熱器的工藝介質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)加熱蒸汽進(jìn)行單位階躍激勵(lì)時(shí)，求出口 溫度擬合曲線。程序如下：x=0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100;y=0 5 80 130 250 260 28

10、0 290 297 300 300 300;/輸入溫度的數(shù)據(jù)A=polyfit(x,y,3) 進(jìn)行3階多項(xiàng)式擬合，輸出各項(xiàng)系數(shù)的值 z=polyval(A,x);/ 輸出各個(gè)x處的多項(xiàng)值的值k=20;/利用多項(xiàng)式求導(dǎo)，在x=0時(shí)的切線的斜率x0=2;y0=0; / 擬合曲線與x軸的交點(diǎn)b=y0-k*x0; / 求出 b 值x1=0:100/定義未知數(shù)x1的范圍y1=k*x1+b; / 切線函數(shù)plot(x,y,'ro',x,z,'b-',x1,y1,'r-')；axis(0 100 0 300)；grid on,曲線如圖3-1所示:得至 U A

11、=0.0005 -0.1356 11.5854 -23.7494聞。簪玲 a戛也？意)運(yùn)日 h n圖3-1擬合曲線File Edit View Insert T oolls Desktop Window Help從圖中得出：延遲時(shí)間r =2.5 , k=300,T=17,所以傳遞函數(shù)為:(3-1)G (s) =exp(-2.5*s)*(300/(17s+1)(2)當(dāng)加熱蒸汽流量不變，換熱器工藝介質(zhì)發(fā)生階躍變化時(shí)，求出口溫度擬 合曲線。程序如下：x=0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160;y=0 2.5 5 22.5

12、40 42.5 60 65 67.5 70 72.5 73.6 74.3 74.5 74.9 75 75 75;A=polyfit(x,y,3)z=polyval(A,x);k=3.5;x0=3.6;y0=0;b=y0-k*X0；x1=0:100 y1=k*x1+b;plot(x,y,'ro',x,z,'b-',x1,y1,'g-') axis(0 160 0 75);grid on得到 A =0.0000 -0.0133 1.8081 -5.7583,曲線如圖 3-2 所示:File Edit View Insert Tools Desktop

13、 Window Help mp.Rd ®T煢1 口因回020406080100120140160圖3-2擬合曲線從圖中得出：延遲時(shí)間r =3.5 , k=75,T=21;所以傳遞函數(shù)為：G (s) =exp(-3.5*s)*(75/(21s+1)(3-2)3.3利用臨界比例度法整定參數(shù)3.3.1 操縱變量對(duì)被控變量傳遞函數(shù)的PID參數(shù)整定臨界比例度法適用于已知對(duì)象傳遞函數(shù)的場(chǎng)合。在閉合的控制系統(tǒng)里，將調(diào)節(jié)器置于純比例作用下，從小到大逐漸改變調(diào)節(jié)器的比例度，得到等幅振蕩的過(guò) 渡過(guò)程。此時(shí)的比例度稱(chēng)為臨界比例度 超，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔稱(chēng)為臨 界振蕩周期丁一然后查找參數(shù)整定表計(jì)算得到

14、 PID的整定參數(shù)。通過(guò)MATLA防 真得到系統(tǒng)的響應(yīng)效果，并微調(diào)參數(shù)獲得理想的控制效果。連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度 整定方法的控制器參考參數(shù)表如表 3-1所小?？刂破黝?lèi)型比例度品積分時(shí)間常數(shù)Ti微分時(shí)間丁P2KpoO0PI2.2Kp0.85Tk0PID1.7Kp0.50Tk0.125Tk表3-1連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法整定控制器參數(shù)100%圖3-3 PID控制器的參數(shù)整定方框圖eady1 .畫(huà)出系統(tǒng)的simulink模型如圖3-3所示；2 .斷開(kāi)系統(tǒng)微分器的輸出連線、積分器的輸出連線， Kp值從小到大進(jìn)行試 驗(yàn)，觀察示波器的輸出，直到輸出等幅振蕩曲線為止，記下此時(shí)的比例度品，臨界振蕩周期Tko3 .根據(jù)

15、表1選則Kp,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行P控制整定，記錄Kp并給出單位階躍響應(yīng) 曲線；4 .根據(jù)表1選才? Kp, Ti ,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PI控制整定，記錄Kp, Ti ,繪制單位 階躍響應(yīng)曲線；5 .根據(jù)表1選才? Kp, Ti ,工對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制整定，記錄Kp, Ti,工并 繪制單位階躍響應(yīng)曲線；6 .對(duì)P, PI, PID控制的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，給出分析結(jié)果。調(diào)整Kp得到等幅振蕩曲線，如圖3-4所示，進(jìn)而得到比例度 以，臨界振蕩 周期Tk,查表1計(jì)算得到P、PI、PID的控制參數(shù)，其仿真結(jié)果分別如圖 3-5、 3-6、3-7 所示:圖3-4等幅振蕩響應(yīng)曲線其中 Kp=0.0421, Tk=10昌宜

16、尹戶(hù)月日 /1.5105002040 EO 80100圖3-5 P控制的響應(yīng)曲線其中 Kp=0.0215, 1/Ki=0,Kd=0金苜I(mǎi)Q廬H供下超jg AW21.510.5a口 20406080100120圖3-6 PI控制的響應(yīng)曲線其中 Kp=0.0186,1/Ki=0.1176Kd=0圖3-7 PID控制的響應(yīng)曲線其中 Kp=0.0248,1/Ki=0.2,Kd=1.25從上述圖中可以看出，P控制可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但沒(méi)辦法克服系統(tǒng)的靜差。PI控制由于引入了積分，有效地克服了系統(tǒng)的靜差。PID控制由于微分 的作用，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。驗(yàn)證了理論課上的結(jié)論。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)P控制 器的超

17、調(diào)較PI, PID控制器的都小，但是P控制器的余差較大，本次選取 PI控 制器即可。3.3.2干擾對(duì)被控變量傳遞函數(shù)的 PID參數(shù)整定使用的方法、方框圖、步驟同操縱變量對(duì)被控變量傳遞函數(shù)的 PID參數(shù)整定。 同理，調(diào)整Kp得到等幅振蕩曲線，如圖3-8所示，進(jìn)而得到比例度 品，臨界振 蕩周期Tk,查表1計(jì)算得到P、PI、PID的控制參數(shù)，其仿真結(jié)果分別如圖3-9、 3-10、3-11 所示：昌圖1|Q華比胸睛霜19國(guó)專(zhuān)電 51I020406090 1QOTime affset: 0圖3-8等幅振蕩響應(yīng)曲線其中 Kp=0.143, Tk=12.5a B Q盧月展睛！1 0 專(zhuān)15101020 3Q

18、 4050607080JI1I30.50圖3-9 P控制的響應(yīng)曲線其中 Kp=0.0715,1/Ki=0,1/Kd=00 Scope1口|回|7-昌苜Q(mào)廬#醯寇H日?qǐng)D3-10 PI控制的響應(yīng)曲線其中 Kp=0.065,1/Ki=0.094,Kd=0Q Scope口！回 »晝身首廬心蜀據(jù)晶 eiAF圖3-11 PID控制的響應(yīng)曲線其中 Kp=0.084,1/Ki=0.16,Kd=1.563通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)P控制器的超調(diào)較PI, PID控制器的都小，但是P控制器的余 差較大，本次實(shí)驗(yàn)選取PI控制器即可。3.4前饋反饋系統(tǒng)仿真與整定由之前得到的傳遞函數(shù)式（3-1）和式（3-2）分別是操縱變量對(duì)

19、被控變量的 傳遞函數(shù)和干擾對(duì)被控變量的傳遞函數(shù)，由此可求得前饋控制器的傳遞函數(shù)。假設(shè)物料流量f是干擾，則可組成圖3-12所示的前饋控制方案，方案中 選擇加熱蒸汽流量y"、為操縱變量。圖中r（t）是物料出口溫度的設(shè)定值。前饋控 制的方框圖如圖3-13所示，這里假設(shè)測(cè)量變送環(huán)節(jié)以及控制閥的傳遞函數(shù)為1。圖3-12前饋控制方案圖圖3-13前饋控制的方框圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表示為(3-3)Y(s) =Gpd(s) Gff(s)Gpc(s)F(s)式中，Gpd(s)是干擾f對(duì)被控變量y(t)的傳遞函數(shù)；Gpc(s)是操縱變量ys 對(duì)被控變量y(t)的傳遞函數(shù)；Gff(s)是前饋控制器的傳遞函數(shù)。為

20、使系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng) f實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償，提出的條件是當(dāng)F(s)¥0時(shí)，要求Y(s)=0。并代入式(3-3) 中可得Gff(s) = Gd(3-4)Gpc(s)工程上將前饋和反饋結(jié)合起來(lái)使用，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔玫膬?yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種擾動(dòng)以及對(duì)被控變量進(jìn)行檢測(cè) 的優(yōu)點(diǎn)。3.4.1 靜態(tài)前饋反饋的仿真令式(3-4)中的s為0,就可以得到靜態(tài)前饋控制算式Gff(0)=KpdKpc(3-5)式中Kpd和Kpc分別為干擾通道和控制通道的靜態(tài)增益，由已知的傳遞函數(shù)可以得知這里的Kpd和Kpc分別為75和300,所以可以根據(jù)以上公式計(jì)算得知Gff(0) = 0.25。使用M

21、ATLA進(jìn)行方框圖繪制并仿真，方框圖如圖 3-14所示:圖3-14 靜態(tài)態(tài)前饋反饋方框圖其pid參數(shù)為P=0.0095, 1=0.00045 , D=0仿真結(jié)果如圖3-15所示Scope圖3-15 靜態(tài)態(tài)前饋反饋仿真圖3.4.2 動(dòng)態(tài)前饋反饋的仿真靜態(tài)前饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，它可以保證在穩(wěn)態(tài)時(shí)消除擾動(dòng)的影響， 但在動(dòng)態(tài)過(guò)程中偏差依然存在。當(dāng)控制通道和干擾通道之間的動(dòng)態(tài)特性差異很大時(shí)必須考慮動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)前饋的根據(jù)是絕對(duì)不變性原理。通過(guò)選擇合適的前饋控制規(guī)律，使干擾經(jīng)過(guò) 前饋控制器之后到達(dá)被控變量這一通道時(shí)的動(dòng)態(tài)特性與對(duì)象干擾通道的動(dòng)態(tài)特 性完全一樣，但是使它們的符號(hào)相反，這樣就可以使

22、控制作用補(bǔ)償干擾對(duì)被控變 量的影響。根據(jù)式(3-4)得出前饋控制器傳遞函數(shù)為：G (s) =exp (-1*s) (-17s+1) /(82s+1)(3-6 )3-16所示：圖3-16 動(dòng)態(tài)前饋反饋方框圖其中PID控制器參數(shù)為P=0.013, I=0.0005, D=0具仿真如圖3-17所示:圖3-17 動(dòng)態(tài)前饋反饋仿真圖利用MATLA繪制方框圖并進(jìn)行仿真，方框圖如圖4控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)4.1 proteus 的介紹Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá) 30多個(gè)元件庫(kù)。Proteus軟件提供多種 現(xiàn)實(shí)存在的虛擬儀器儀表。止匕

23、外，Proteus還提供圖形顯示功能，可以將線路上 變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù) 指標(biāo)，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗，盡可能減少儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影 響，Proteus軟件提供豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬 信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。提供 Schematic Drawing、SPICE仿真與PCB設(shè)計(jì)功能，同時(shí) 可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真 51系列、AVR PIC等常用的MCU并提 供周邊設(shè)備的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件庫(kù)， 有RAM ROM鍵盤(pán)、馬達(dá)、LED LCD AD/DA部分SPI器

24、件、部分IIC器件， 編譯方面支持Keil和MPLA膏編譯器。Proteus的特點(diǎn)是：1、實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字 電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS23匆態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤(pán)和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏 輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。2、支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類(lèi)型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11 系列以及各種外圍芯片。3、提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào) 試功能，同時(shí)

25、可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng) 中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。4、具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。4.2 單片機(jī)芯片的選用單片機(jī)處理模塊使用80C51作為主處理芯片，并用80C51單片機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)外圍 電路的工作。其主要功能為給定值輸入，電壓值讀取，電壓值校正，對(duì)矩陣鍵盤(pán) 的數(shù)據(jù)、A/D轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送給顯示器、D/A轉(zhuǎn)換電路、 報(bào)警電路、調(diào)節(jié)閥的指示燈。單片機(jī)通過(guò)連接芯片鎖存器741s373 ,訪問(wèn)外接電路則

26、是通過(guò)尋址方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。4.3 單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是在沒(méi)有擴(kuò)展情況下添加基本的晶振電路、復(fù)位電路和電源電路構(gòu)成的。在PROTEUS, 80C51的電源自動(dòng)供給為+5V。實(shí)際中需添加變 壓器等設(shè)備。因?yàn)閱纹瑱C(jī)具內(nèi)部是無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)位的， 所以需要外接復(fù)位電路。單 片機(jī)的復(fù)位置位均是為了把電路初始化到一個(gè)確定的已知狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)復(fù)位電路的作用是把一個(gè)狀態(tài)初始化到空狀態(tài)。單片機(jī)的復(fù)位電路是在原來(lái)單 片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī) 器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。時(shí)鐘電路是用來(lái)配合外部晶體實(shí)現(xiàn)振蕩的電路

27、， 這樣可以為單片機(jī)提供運(yùn)行 時(shí)鐘。此外，單片機(jī)的時(shí)鐘電路是單片機(jī)的動(dòng)力源，時(shí)鐘振蕩產(chǎn)生了序列脈沖， 這些脈沖驅(qū)動(dòng)CPU?單元工作。若外接晶振為12MHz機(jī)器周期為1uso將時(shí)鐘電路接到80C51的XTAL1 (19)和XTAL2 (18)引腳上，將復(fù)位電路 接到80C51的RST弓唧(9)上，即構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。如圖 4-1示：80C51 iTFrfTtKIALIPO.IMOOPO.1XSJD1PC.2j«JD-2X1AL2PO.1WJP-3P0.4WJD4PO.5W5RD.6JADBRSTPD.7/AUrP2.1MABP2.1/A9的EMP23帆MALE盟吊假12EA膽麗3吃另

28、帆14P2 7W5P I JOP3.Qfl?XDP1.1P3.1XTXDPI 2P3.2ANT0ri 3P34/T0Fl API AP3 包j_PI SP3,I6AAJRP17IP3 7WU1UEJ到3DOQOma國(guó)Q2B8MQ4WQ505QBD7Q7oF LEQD38. . .4.工： ！j飛36.良與.守312QS .CH .-414331733IB35 .21 r2.-iL1.一1 Ai F74L5E,1S373io-41 J11 _14*圖4-1 80C51單片機(jī)最小系統(tǒng)4.4 單片機(jī)的A/D,D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)單片機(jī)只能對(duì)數(shù)字量進(jìn)行加工和處理， 不能處理模擬量，而遇到有模擬量的 地方

29、，通常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。需要把非電量的信號(hào)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電信 號(hào)。這里選用ADC0808真塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)包括轉(zhuǎn)換精度、 轉(zhuǎn)換時(shí)間、線性度和電源靈敏度。當(dāng)系統(tǒng)需要用到模擬輸出時(shí)，就可以選擇D/A轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬 信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)包括分辨率、線性度、轉(zhuǎn)換精度、建立時(shí)間、 溫度系數(shù)、輸入數(shù)字電平、電源抑制比和工作溫度范圍。D/A轉(zhuǎn)換器類(lèi)型可以分為直接和間接轉(zhuǎn)換器。如果按照輸入端結(jié)構(gòu)來(lái)分類(lèi)，可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是輸入 端帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這類(lèi)可以直接和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線直接相連接，另一類(lèi)是不帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的，要使用時(shí)就需要另外配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。D/A轉(zhuǎn)換器

30、可以把數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)成模擬信號(hào)，然而它的輸出電量不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)， 因此這是準(zhǔn)模擬量輸 出。分辨率上可分為8位、10位、16位等。這里采用DAC0832真塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn) 換。DAC083犯8位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，有20個(gè)引腳。其相關(guān)A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口電路如圖4-2圖4-3其中INO和IN1分別接傳感 器測(cè)量的模擬量，當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，輸入的模擬電壓量發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換形 成響應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并將其顯示在顯示器上。單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成 模擬電壓量然后再送給調(diào)節(jié)閥，控制調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。因D/A轉(zhuǎn)換之后傳遞的信號(hào)很小很難識(shí)別， 所以需要連接放大電路，放大電路用 于電

31、壓信號(hào)的放大。U10INO26INUIN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ADDA ADDB ADDC ALECLOCKS STARTWALE.Ini27628EOC72GUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6OUT7OUTO21DO_2_20D1 LJ4"5"19D2slie18的>Q3258D4.2415D5 二TQ523MD6 2217D7 I F八 I 1IMT112VREF(+)VREF(-)OE7169ADC0808(02RD1二佗沖3qTLSOD<TfXU2：B5&4WR74LS00圖4-3 D/A轉(zhuǎn)換接口電路4.5 顯示電路設(shè)

32、計(jì)此處使用的顯示器是LCD1602 LCD1602可以顯示2排各16個(gè)字符。設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P0 口，因?yàn)镻0 口的輸出是三態(tài)的，所以要外接上拉電阻圖4-4顯示器電路顯示器單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換后（DAC0832送給調(diào)節(jié)閥，當(dāng)有調(diào)節(jié) 作用時(shí)燈亮。電路如圖4-5示：圖4-5節(jié)閥信號(hào)燈4.6 鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)用鍵盤(pán)進(jìn)行給定設(shè)定值。鍵盤(pán)顯示模塊通過(guò)8255A擴(kuò)充并行口，連接矩陣鍵 盤(pán)。高四位通過(guò)與非門(mén)與中斷0連接。采用定時(shí)掃描法，先判斷是否有按鍵按下， 然后再判斷是哪個(gè)按鍵被按下讀數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)組， 并如此循環(huán)當(dāng)按下確定 鍵時(shí)，將數(shù)組數(shù)據(jù)送到顯示器顯示。用定時(shí)器定時(shí) 10ms進(jìn)行定時(shí)

33、掃描。設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路如圖4-6示:奠及說(shuō)圉 w 30 篇事06 38Dr 27血弓 晶片而如 9Q1 81ST 35DOD1RMW)5D6D7任置；74LS11J=L.J=L.-CL*A10kR710k mTEXTa10k uTEKT> R8NTOR61圖4-6鍵盤(pán)電路4.7 自動(dòng)/手動(dòng)切換電路與報(bào)警電路電路設(shè)計(jì)先設(shè)定報(bào)警電路的系數(shù)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥作用一定時(shí)間后（時(shí)間為設(shè)定值） ，還沒(méi) 達(dá)到預(yù)期效果時(shí)，報(bào)警電路會(huì)自行報(bào)警，提醒工作人員。報(bào)警方式有閃光燈和聲 音警報(bào)。當(dāng)電路出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，需先切換到手動(dòng)工作狀對(duì)系統(tǒng)態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 若手動(dòng) 調(diào)節(jié)也不起作用，則進(jìn)行緊急停車(chē)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維修。本次設(shè)計(jì)采用蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器俗稱(chēng)喇叭，是廣泛運(yùn)用于各種電子產(chǎn)品的 一種元器件，它用于提示、報(bào)警、音樂(lè)等許多運(yùn)用場(chǎng)合。蜂鳴器與家用電氣上的 喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL點(diǎn)評(píng)基本上 驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，需要增加一個(gè)電流放大的電路才可以， 即此一個(gè)管腳很難驅(qū)動(dòng) 蜂鳴器發(fā)出聲音，所以