智能交流穩(wěn)壓電源控制器設計

1、 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 編號： 畢業(yè)設計(論文)說明書題 目： 智能交流穩(wěn)壓電源 控制器設計 摘 要智能交流穩(wěn)壓電源作為為負載提供能量的裝置，在電路系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。特別是在我國，交流電網(wǎng)的電壓波動比較大、干擾多，智能交流穩(wěn)壓電源已發(fā)展成為許多電子設備不可缺少的供電裝置。安全可靠、技術(shù)性能符合負載要求的電源，能使負載的功能得到充分的發(fā)揮，否則會導致負載的技術(shù)指標降低，甚至會損壞負載。為了延長用電設備的使用壽命，降低工廠的經(jīng)濟損失，應保證其供電電壓的穩(wěn)定。尤其在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下，電網(wǎng)品質(zhì)差，電網(wǎng)波形畸變嚴重。因此，研發(fā)出一種高效可靠的交流穩(wěn)壓電源十分必要。本文介紹了

2、一種基于單片機（STC89C52）的智能交流穩(wěn)壓電源控制器方案。該方案將交流電壓通入電壓互感器，并將電壓互感器出來的電壓信號輸入到電能計量芯片的電壓信號輸入端，信號在電能芯片內(nèi)部進行A/D轉(zhuǎn)換，并通過內(nèi)部運算將電壓等各種數(shù)據(jù)的結(jié)果存入指定的寄存器中。52單片機通過電能計量芯片的串行接口將數(shù)據(jù)讀取后，將實測電壓通過LED數(shù)碼管顯示，單片機根據(jù)給定電壓與實測電壓的差值來控制，結(jié)合數(shù)字PID控制算法使交流伺服電機正反轉(zhuǎn)，從而帶動自耦調(diào)壓器的旋鈕，最后能夠得到十分接近給定的輸出電壓，這就是智能交流穩(wěn)壓電源控制器。這種穩(wěn)壓電源工作效率高，輸出電壓波形好，對負載性質(zhì)沒有特殊要求。它能夠根據(jù)給定與實測的差值

3、，自動進行快速適時調(diào)節(jié)。該設計主要有以下四個模塊：電機驅(qū)動模塊、單片機控制模塊、電壓測量模塊、鍵盤和顯示模塊。關(guān)鍵詞：PID；單片機；智能控制；交流伺服系統(tǒng)；電能計量芯片 AbstractIntelligent AC power supply as a device to provide energy to the load, plays an increasingly important role in the circuitry. Especially in China, due to the voltage fluctuations of the AC mains, Intelligen

4、t AC power supply has developed into indispensable power supply installations for many electronic devices. The safety and reliability power supplyswhose technical performance meet the load requirements of the power, make the full use of the load of the power, otherwise it will result in the reduce o

5、f the technical indicators, or even damage the load. In order to extend the life of electrical equipment, reduce the economic losses, we should ensure the stability of the voltage of the supply. Especially in the industrial field, the quality and waveform distortion of the grid is serious. Therefore

6、, developping a highly efficient and reliable AC power supply is necessary. This article describes an Intelligent AC regulated power supply control program based on a microcontroller (STC89C52). In the program voltage signal is sampled by the voltage transformer circuit, and the voltage signal input

7、 to the voltage signal input of the energy measurement chip, after the A / D conversion and internal computing voltage, the results of the data will be stored in the specified register. After the 51 single-chip read the last measured voltag by the serial interface of the energy metering chip, the da

8、ta will be displayed by the LED digital display, microcontroller based on the difference between a given voltage and measured voltage controls the AC servo motor to turn positively or negatively, combined with the digital PID control algorithm, so as to drive the knob to the autotransformer, finally

9、 we are able to get an output voltage closed to the given voltage, this is the intelligent AC power supply controller. The efficiency of this power supply is high, the waveform of the output voltage is good, there are no special requirements on the nature to the load. It adjusts quickly, automatical

10、ly and timely according to the difference between given and measured. The design mainly includes the following four modules: the motor drive module, microprocessor control module, voltage measurement module, keyboard and display module.Keywords: PID；Single-chip；Intelligent Control；AC Servo System；En

11、ergy Measurement Chip 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目 錄1 緒論11.1智能交流穩(wěn)壓電源控制器的背景11.2智能交流穩(wěn)壓電源控制器發(fā)展方向22 設計原理32.1本設計的原理框圖32.2系統(tǒng)的原理32.3電機動作原理42.4 PID算法42.4.1模擬PID42.4.2數(shù)字PID52.4.3數(shù)字PID參數(shù)整定方法73 系統(tǒng)硬件電路設計93.1單片機主控制模塊93.1.1單片機的選擇93.1.2 STC89C52功能介紹93.1.3 STC89C52最小系統(tǒng)圖143.2 電壓測量模塊設計分析143.2.1 CS5460A的概述143.3電流型電壓互感器的說明20

12、3.4數(shù)碼管顯示電路的設計213.4.1數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)213.4.2數(shù)碼管的原理213.4.3數(shù)碼管編碼表223.4.4數(shù)碼管的驅(qū)動電路223.6按鍵電路的設計263.6.1按鍵的分類263.6.2按鍵的消抖問題273.6.3鍵盤的掃描方式274 系統(tǒng)的軟件設計284.1程序流程圖284.2 CS5460A初始化295 系統(tǒng)的調(diào)試305.1硬件調(diào)試305.2軟件調(diào)試316 結(jié)論32謝 辭33參考文獻34附 錄35附錄一35附錄二44附錄三46 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 51 頁 共 47頁1 緒論1.1智能交流穩(wěn)壓電源控制器的背景隨著電子設備越來越廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)和科研研究

13、活動中，各種用電設備對交流穩(wěn)壓電源的輸出電壓的品質(zhì)要求越來越高，智能交流穩(wěn)壓電源控制器就在這樣的背景下應運而生?；疖囌舅褂玫碾娫粗饕ㄕ{(diào)壓、轉(zhuǎn)換（2路電源轉(zhuǎn)換和輸出轉(zhuǎn)換）、輸出（分為直流輸出與交流輸出）幾個部分，其中穩(wěn)壓對電源屏的好壞具有重大的影響?，F(xiàn)在火車站所使用的電源屏普遍存在著一個缺點，就是響應速度很慢，在轉(zhuǎn)換兩路電網(wǎng)時，容易欠壓或者過壓，輸出電壓的波形失真嚴重，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子設備逐步取代繼電式設備，電子設備對電源的要求更高。穩(wěn)壓電路具有強抗干擾能力、效率高、可靠性高、較小補償變壓器功率,能使材料成本及功率損耗大大地降低, 從而實現(xiàn)提高效率,減小重量體積等目的。微機控制

14、大大簡化了控制電路,還加入不少輔助功能,如故障診斷、穩(wěn)壓指示、過電流保護、超限聲光報警、過壓保護、延時啟動、故障檢測、缺相保護等各種功能。所以智能交流穩(wěn)壓電源控制器器正逐漸應用于電源屏應用領(lǐng)域。交流穩(wěn)壓電源被廣泛應用于各行各業(yè)，有許多不同的類型?？梢苑譃樗姆N。鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器：該種交流穩(wěn)壓裝置是通過結(jié)合飽和扼流圈和對應的電容器得到恒壓伏安特性而制作的。這種穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)很簡單，極易生產(chǎn)制，它的輸入電壓范圍比較大，它的早期典型結(jié)構(gòu)是磁飽和式。它的優(yōu)點是工作可靠,過載能力較強。但是波形失真較大，不太穩(wěn)定。近年發(fā)展起來的穩(wěn)壓變壓器，也是利用電磁元件的非線性這一特性實現(xiàn)穩(wěn)壓功能的。它與磁飽和式穩(wěn)壓器有

15、著相同的基本工作原理，區(qū)別就是它們磁路結(jié)構(gòu)形式不一樣。它在一個鐵心上同時實現(xiàn)穩(wěn)壓和變壓兩個功能，因此它性能比磁飽和穩(wěn)壓器及普通電源變壓器的高。感應式交流穩(wěn)壓器：和繞式異步電動機有著類似的結(jié)構(gòu)，而原理與感應調(diào)壓器基本一致。通過改變變壓器二次側(cè)的電壓，獲得穩(wěn)定的輸出交流電壓。感應式交流穩(wěn)壓器能輸出范圍大的輸出電壓，并且電壓波形良好，功率能達到數(shù)百千瓦。但由于轉(zhuǎn)子經(jīng)常處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以功耗大，效率較低。此外由于它耗費較多的銅、鐵原料，所以在工業(yè)中較少使用。 磁放大器式交流穩(wěn)壓器：這種裝置是將磁放大器和自耦變壓器串聯(lián)起來，再通過電路來改變磁放大器的阻抗以得到穩(wěn)定的輸出電壓。它的電路形式可以是脈寬調(diào)制，

16、也可以是線性放大等。這類穩(wěn)壓器的系統(tǒng)是閉環(huán)的，并且?guī)в蟹答仯虼溯敵鲭妷悍€(wěn)定，波形好。但由于使用的磁放大器慣性較大，所以恢復時間較長。又因使用自耦方式，因此抗干擾能力較差。 滑動式交流穩(wěn)壓器：通過用伺服電機自動改變變壓器滑動接點的位置，使輸出電壓獲得穩(wěn)定的裝置。這種穩(wěn)壓器工作效率高，輸出電壓波形好，對負載特性沒有特殊要求。但是穩(wěn)定度較低，恢復時間長。1.2 智能交流穩(wěn)壓電源控制器發(fā)展方向目前研制的測量控制儀表，為了實現(xiàn)高性能、高精度、多功能，大都使用了微處理器。以微處理器為核心逐步取代了傳統(tǒng)的常規(guī)電子線路，把計算機技術(shù)和測控技術(shù)有效結(jié)合在一起，構(gòu)成了新型的 “智能化測量控制儀表”。智能儀器不僅

17、解決了很多傳統(tǒng)儀表不能或者不易解決的難題，同時還能大大簡化了系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。交流穩(wěn)壓電源一方面作為 “動力源”為儀器儀表供電，另一面它自身就是一個儀器儀表，所以，它應該盡可能地智能化。總的來說，智能化的交流穩(wěn)壓電源應當具備以下幾個功能特點: 操作自動化。用微控制器來控制系統(tǒng)的測量過程，比如量程選擇、鍵盤掃描、開關(guān)的啟動與閉合、信號的傳輸與處理以及顯示、數(shù)據(jù)采集等，使測量過程自動化。自檢測功能，包括自動調(diào)零、自動故障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。友好的人機對話。智能化的交流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)交流穩(wěn)

18、壓電源中的切換開關(guān)，操作人員在鍵盤中輸入命令，就能實現(xiàn)某種功能。此外，智能交流穩(wěn)壓電源可以將儀器的運行情況、工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)實時地顯示在顯示器上，使操作人員直觀了解電源的運行狀態(tài)。網(wǎng)絡通信能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益普及與信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，交流穩(wěn)壓電源通過RS232接口能夠和上位PC機進行通信，從而使網(wǎng)絡技術(shù)人員能隨時監(jiān)視電源設備的運行狀態(tài)及各項技術(shù)參數(shù);網(wǎng)絡技術(shù)人員可通過網(wǎng)絡定時開關(guān)電源，實現(xiàn)遠程開關(guān)機等功能。2 設計原理2.1本設計的原理框圖本設計所用的交流穩(wěn)壓器屬于滑動式交流穩(wěn)壓器，它采用PID閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制伺服電機，自動調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的旋鈕來實現(xiàn)穩(wěn)壓。自耦調(diào)壓器的輸出經(jīng)過電壓

19、互感器后，電壓變成一個可測量的二次電壓，電能計量芯片把二次電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲于電能計量芯片的存儲器中，單片機通過訪問這些存儲器讀取二次電壓，用戶可通過四個獨立按鍵設置自己所需的給定電壓，單片機將給定電壓和實測電壓通過數(shù)碼管動態(tài)顯示出來，單片機內(nèi)部比較給定與實測的大小，并結(jié)合數(shù)字PID控制算法驅(qū)動伺服電機，帶動自耦調(diào)壓器的旋鈕，從而使輸出電壓與給定電壓一致。這種類型的穩(wěn)壓器工作效率高，輸出電壓的波形良好，對負載性質(zhì)沒有特殊要求。但是系統(tǒng)在調(diào)整伺服電機與傳動系統(tǒng)之間的機械慣性時存在一定的延遲并且容易產(chǎn)生振蕩，所以系統(tǒng)不是很穩(wěn)定。圖2-1即為系統(tǒng)的原理框圖。采樣電壓電壓變換電能計量單

20、片機控制系統(tǒng)數(shù)碼管顯示鍵盤輸入給定電壓驅(qū)動電路伺服電機自耦調(diào)壓器 圖2-1 系統(tǒng)的方案原理框圖2.2 系統(tǒng)的原理系統(tǒng)的電路主要有變換電壓、電壓測量，鍵盤，數(shù)碼管顯示，電機驅(qū)動這幾個部分。自耦調(diào)壓器的輸出經(jīng)過電壓互感器后，電壓變成一個可測量的二次電壓，電能計量芯片把二次電壓進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲于電能計量芯片的存儲器中，單片機通過訪問這些存儲器讀取二次電壓，用戶可通過四個獨立按鍵設置自己所需的給定電壓，單片機將給定電壓和實測電壓通過數(shù)碼管動態(tài)顯示出來，單片機內(nèi)部比較給定與實測的大小，并結(jié)合數(shù)字PID控制算法驅(qū)動伺服電機，帶動自耦調(diào)壓器的旋鈕，結(jié)果得到穩(wěn)定的輸出電壓，這就是伺服電機控制的智

21、能交流穩(wěn)壓電源控制器。2.3 電機動作原理圖2-2 電機正轉(zhuǎn)原理圖 圖2-3 電機反轉(zhuǎn)原理圖1、如圖2-2。如果ui比給定電壓小，單片機判斷為負電壓，此時伺服電機就正轉(zhuǎn)，使自耦調(diào)壓器的觸點向上移動,使Uo保持一定的電壓值。2、如圖2-3。如果ui比給定電壓值大，單片機判斷為正電壓，此時伺服電機就反轉(zhuǎn)，使自耦調(diào)壓器的觸點向下移動,使Uo保持一定的電壓值。 2.4 PID算法控制算法是微機化控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，整個系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經(jīng)驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足

22、相當多工業(yè)對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。下面分別介紹模擬PID、數(shù)字PID及其參數(shù)整定方法。2.4.1模擬PID在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-4所示，系統(tǒng)由模擬PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構(gòu)及控制對象組成。圖2-4 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的控制偏差： = （2-4）將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制，故稱為PID調(diào)節(jié)器。在實際應用中，常根據(jù)對象的特征和控制要求，將P、I、D基本控制規(guī)律進行適當組合，以達到對被控對象進行有效控制

23、的目的。例如，P調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器等。模擬PID調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律為 （2-5）式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，為微分時間常數(shù)。簡單的說，PID調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用是：（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差；（2）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)，越大，積分作用越弱，反之則越強；（3）微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。由式（2-4）可得，模擬PID調(diào)節(jié)器的

24、傳遞函數(shù)為 （2-6）由于本設計主要采用數(shù)字PID算法，所以對于模擬PID只做此簡要介紹。2.4.2數(shù)字PID在DDC系統(tǒng)中，用計算機取代了模擬器件，控制規(guī)律的實現(xiàn)是由計算機軟件來完成的。因此，系統(tǒng)中數(shù)字控制的設計，實際上是計算機算法的設計。由于計算機只能識別數(shù)字量，不能對連續(xù)的控制算式直接進行運算，故在計算機控制系統(tǒng)中，首先必須對控制規(guī)律進行離散化的算法設計。為將模擬PID控制規(guī)律按式（2-4）離散化，我們把圖2-5中、在第n次采樣的數(shù)據(jù)分別用、表示，于是式（2-4）變?yōu)?：= （2-7）當采樣周期T很小時可以用T近似代替，可用近似代替，“積分”用“求和”近似代替，即可作如下近似 （2-8）

25、 （2-9）這樣，式（2-5）便可離散化以下差分方程 （2-10）上式中是偏差為零時的初值,上式中的第一項起比例控制作用,稱為比例（P）項,即 （2-11）第二項起積分控制作用,稱為積分（I）項即 （2-12）第三項起微分控制作用,稱為微分（D）項即 （2-13）這三種作用可單獨使用(微分作用一般不單獨使用)或合并使用,常用的組合有:P控制: （2-14）PI控制: （2-15） PD控制: （2-16）PID控制: （2-17）式（2-10）的輸出量為全量輸出,它對于被控對象的執(zhí)行機構(gòu)每次采樣時刻應達到的位置。因此,式（2-10）又稱為位置型PID算式。由（2-10）可看出，位置型控制算式不

26、夠方便，這是因為要累加偏差,不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此對式（2-10）進行改進。根據(jù)式（2-10）不難看出u(n-1)的表達式，即 （2-18）將式（2-10）和式（2-18）相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 （2-19） 從上式可得數(shù)字PID位置型控制算式為 （2-20）式中： 稱為比例增益； 稱為積分系數(shù)； 稱為微分系數(shù)1。數(shù)字PID位置型示意圖和數(shù)字PID增量型示意圖分別如圖2-5和2-6所示：圖2-5 數(shù)字PID位置型控制示意圖圖2-6 數(shù)字PID增量型控制示意圖2.4.3數(shù)字PID參數(shù)整定方法如何選擇控制算法的參數(shù)，要根據(jù)具體過程的要求來考慮。一般來說，要

27、求被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是很困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有很多，但可歸結(jié)為理論計算法和工程整定法兩種。用理論計算法設計調(diào)節(jié)器的前提是能獲得被控對象準確的數(shù)學模型，這在工業(yè)過程中一般較難做到。因此，實際用得較多的還是工程整定法。這種方法最大優(yōu)點就是整定參數(shù)時不依賴對象的數(shù)學模型，簡單易行。當然，這是一種近似的方法，有時可能略嫌粗糙，但相當適用，可解決一般實際問題。下面介紹兩種

28、常用的簡易工程整定法。（1）擴充臨界比例度法這種方法適用于有自平衡特性的被控對象。使用這種方法整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：選擇一個足夠小的采樣周期，具體地說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作：工作時，去掉積分作用和微分作用，使調(diào)節(jié)器成為純比例調(diào)節(jié)器，逐漸減小比例度（）直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的臨界比例度及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。選擇控制度：所謂控制度就是以模擬調(diào)節(jié)器為基準，將DDC的控制效果與模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相比較。控制效果的評價函數(shù)通常用誤差平方面積表示。 控制度 （2-21）實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制

29、度僅表示控制效果的物理概念。通常，當控制度為1.05時，就可以認為DDC與模擬控制效果相當；當控制度為2.0時，DDC比模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表1.1求得T、的值1。表1.1 擴充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律T1.05PI0.030.530.881.05PID0.0140.630.490.141.20PI0.050.490.911.20PID0.0430.0470.470.161.50PI0.140.420.991.50PID0.090.340.430.202.00PI0.220.361.052.00PID0.160.270.400.22（2）經(jīng)驗法經(jīng)驗法是靠工作人員的經(jīng)驗

30、及對工藝的熟悉程度，參考測量值跟蹤與設定值曲線，來調(diào)整P、I、D三者參數(shù)的大小的，具體操作可按以下口訣進行：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加；曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大；曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳；曲線偏離回復慢，積分時間往下降；曲線波動周期長，積分時間再加長；曲線振蕩頻率快，先把微分降下來；動差大來波動慢，微分時間應加長。下面以PID調(diào)節(jié)器為例，具體說明經(jīng)驗法的整定步驟：讓調(diào)節(jié)器參數(shù)積分系數(shù)=0，實際微分系數(shù)=0，控制系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，由小到大改變比例系數(shù)，讓擾動信號作階躍變化，觀察控制過程，直到獲得滿意的控制過程為止。取比例系數(shù)為當前的值乘以0.83，

31、由小到大增加積分系數(shù)，同樣讓擾動信號作階躍變化，直至求得滿意的控制過程。積分系數(shù)保持不變，改變比例系數(shù)，觀察控制過程有無改善，如有改善則繼續(xù)調(diào)整，直到滿意為止。否則，將原比例系數(shù)增大一些，再調(diào)整積分系數(shù)，力求改善控制過程。如此反復試湊，直到找到滿意的比例系數(shù)和積分系數(shù)為止。引入適當?shù)膶嶋H微分系數(shù)和實際微分時間，此時可適當增大比例系數(shù)和積分系數(shù)。和前述步驟相同，微分時間的整定也需反復調(diào)整，直到控制過程滿意為止。PID參數(shù)是根據(jù)控制對象的慣量來確定的。大慣量如：大烘房的溫度控制，一般P可在10以上,I在（3、10）之間,D在1左右。小慣量如：一個小電機閉環(huán)控制，一般P在（1、10）之間,I在（0、

32、5）之間,D在（0.1、1）之間,具體參數(shù)要在現(xiàn)場調(diào)試時進行修正。3 系統(tǒng)硬件電路設計3.1 單片機主控制模塊3.1.1單片機的選擇方案一：選擇Microchip公司的PIC系列單片機PIC單片機是一種簡單指令型的單片機，指令數(shù)量比較少，如果使用匯編語言編寫程序，在PIC中低檔單片機中比較麻煩且需要翻頁，而且性價比不高，價格昂貴。方案二：方案二：選擇STC89C52單片機STC89C52是一個低功耗，高性能八位CMOS單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用了高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼

33、容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，STC89C52單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。因此最終選擇方案二的單片機芯片。3.1.2 STC89C52功能介紹（1）單片機的名字緣于它把主要組成部分集成于一個芯片上而得名，具體說就是把中央處理器CPU、只讀存儲器ROM、隨機存儲器RAM、定時器/計數(shù)器以及I/O口電路、中斷系統(tǒng)等主要微型機部件，集成在一塊芯片上。雖然單片機只是一塊芯片，但是從它的組成與功能上看，它已經(jīng)具備了計算機系統(tǒng)的屬性，所以稱之為單片微型計算機SCMC（Single Chip MicroComputer），簡稱單片機。單片機在控制領(lǐng)域，主要用來測試數(shù)據(jù)

34、或者實現(xiàn)自動控制，我們也常稱單片機為嵌入式微控制器EMCU(Embedded Microcontroller Unit)，這是因為單片機在應用時通常融于被控系統(tǒng)并在其中處于核心地位。到目前為止，盡管計算機科學和技術(shù)得到了充分的發(fā)展，但計算機的體系結(jié)構(gòu)仍然沒能突破有計算機的開拓者、數(shù)字家約翰.馮諾曼最先提出來的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)框架，即一臺計算機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備以及輸出設備共五個基本部分組成的。微型機是這樣，單片機也不例外。因此我們要從計算機五個基本組成部分的觀點來理解單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所不同的只是單片機是把那些作為控制應用所必需的內(nèi)容，包括運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸

35、入/輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。 (2) STC89C52是一種低功耗、具有8KB在線可編程Flash存儲器的單片機。它與通用的80S51系列單片機的指令系統(tǒng)和引腳兼容。片內(nèi)閃電存儲器可允許在線重新編程，也可使用通用非易失性存儲器編程。它將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個芯片上，形成了功能強大、使用靈活和具有較高性價比的微控制器。(3) STC89C52具有下列主要性能：.8KB可改編程序Flash存儲器.全靜態(tài)工作：0Hz24MHz；.三級程序存儲器保密；.128 X 8字節(jié)內(nèi)部RAM；.32條可編程I/O線；.2個16位可編程定時器；.中

36、斷系統(tǒng)具有6個中斷源、5個中斷矢量、2個中斷優(yōu)先級；.串行口是一個全雙工的串行通信口。.具有兩個數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1；.低功耗節(jié)電模式；.片內(nèi)時鐘振蕩器頻率：033M；.具有片內(nèi)看門狗定時器；.靈活的在線編程方式；.具有斷電標志POF；.具有斷電狀態(tài)下的中斷恢復模式。(4)主電源引腳1)Vcc 電源端2)GND 接地端(5)接晶體引腳XTAL1和XTAL21)XTAL1 接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，既把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。2)XTAL2 接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，

37、它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，此引腳應懸浮不連接。(6)控制或與其它電源復用引腳RST、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp1)RES 復位輸入端。 當振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。2) ALE/PROG 當訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。在對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈

38、沖（PROG）。如果需要的話，通過對專用寄存器（SFR）區(qū)中8EH單元的D0位置數(shù)，可禁止ALE操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條MOVX或MOVC指令期間，ALE才會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，該設定禁止ALE位無效。3) PSEN 程序存儲允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當STC89C52由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效（既輸出2個脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。4) EA/Vpp 外部訪問允許端。要使CPU只訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），則EA

39、端必須保持低電平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復位時在內(nèi)部會鎖存/EA端的狀態(tài)。如圖3-1所示為STC89C52引腳圖。圖3-1 STC89C52引腳圖當EA端保持高電平（接Vcc端）時，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。在Flash存儲器編程期間，該引腳也用于施加12V的編程允許電源Vpp（如果選用12V編程）。(7)輸入/輸出引腳 P0.0 P0.7、P10.P1.7、P2.0 P2.7 和P3.0P3.71)P0端口（P0.0 P0.7） P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL輸入，對端口寫1時，又可作高

40、阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在Flash編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。2)P1端口（P1.0 P1.7） P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。作輸入口時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對Flash編程和程序驗證時，P1接收低8位地址。3)P2端口 （P2.0P2.7） P2是

41、一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P2作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX Ri指令）時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash編程和程序驗證期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。4)P3端口（P3.0

42、P3.7） P3 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3作輸入口使用時，有內(nèi)部的上拉電阻。在STC89C52中，P3端口還用于一些專門功能，這些兼用功能見表2-1 P3口兼用功能 表 2-1 P3口兼用功能 端口引腳 兼 用 功 能 P3.0RXD （串行輸入口） P3.1TXD （串行輸出口） P3.2/INT0 （外部中斷0） P3.3/INT1 （外部中斷1） P3.4T0 （ 定時器0的外部輸入） P3.5T1 （定時器1的外部輸入） P3.6/WR

43、 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7/RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）在對Flash編程和程序驗證時，P3還接收一些控制信號。(8)Flash存儲器的編程和程序校驗：STC89C52單片機內(nèi)部有一個8K字節(jié)的Flash PEROM。這個Flash存儲陣列通常是處于已擦除狀態(tài)，隨時可對它進行編程。編程接口可接收高電壓（5V）或低電壓（Vcc）的允許編程信號。低電壓編程方式可很方便地對STC89C52內(nèi)的用戶系統(tǒng)進行編程；而高電壓編程方式則可與通用的EPROM編程器兼容。STC89C52的程序存儲器陣列是采用字節(jié)寫入方式編程的，既每次寫入一個字節(jié)。要對片內(nèi)的PEROM程序存儲器寫入任何一個非空字節(jié)，

44、都必須用片擦除方式將整個存儲器的內(nèi)容清除。(9)對Flash存儲器編程編程前，必須建立好地址、數(shù)據(jù)和相應的控制信號。編程單元的地址加在P1端口和P2端口的P2.0P2.3（11位地址為0000H0FFFH），數(shù)據(jù)從P0端口輸入。PSEN應保持低電平，而RST應保持高電平。EA/Vpp是編程電源的輸入端，按要求加入編程電壓。ALE/PROG端輸入編程脈沖（應為負脈沖信號）。編程時，采用420 MHz的振蕩器。對STC89C52編程的步驟如下：1)在地址線上輸入要編程單元的地址。2)在數(shù)據(jù)線上輸入要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。3)激活相應的控制信號。4)在采用高電壓編程方式時，將EA/Vpp端的電壓加到12V

45、。5)每對Flash存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加一個ALE/PROG編程脈沖。改變編程單元的地址和要寫入的數(shù)據(jù)，重復步驟ae，直到全部文件編程完畢。每個字節(jié)寫入周期是自動定時的，通常不大于1.5ms。(10)數(shù)據(jù)查詢方式STC89C52單片機用數(shù)據(jù)查詢方式來檢測一個寫周期是否結(jié)束。在一個寫周期期間，如果想讀出最后寫入的哪個字，則讀出數(shù)據(jù)的最高位（P0.7）是原來寫入字節(jié)最高位的反碼。寫周期一旦完成后，有效的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)在所有輸出端上，這時可開始下一個寫周期。一個寫周期開始后，可在任何時間開始進行數(shù)據(jù)查詢。如圖3-2為單片機最小系統(tǒng)圖。3.1.3 STC89C52最小系統(tǒng)圖圖3

46、-2 STC89C52最小系統(tǒng)圖3.2 電壓測量模塊設計分析本設計采用最近比較流行的電能計量芯片CS5460A實現(xiàn)對電壓的采集和測量。CS5460A 是Crystal 公司推出的用于測電流、電壓、功率等的芯片, 是CS5460 的增強版, 精度高、性能強且成本低。CS5460A 包含兩個模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS 和VRMS ，用于研制開發(fā)單相2 線或3 線電表。CS5460A可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口

47、，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上AC/DC 系統(tǒng)校準功能?！白砸龑А钡奶攸c使CS5460A 能獨自工作，在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導模式中，CS5460A 從一個外部EEPROM 中讀取校準數(shù)據(jù)和啟動指令。3.2.1 CS5460A的概述、基本結(jié)構(gòu)及功能圖 3-3 CS5460內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CS5460A的內(nèi)部機構(gòu)圖如上圖3-3所示，其組成模塊如下：· 一個電流通道可編程增益放大器其增益為10和50可選·一個電壓通道固定增益放大器，其增益為10·兩個同時采樣的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器·兩個高速數(shù)字濾波器·兩個可選用的高

48、通濾波器·一個功率計算引擎·一個片內(nèi)電壓基準·一個可以檢測電力不足或電源故障的電源監(jiān)視器· 一個持續(xù)監(jiān)視串口通訊的看門狗· 一個可選的內(nèi)部時鐘發(fā)生器· 一個雙向串行接口· 一個電能、脈沖變換器· 一個校準用SRAM、主要特性（1）在片計算和處理功能；（2）可以從串行E2PROM 智能“自引導”,不需要微控制器,具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能；（3）具有AC或DC系統(tǒng)校準功能；（4）具有簡單的三線數(shù)字串行接口,可以方便地進行讀寫；（5）看門狗定時器；（6）片上 2.5 V 基準（60×10-6/OC）,單電源 +5

49、 V 或雙向 2.5V±10電源；（7）具有功率方向輸出指示；（8）能夠測量瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電能、電壓有效值和電流有效值，能完成電能/脈沖轉(zhuǎn)換；（9）電能測量精度：0.1%；（10）具有相位補償和系統(tǒng)校準功能；（11）具有機械計度器/步進電機驅(qū)動器；（12）內(nèi)帶電源監(jiān)視器；（13）電能數(shù)據(jù)線性度：在1000 ：1 動態(tài)范圍內(nèi)線性度為 ±0.1%；（14）功率消耗<12mW；（15）電源配置： VA+=+5V,VA-=0V;VD+=+3V至+5V或VA+=2.5V,VA-=-2.5V;VD+=+3V1、控制命令字CS5460A 包含一系列控制命令，對CS5

50、460A 寫入指定的控制字，即可完成相應的操作。這些控制命令包括：（1）、啟動轉(zhuǎn)換命令（Oxe8）只要對CS5460A 寫OXE8 控制命令，CS5460A 即開始進行AD 轉(zhuǎn)換，并輸出計算結(jié)果，這個命令一般在CS5460A 復位操作完成后輸入，以使CS5460A 進入正常工作狀態(tài)。（2）、同步命令0（OXFE）及同步命令1（OXFF）這兩個命令主要用在一連串的讀寫命令之前，復位串行通信接口。（3）Power_up/Halt Control(OXAO)這個命令主要用在系統(tǒng)校準之前，以中斷CS5460A 正在執(zhí)行的操作，而執(zhí)行系統(tǒng)校準命令。（4）系統(tǒng)校準命令字：1 1 0 V I R G O這個

51、命令完成指定的某項系統(tǒng)校準。V、I、R、G、O 的說明如下：VI : 00-不允許出現(xiàn)0001- 電流通道選擇10-電壓通道選擇11-電壓電流通道同時選擇R: 0-DC 校準1-AC 校準G: 0-正常操作1-執(zhí)行增益校準O: 0-正常操作執(zhí)行偏置校準2、控制寄存器（1）、Config Register(OX00)Default:=0x000001PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 GIEWA PH1 PH0 SI1 SI0 EOD DL1 DL0RS VHPF IHPF ICPU K3 K2 K1 K0K3:0： 指示將主頻MCLK 分頻作為CS5460A 內(nèi)部時鐘DCL

52、K：有效值分別為1、2、4。0001：DCLK=MCLK/10010：DCLK=MCLK/20100：DCLK=MCLK/4IHPF： 電流通道高通濾波器控制位0=禁止高通濾波器，1=使用所有的濾波器VHPF： 電壓通道高通濾波器控制位0=禁止高通濾波器，1=使用所有的濾波器RS： CS5460A 復位控制位，當RS=1，CS5460A 復位，復位周期至少10 個機器周期DCO： 當EOD=1，EDIR 作為通用輸出口，其輸出電平由DC0 決定。DC1： 當EOD=1，EOUT 作為通用輸出口，其輸出電平由DC1 決定。EOD： EOUT，EDIR 允許控制位。0：允許EOUT/EDIR 輸出

53、（DEFAULT）1：用戶定義的控制輸出端SI1：0： 中斷信號輸出控制00：低電平有效（DEFAULT）。01：高電平有效。10：下降沿有效。11：上升沿有效。EWA： 允許多片CS5460A 的EOUT 和EDIR 連接在一起（DEFAULT=0）。GI： 電流增益控制0=增益為10；1=增益為50；PC6：0： 相位補償，CS5460A 沒有自動相位補償功能，通過調(diào)整PC6：0值可以實現(xiàn)-2.8度到+2.8 度的相位補償。（2）CYCLE COUNT REGISTER（0X05）Bit23 bit22 bit0這個寄存器的值決定每秒鐘完成計算的次數(shù)，其計算方法請參見后面的例子。（3）、PULSE RATE REGISTER（0X06）Bit18 bit17 bit-5這個寄存器的值決定在某一功率時CS5460A 每秒鐘輸出的脈沖數(shù)。其值的設置請參見后面的計算方法。（4）、STATUS REGISTERDRDY EOUT EDIR CRDY MATH RES IOR VORPWOR IROR VROR EOR EOOR RES ID3 ID2ID1 ID0 WDT VOD IOD LSD O /IC狀態(tài)寄存器指示CS5460A 的狀態(tài)，在正常操作模式下，寫一個“1”到任一bit 都會使該bit 位置0，寫0 將保持該寄存器原態(tài)，利用這個特征，用戶將讀回的