基于STC89C52的通用數字

1、 題 目：基于stc89c52的通用數字 調節(jié)器設計基于stc89c52的通用數字調節(jié)器設計 摘 要工業(yè)控制系統(tǒng)中，調節(jié)器單元是自動控制系統(tǒng)中重要組成部分，調節(jié)器在自動控制系統(tǒng)中具有廣泛的應用。本設計的主要目的是設計一臺具有通用功能的數字調節(jié)器，本文主要介紹通用數字調節(jié)器的組成、原理以及如何實現(xiàn)數字化控制。該調節(jié)器通過模數轉換器實現(xiàn)對模擬信號的轉換；用單片機stc89c52完成各種控制規(guī)律的pid運算；由v/i轉換電路輸出電流信號控制執(zhí)行器的動作。通用數字調節(jié)器的主要功能就是pid調節(jié)，在硬件設計要求完成的情況下，pid算法的設計和實現(xiàn)是整個設計的核心。在此基礎上調節(jié)器還應該具備串行通訊，參數

2、自整定等功能。通用數字調節(jié)器就是在模擬調節(jié)器的基礎上用軟件編程的方法實現(xiàn)pid的運算，以達到提高精度、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)被控對象的自動控制。關鍵詞：調節(jié)器；數字化；單片機；pid控制； a/d轉換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 app

3、lication 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 swit

4、ch to 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 t

5、he hardware 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

6、 foundation 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 t

7、ransformation目 錄摘 要iiabstractiii第一章 引言11.1 背景11.2 調節(jié)器的簡介21.2.1 調節(jié)器的發(fā)展21.2.2 調節(jié)器的基本控制規(guī)律及其特點21.2.3 pid調節(jié)器在控制系統(tǒng)中的作用31.3 設計任務的提出4第二章 方案設計62.1 調節(jié)器的類型選擇62.1.1 模擬式調節(jié)器62.1.2 數字式調節(jié)器62.2 單片機類型選擇72.3 pid算法的數字化實現(xiàn)82.4 設計方案實現(xiàn)10第三章 硬件設計113.1 調節(jié)器硬件設計方案113.1.1 stc89c52芯片簡介113.1.2 各外圍接口電路芯片簡介143.1.3 調節(jié)器硬件原理圖173.2 硬件具

8、體設計173.2.1 a/d轉換器及轉換過程173.2.2 v/i轉換電路183.2.3 鍵盤部分設計193.2.4 顯示部分設計203.2.5 串口通信部分設計21第四章 通用數字調節(jié)器系統(tǒng)軟件設計234.1 軟件設計方案234.1.1 軟件設計原理234.1.2 軟件設計方案234.1.3 軟件總體設計方案流程圖234.2 系統(tǒng)軟件的具體設計254.2.1 a/d采樣轉換程序254.2.2 數字濾波程序254.2.3 數據顯示程序264.2.4 按鍵處理程序274.2.5 pid算法實現(xiàn)28第五章 系統(tǒng)調試32總結37參考文獻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

9、1.1 背景隨著自動化水平的不斷提高，在工業(yè)、農業(yè)廣泛應用的各種類型的調節(jié)器也在不斷的發(fā)展更新，調節(jié)器的性能不斷提高，功能日趨完善，并朝著集成化、數字化、智能化的趨勢不斷進步。調節(jié)器主要分為模擬調節(jié)器和數字調節(jié)器。模擬調節(jié)器采用模擬技術，以運算放大器等模擬電子器件為基本器件；數字調節(jié)器采用數字技術，以微處理器為核心部件。調節(jié)器將來自變送器的測量值與給定值相比較，然后根據比較產生的偏差進行比例、積分、微分（pid）運算，并輸出統(tǒng)一的標準信號(4-20 ma d.c）去控制執(zhí)行機構的動作，以實現(xiàn)對溫度，壓力、流量、液位以及其他工藝參數的自動控制。調節(jié)器的運算規(guī)律是指調節(jié)器的輸出信號與輸入偏差之間隨

10、時間變化的規(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上看，經歷了模擬儀器、數字化儀器、智能儀器的發(fā)展過程；二是從儀器結構(可擴展性)和實現(xiàn)形式上看，經歷了單臺儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發(fā)展過程。這兩條發(fā)展主線的技術基礎都是微電子技術、數字信號處理技術、計算機技術，儀器儀表也隨著這些技術的發(fā)展而不斷的發(fā)展更新。通用數字調節(jié)器就是在模擬調節(jié)器的基礎上用軟件編程的方法實現(xiàn)pid的運算，以達到提高精度、降低成本、提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)對被控對象自動控制的目的。在通用數字調節(jié)器的開發(fā)應用中，單片機的使用使數字調節(jié)器的設計更方便、更快捷，系統(tǒng)性能也得到了很大的提高。單片機所提

11、供的強大功能也為開發(fā)更高性能的儀器儀表創(chuàng)造了條件。 1.2 調節(jié)器的簡介1.2.1 調節(jié)器的發(fā)展控制儀表又稱控制器或調節(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量值與給定值相比較，根據比較的結果（偏差）進行一定的數學運算，并將運算結果以一定的信號形式送往執(zhí)行器，以實現(xiàn)對被控變量的自動控制?？刂苾x表的發(fā)展上分為三個階段：第一階段為基地式控制儀表。這類儀表一般是將檢測裝置、控制裝置、顯示裝置組裝在一個整體內，同時具有檢測、控制和顯示的功能，它的功能簡單、價格低廉、使用方便，但通用性差，信號不能與其他儀表共享，一般只應用于一些簡單的控制系統(tǒng)。適用于一些小型的、控制要求比較低的生產設備。第

12、二階段為單元組合式控制儀表。這類儀表主要完成控制功能，附帶簡單的顯示，和其他單元之間以統(tǒng)一的信號相互聯(lián)系。單元組合式控制儀表有氣動和電動兩大類，氣動儀表采用的是20-100ka的氣動標準信號；電動儀表采用的標準信號是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、易于構成各種復雜控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。主要有單回路控制系統(tǒng)、可編程序數字控制器（plc）和各種微計算機控制系統(tǒng)等。1由此，該設計選擇以微處理器為中心的控制器。1.2.2 調節(jié)器的基本控制規(guī)律及其特點調節(jié)器接受偏差信號后，按一定的運算規(guī)律輸出控制信號

13、，作用于被控對象以消除擾動對被控參數的影響，從而使被控參數回到給定值上來?？刂七^程的品質如何，這不僅與對象特性有關，而且還與調節(jié)器的特性，即調節(jié)器的運算規(guī)律(或稱調節(jié)規(guī)律)有關。調節(jié)器的運算規(guī)律就是指調節(jié)器的輸出信號與輸入偏差之間隨時間變化的規(guī)律。基本運算規(guī)律有比例(p)、積分(i)和微分(d)三種，各種調節(jié)器的運算規(guī)律均是由這些基本運算規(guī)律組合而成的。只有比例運算規(guī)律的調節(jié)器，為p調節(jié)器。比例系數越大，控制精度越高，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，對于不太重要的參數，可考慮采用，如中間儲罐的液位、熱量回收預熱系統(tǒng)等控制要求不高的系統(tǒng)中。工程實踐中沒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

14、制器。比例-積分控制器對變化很慢（甚至不變）的偏差有很強的調整能力，但是其滯后角度也較大，積分時間越小，消除余差的能力越強，系統(tǒng)越趨向不穩(wěn)定。對于比較重要的，控制精度要求較高參數，可采用比例-積分控制器。工程實踐中沒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。他對慣性較大的對象有“超前”調整作用，所以一般用在有較大滯后被控對象的場合。如果微分作用過大，系統(tǒng)變的非常敏感，控制系統(tǒng)的控制質量將變差，甚至變成不穩(wěn)定。對于不太重要的參數，但是慣性較大，又不希望動態(tài)偏差較大，可考慮采用比例-微分控制器，但是對于系統(tǒng)噪聲較大的參數，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

15、了比例、積分、微分三者的優(yōu)點，為控制精度最高的調節(jié)器。對于比較重要，控制精度要求較高，希望動態(tài)偏差較小，被控對象的滯后時間比較大的參數可選擇此控制器。pid調節(jié)器控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高，在工業(yè)生產過程控制中是應用最廣泛的一類控制器，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統(tǒng)。1.2.3 pid調節(jié)器在控制系統(tǒng)中的作用目前工業(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?？刂葡到y(tǒng)技術對于提高勞動生產率、保證產品質量、改善勞動條件以及保護生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化技術經濟指標等方面起著非常重要的作用4。pid調節(jié)

16、器以其簡單的結構和優(yōu)良的調節(jié)品質而廣泛應用于控制系統(tǒng)中,成為改善工業(yè)控制系統(tǒng)動態(tài)品質的重要手段,其參數的選擇直接影響著系統(tǒng)的動態(tài)品質,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調節(jié)器解決了自動控制理論所要解決的最基本問題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。調節(jié)pid的參數，可實現(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，同時在pid調節(jié)器中引入積分項，系統(tǒng)增加了一個零積點，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。61.3 設計任務的提出隨著工業(yè)自動化生產技術水平的不斷提高，自動化設備的發(fā)展日新月異，提高了產品質量和勞動生產率，降低了工人的勞動強度；同時不

17、斷提高的生產技術水平為自動化裝備提出了更高的要求，這其中調節(jié)器扮演著重要角色。在現(xiàn)代工業(yè)控制領域中，數字調節(jié)器有著廣泛應用，可實現(xiàn)多種工業(yè)控制，如變頻調速，流量調節(jié)，溫度控制等等。以調節(jié)器構成的自動調節(jié)系統(tǒng)，是實現(xiàn)生產過程自動化的重要手段，自動調節(jié)系統(tǒng)控制質量的好壞直接影響著工業(yè)過程的經濟性和安全性。因此設計一個可靠性高的調節(jié)器是非常必要的。第二章 方案設計2.1 調節(jié)器的類型選擇2.1.1 模擬式調節(jié)器模擬控制器是用模擬電路實現(xiàn)控制功能的儀表，又成電動調節(jié)器。調節(jié)器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例、積分、微分（pid）運算，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構的動作，以實

18、現(xiàn)對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動控制。其發(fā)展經歷了型（電子管）、（晶體管）和（集成電路）。目前型、型都已經淘汰。這里介紹ddz型調節(jié)器。ddz型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應大型工廠、煉油廠的防爆要求。特點如下：（1）采用國際統(tǒng)一標準信號，現(xiàn)場傳輸信號為dc4-20ma，控制室聯(lián)絡信號為dc1-5v。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量將少。（3）整套儀表可構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

19、整定控制器、前饋控制器、非線性控制器等。2.1.2 數字式調節(jié)器數字式控制器是以微處理器為基礎的多功能控制儀表，可接受多路模擬量及開關量輸入信號，能實現(xiàn)復雜的運算控制，并具有通信及故障診斷功能，是自動控制、計算機及通信技術（合稱3c技術，control，computer，communication）發(fā)展的產物。數字式pid控制器是通過編程來控制pid調節(jié)功能的，又稱可編程pid調節(jié)器，或可編程調節(jié)器。由于微處理器的強大計算功能，用戶可以根據需要編寫復雜的控制程序，所以一臺可編程控制器可以代替多臺模擬儀表，并且可以根據重編程序修改功能?？删幊陶{節(jié)器產品種類較多，例如西安儀表廠生產的ys80系列和

20、ys100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。數字式調節(jié)器與模擬式控制儀表在構成原理和所用器件上有很大差別。前者采用數字技術，以微型計算機為核心部件；而后者采用模擬技術，以運算放大器等模擬電子器件為基本部件。數字調節(jié)器與模擬式控制儀表相比較，數字調節(jié)器有如下一些優(yōu)點：(1) 實現(xiàn)了儀表的數字化、智能化 (2) 具有豐富的運算、控制功能(3) 通用性強，使用方便(4) 具有通信功能，便于系統(tǒng)擴展(5) 可靠性高，維護方便隨著計算機日益廣泛地應用于工業(yè)系統(tǒng)，數字控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。數字控制系統(tǒng)的廣泛應用促進調節(jié)器的進一步發(fā)展。盡管基于計算機的數字控制

21、系統(tǒng)目前已出現(xiàn)了很多種數字調節(jié)器和控制器,但pid調節(jié)器以其結構簡單、調節(jié)效果突出、可調參數少和數字算法實現(xiàn)過程簡單等優(yōu)良品質，而獨占控制調節(jié)器之首。 2.2 單片機類型選擇目前的單回路調節(jié)器通常由單片機、adc、dac、放大器、數字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成，電路復雜，致使可靠性下降。所以需要選擇一個高性能、高性價比的單片機。it行業(yè)飛速發(fā)展的今天，單片機(mcu-micro computer unit)在測控和低速信號處理等方面的應用越來越廣泛，單片機應用技術是一門實戰(zhàn)性很強的學科?，F(xiàn)在比較流行的單片機有：mcs51、at89c51、avr、stc系列等等

22、。這次設計我考慮使用stc公司的stc89c52系列單片機17，stc89c52是stc公司推出的一款性價比很高的單片機。它與同類型單片機相比的優(yōu)點：（1）超強抗干擾能力，輕松過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時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期任意設置；（5）加密性強；（6）支持在線系統(tǒng)串口編程(isp-in system programmability)功能；stc89c52單片機具有在線系統(tǒng)可編程(isp)特性,它的好處是省去購買通用編程器

23、；并且單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/燒錄用戶程序，而無須拆下，方便編程，節(jié)約調試和進一步完善的時間。由于可以將程序直接下載進單片機看運行結果，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,硬件無需改動。2.3 pid算法的數字化實現(xiàn)前邊所講的pid調節(jié)算法適用于模擬調節(jié)系統(tǒng)，由于計算機只能接收數字量，因此要想實現(xiàn)數字化通常選擇位置型或增量型控制算法，下面簡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 數字pid增量型控制示意圖在位置控制算式中，不僅需要對進行累加，而且計算機的任何故障都

24、會引起大幅度變化，對生產不利。增量控制雖然改動不大，然而卻帶來了很多優(yōu)點：（1）由于計算機輸出是增量，所以動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；（2）在位置型控制算法中，由手動到自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門的原始開度，才能保證手動/自動地無擾動切換，這將給程序設計帶來困難。而增量設計只與本次的偏差值有關，與閥門原來的位置無關，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動的無擾動切換。（3）不產生積分失控，所以容易獲得較好的調節(jié)品質。增量控制因其特有的優(yōu)點已得到了廣泛的應用。142.4 設計方案實現(xiàn)本設計的主要目的是設計一臺具有通用功能的數字調節(jié)器，硬件設計包括微處理器、a/d轉換電路、d

25、/a轉換輸出、鍵盤、顯示及其外圍電路。不僅要考慮測量的采樣與數字化，還要考慮微處理器的性能價格比、i/o接口能力、串行通信方式以及可靠性的問題。系統(tǒng)軟件設計按照功能可劃分為；a/d轉換及其處理模塊、數據發(fā)送處理模塊（數字顯示）、按鍵處理模塊、d/a轉換輸出模塊以及pid控制算法等。調節(jié)器的數字顯示部分主要包括設定值和實際測量值的顯示兩部分，按鍵設計包括設定鍵、復位鍵、確認鍵、數字的增減鍵等等。通用調節(jié)器的主要功能就是pid調節(jié)，所以在硬件設計要求完成的情況下，pid算法的設計和實現(xiàn)是整個設計的核心。在此基礎上調節(jié)器還應該具備串行通訊，參數自整定等功能。5將程序固化在單片機微處理器中，既降低了成

26、本又提高了運行速度及工藝精度，同時實現(xiàn)了工業(yè)自動化的信息化、網絡化，利用單片機的中斷通訊功能，用軟件去實現(xiàn)智能調節(jié)器與上位機或各個從機之間的通訊功能。為了實現(xiàn)控制參數的實時顯示，用四位led動態(tài)掃描數碼顯示。測量值和給定值同時輔以鍵盤操作，對給定值、報警值、正反作用、比例增益、積分時間、微分時間在線修改；增加調節(jié)器的使用范圍，提供良好的人機界面實現(xiàn)靈活的人機對話。第三章 硬件設計3.1 調節(jié)器硬件設計方案3.1.1 stc89c52芯片簡介stc89c52rc/rd+系列單片機是新一代超強抗干擾/高速/低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任

27、意選擇，最新的d版本內部集成max810專用復位電路。特點：1.增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期 8051 cpu2.工作電壓：5.5v-3.4v(5v單片機) / 3.8v-2.0v(3v單片機)3.工作頻率范圍：0-40 mhz，相當于普通8051的 0-80 mhz.實際工作頻率可達48 mhz。4.用戶應用程序空間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），復位后為：p1/p2/p3/p4是標準雙向/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)i/o口）7.isp(在系統(tǒng)可編程)/iap(在應用可編程)，無需

28、專用編程器/仿真器，可通過串口（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.內部集成max810 專用復位電路（d版本才有），外部晶體20m以下時，可省外部復位電路11共3個16位定時器/計數器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用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）,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個urat14.工作溫度范圍：075/-40+8015.封裝：pdip-40，plcc-44,pqfp-44 此設計選擇stc89c52,其封裝形式為

29、pdip-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8位漏級開路雙向i/o口，即地址數據總線口。作為輸出口時可以驅動8個ttl邏輯門電路，對端口p0寫“”時，可做為高阻抗輸入端用。p1口：p1口是內部帶有弱上拉電阻的標準雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4個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，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：定時器t2的計數輸入端或定時器t2的時鐘輸出端。p1.1：定時器t2的外部觸發(fā)輸入端。 p2口：p2口是內部帶有弱上拉電阻的標準雙向

30、i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫入“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，作為輸入。在讀/寫外部存儲器時，p2口輸入高八位地址信號a15-a8。當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。在flash編程和校驗時p2口接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口是內部帶有弱上拉電阻的標準雙向i/o口，可接收輸出4個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

31、的i/o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（記時器0外部輸入）p3.5 t1（記時器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數據存儲器寫選通）p3.7 /rd（外部數據存儲器讀選通）p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。reset：復位信號輸入端，高電平有效。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prdg：低八位地址鎖存信號。在訪問外部存儲器時，用ale/prdg下降沿從p0口輸出的低八位地

32、址信息a7-a0,以便隨后將p0口作為數據總線使用。在正常情況下，ale/prdg輸出信號恒為1/6振蕩頻率，并可用作外部時鐘或定時信號。psen：外部程序存儲器的讀選通信號。在外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。ea/vpp：外部程序存儲器選擇信號，低電平有效。在復位期間cpu檢測并鎖存ea/vpp引腳電平狀態(tài)，當該引腳為高電平時，從片內程序存儲器取指令，只有當程序計數器pc超出片內程序存儲器地址編碼范圍時，才轉到外部程序存儲器取指令；當該引腳為低電平時，一律從外部程序存儲器取指令。x1：片內晶振電路反向振蕩

33、放大器的輸入端，接cpu內部時鐘工作電路。x2：片內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介a/d轉換器（a/dc0832）在數字電路里，電平只有高和低兩種狀態(tài)，比如5v和0v，對應著1和0；模擬電路里，電平則理論上有無數個狀態(tài)，比如0v、0.1v、0.2v等等。a/dc0832轉換器可以將模擬電平值在數字電路里表達出來。adc0832具有以下特點： 8位分辨率；雙通道a/d轉換；輸入輸出電平與ttl/cmos相兼容；5v電源供電時輸入電壓在0-5v之間；工作頻率為250khz，轉換時間為32s；一般功耗僅為15mw；8p、14pdip（雙列直插）、picc多種封裝； 商

34、用級芯片溫寬為0 to +70，工業(yè)級芯片溫寬為40 to +85 此設計選擇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點位（地）d1 數據信號輸入，選擇通道控制。d0 數據信號輸出，轉換數據輸出clk 芯片時鐘輸入vcc/ref 電源輸入及參考電壓輸入（復用）led顯示led顯示是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數碼顯示器件，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)構成字型“8”，另

35、外還有一只發(fā)光二極管dp作為小數點。內部為發(fā)光二極管，對于共陽的接法，可知當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算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線universal serial bus或者usb混淆）。大多數計算機包含兩個基于rs232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協(xié)議；很多gpib兼容的設備也帶有rs-232口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設備的數據。典型的rs-232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數據時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5+15v，負電平在-5-15v電平。當無數據傳輸

36、時，線上為ttl，從開始傳送數據到結束，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是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通訊而設計的，其驅動器負載為37k。所以rs-232適合本地設備之間的通信。如圖3.4所示:pin no. signal 1dcd2txd3rxd4dsr5gnd6dtr7cts8rts9- 圖3.4 rs232串口3.1.3 調節(jié)器硬件原理圖此設計具體原理框圖如

37、圖3.5所示： 圖3.5 數字調節(jié)器設計框圖3.2 硬件具體設計3.2.1 a/d轉換器及轉換過程adc0832為8位分辨率a/d轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在1-5v之間。芯片轉換時間僅為32s，據有雙數據輸出作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多個器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過di數據輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下adc0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是cs、clk、do、di。但由于do端與di端在通信時并未同時有效并與單片

38、機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將do和di并聯(lián)在一根數據線上使用。其設計連接電路如圖3.6所示： 圖3.6 a/d轉換設計電路adc0832的控制引腳cs、clk、do、di占用了p20、p36、p37三個個i/o口。其中，do和di共用一條數據線。3.2.2 v/i轉換電路由于d/a轉換器輸出的電壓信號不適于遠距離傳輸，所以應將其轉換成不僅適于遠傳，而且不易受干擾的電流信號，即需通過v/i轉換器輸出420ma的控制信號去控制。v/i轉換電路是用來將電壓信號轉換成與電壓成正比的電流信號。它不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關系，而且要求輸出的電流隨負載電阻變化所引起的變化量不超過允許值，

39、即轉換器具有恒流性能。如下圖3.7所示，它由運算放大器和晶體管v1、v2組成。v1構成反相放大級，v2構成電流輸出級。 圖3.7 v/i轉換電路3.2.3 鍵盤部分設計 矩陣式鍵盤常應用在按鍵數量比較多的系統(tǒng)之中。這種鍵盤由行線和列線組成，按鍵設置在行、列結構的交叉點上，行列線分別連在按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接至電源，以使無鍵按下時行線處于高電平狀態(tài)，鍵盤矩陣與微型計算機的連接，應用最多的方法是采用i/o接口芯片。 鍵盤處理程序的關鍵是如何識別鍵碼，微型計算機對鍵盤控制的辦法是“掃描”，鍵盤處理程序的關鍵是如何識別鍵碼。根據微型計算機進行掃描的方法又可分程控掃描法、定時掃描法以及中斷掃

40、描法三種。多數使用中斷掃描法這種辦法的實質是：當沒有鍵入操作時，cpu不對鍵盤進行掃描，以節(jié)省出大量時間對系統(tǒng)進行監(jiān)控和數據處理。一旦鍵盤輸入，即刻向cpu申請中斷。cpu 響應中斷后，立刻轉到響應的中斷服務程序，對鍵盤進行掃描，判別鍵盤上閉合鍵的鍵號，并做相應的處理。若無鍵按下，cpu執(zhí)行主程序或處理其他事務。這樣節(jié)省了大量的空掃描時間，進而提高了計算機的工作效率。設計原理圖如圖3.8所示：圖3.8 按鍵原理圖這里的按鍵設計稍微有點不同，一般來說，按鍵是一端接在單片機的i/o口上，另一端接地，當按下時，i/o口就可以檢測到低電平，從而來判斷是否有按下。而在此次設計中，采用了矩陣的接法，把多個

41、按鍵（接在p20p23）的接地端連在一起，分別接在p24、p25上面，這種復用的設計方法可縮減i/o口的使用量，這里占用6個i/o口可以得到8個按鍵，如果再增加兩列，變成4×4的設計，則只用8個i/o口就有16個按鍵。我們一般稱p20p23為行，而p24p25為列。3.2.4 顯示部分設計在各類儀表中，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)顯示和動態(tài)顯示，根據led數碼管內各筆段led發(fā)光二極管的連接方式，可將led數碼管分為共陰極和共陽極兩大類。

42、對于顯示，本設計使用4位7段數碼管顯示各種參數及其設定，采用動態(tài)掃描實現(xiàn)顯示任務。則設計電路原理圖如圖3.9所示： 圖3.9 顯示電路原理圖從圖可以看出，數碼管段ag、dp共8個位接在單片機的p0口對應的8個位上，位控制4個接在pp1.0p1.3上面，這是一種四個數碼管合為一體的結構，所有段口是并在一起的，每個數碼管位控制單獨一條引腳。每個數碼管位控制由一只三極管來完成，當三極管基極為低電平時導通，5v電壓加到數碼管的公共端。3.2.5 串口通信部分設計串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收數據。盡管比按接收數據的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數據的同時用另一根線接收數

43、據。它很簡單并且能夠實現(xiàn)遠距離通信。比如ieee488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設備線總長不得超過20米，并且任意兩個設備間的長度不得超過2米；而對于串口而言，長度可達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)送數據的同時在另一根線上接收數據。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。電路原理圖如圖3.10所示：圖3.10 串口通信原理圖第四章 通用數字調節(jié)器系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計方案4.1.1 軟件設計原理通用數字調節(jié)器最

44、終目的是根據給定值與測量值之間的偏差進行pid控制。輸入信號即被控對象參數經a/d轉換送給cpu，在cpu中與設定值比較，然后進行pid運算，得到的結果經運算后輸出以控制執(zhí)行機構。用鍵盤來控制pid各參數的大小，用4個led來顯示各項數據。4.1.2 軟件設計方案軟件的設計是實現(xiàn)調節(jié)器功能的關鍵，這里可將軟件設計劃分為各個子功能模塊的軟件設計和主程序設計兩個部分。完成主程序的設計后，讓用戶根據實際需求將若干子程序組合成應用的程序，以實現(xiàn)調節(jié)器的運算和控制功能,這是主程序應完成的任務。該調節(jié)器分三部分：數據輸入、數據處理、控制輸出數據輸入：設計中，將采樣回來的反饋信號以電壓的形式送給單片機。數據

45、處理：數據存儲、鍵盤設定、顯示、控制算法（pid數字算法，用程序實現(xiàn)）等。控制輸出：由于執(zhí)行機構的驅動信號通常是模擬的，所以用單片機集成的d/a完成數模轉換。用c51語言編寫調節(jié)器程序。系統(tǒng)子程序分為數據采樣（模數轉換程序），數據處理（按鍵程序、顯示程序、數據存儲程序、控制算法程序），控制輸出（數模轉換程序）等等。4.1.3 軟件總體設計方案流程圖軟件設計是系統(tǒng)設計的一項主要內容。根據系統(tǒng)功能要求，以系統(tǒng)硬件電路為基礎進行系統(tǒng)軟件設計。為了使設計的軟件功能明確、閱讀、調試方便、可靠性好，本設計采用結構化的程序設計方法來進行系統(tǒng)軟件設計。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

46、/d轉換程序和數字濾波程序等等。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)軟件的具體設計4.2.1 a/d采樣轉換程序 采樣信號是模擬信號，單片機只能接受數字信號，所以必須進行模數轉換才能進行pid運算。程序流程圖如圖4.2所示：圖4.2 模數轉換程序流程圖4.2.2 數字濾波程序在過程控制中，由于環(huán)境因素，被控對象的測量會存在干擾源，所以在線性化之前要先進行數字濾波。數字濾波通常有以下幾種方法：算術平均值法、比較舍取法、采樣值的加權平均值、一階遞推數字濾波法、中位值法。本設計數字濾波采用的是算術平均值濾波法。程序流程圖如圖4.3所示： 圖4.3 數字濾波程序4.2.3

47、 數據顯示程序四位數碼管有顯示pid參數，顯示采樣信號等任務，則數據顯示流程圖如圖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實現(xiàn)pid參數調節(jié)、參數顯示、采樣顯示等功能。因此按鍵程序設計是軟件設計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算法實現(xiàn) 積分分離的pid算式在一般的pid調節(jié)控制中，由于系統(tǒng)的執(zhí)行機構線性范圍受到限制，當偏差e較大時，如系統(tǒng)在開工、停工或大幅度提降時，由于積分項的作用，將會產生一個很大的超調量，使系統(tǒng)不停地振蕩，如下圖4.6曲線2所示：這種現(xiàn)象對于變化比較緩慢的對象，如溫度、液面調節(jié)系統(tǒng)

48、，影響更為嚴重，而在一般模擬調節(jié)系統(tǒng)中也存在。圖4.6具有積分分離作用的控制過程曲線在計算機控制系統(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，取消積分作用，直至被調量接近給定值時，才產生積分作用。設給定值為p(k),經數字濾波后的測量值為m(k)，最大允許偏差值為a，則積分分離控制的算式為:當>a時，為pd控制當<=a時,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量和過渡過程時間， 使調節(jié)性能得到改善。帶死區(qū)的pid算式在微型機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制動作過于頻繁

49、，以消除由于頻繁動作所引起的振蕩，有時也采用帶死區(qū)的pid控制算式，如圖4.7所示：圖4.7 帶有死區(qū)的控制過程曲線 帶死區(qū)的控制算式為： 當 當 式中,k為死區(qū)增益，其數值可為：0、0.25、0.5、1等。 如上圖所示，死區(qū)b是一個可調的參數。其具體數值可根據實際控制對象確定。b值太小，使調節(jié)動作過于頻繁，不能達到穩(wěn)定被調對象的目的。如果b 取得太大，則系統(tǒng)將產生很大的滯后。當b=0（或k=1）時，則為pid控制。該系統(tǒng)實際上是一個非線性控制系統(tǒng)，即當偏差的絕對值時，其控制輸出為0，當時，則輸出值p(k)以pid(或pi、pd）運算結果輸出。 限位問題在某些自動調節(jié)系統(tǒng)中，為了安全生產，往往

50、不希望調節(jié)閥“全開”或“全關”，而是有一個上限位和一個下限位。也就是說，要求調節(jié)器輸出限制在一定的幅度范圍內，即<=p<=。在具體系統(tǒng)中，不一定上、下限位都需要，可能只有一個下限或上限限位。例如，在加熱爐控制系統(tǒng)中，為防止加熱爐熄滅，不希望加熱爐的燃料（重油、煤氣或天然氣）管道上的閥門完全關閉，這就需要設置一個下限限位。為此，可以在pid輸出程序中進行上、下限比較，為了提高調節(jié)品質，當程序判斷輸出為(或)后，也可按有限偏差重新求出平p（k）值。在實際pid控制過程中，往往要考慮死區(qū)、積分分離、限幅等問題，下圖4.8即為其程序流程圖： 圖4.8 pid算法程序流程圖第五章 系統(tǒng)調試單

51、片機系統(tǒng)的硬件調試和軟件調試是不能分開的,許多硬件錯誤是在軟件調試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后,再和軟件結合起來調試以進一步排除故障。可見硬件的調試是基礎,如果硬件調試不通過,軟件調試則是無從做起。當硬件設計從布線到焊接安裝完成之后,就開始進入硬件調試階段,調試大體分為以下幾步。排除電源故障    在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。加電后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查vcc與gnd之間電位，若在5v48v之間屬正常。若有高壓，聯(lián)機仿真器調試時，將會損壞仿真器等，有時會使應用系統(tǒng)中的集成塊發(fā)熱損壞。

52、60; 顯示部分調試，分別用規(guī)定的電平加至控制數碼管段碼和位碼顯示的引腳上，看數碼管顯示是否與理論上一致。不一致，一般為led顯示器接觸不良所致，找出故障，然后在通過編寫程序（采用“8”字循環(huán)程序）進行調試。顯示結果如下圖5.1所示：圖5.1 跑八試驗程序顯示有上圖可知，顯示部分沒有問題，接下來就可以編寫應用程序了。a/d轉換部分調試 a/d轉換的作用是把采樣的電壓信號轉換成單片機所需要的數字信號，單片機在對其計算輸出。由此可知a/d部分是非常重要的，所以在顯示沒有錯誤的情況下，緊接著對a/d部分進行調試。根據a/d轉換器的特點、工作原理以及與單片機連接的端口等問題進行c語言編程，編

53、譯、下載。采樣信號可以通過電位器自給定，顯示結果如下圖5.2所示： 圖5.2 a/d轉換顯示由上圖可知，a/d部分硬件電路沒有錯誤。pid算法部分調試 pid部分是整個設計中最核心的部分，調試也是最重要的部分之一，如果pid算法實現(xiàn)錯誤就無所謂控制參數了，首先根據pid算法編寫程序，然后根據下面的實例來探究，如果調節(jié)器的實際輸出與理論相一致，則說明pid算法沒有錯誤。假設有一溫度控制系統(tǒng)，溫度測量范圍是0600，溫度采用pid控制，控制指標為450±2。已知比例系數,積分時間，微分時間，采樣周期。當測量值，時，計算增量輸出。若，計算第n次閥位輸出。解：將題中給出的參數代入有關公式計算

54、得，由題知，給定值，將題中給出的測量值代入公式（514）計算得代入公式（5116）計算得代入公式（5119）計算得調節(jié)器顯示結果如下圖5.3所示：圖5.3 pid輸出顯示d/a轉換+v/i轉換 這屬于調節(jié)器的輸出部分，由數字量轉換成模擬量，最后在把模擬電壓量轉換成電流進行遠傳控制。編寫程序使調節(jié)器輸出數字量255，用萬用表測量v/i轉換電路的輸出值是否為20ma,從而判斷此部分硬件連接正確。鍵盤部分調試 顯示調試通過后，鍵盤調試就比較簡單，完全可以借助于顯示，利用程序進行調試。通過簡單的程序編寫，顯示結果如下圖5.4所示：圖5.4 鍵盤控制顯示由此斷定，硬件連接無錯誤。本設計鍵盤實現(xiàn)的功能包括

55、測量值顯示、給定值顯示、正反作用設置、pid參數設置等功能。根據實際應用編寫應用程序?？偨Y以stc89c52為核心設計的通用數字調節(jié)器功能強大,可靠性高,對控制對象適應能力較好,可廣泛的應用于工業(yè)生產過程控制領域中,特別是在一些系統(tǒng)組成比較簡單的中小型企業(yè)中。在此過程中，我不但認識到了理論知識的重要性也深刻的體會到了理論與實際相結合必要性。我通過對protel 99 se 、visio、c51學習、查找資料等一系列工作，提高了自學的能力，也增加了學習的興趣和動力。這次設計不但使我的思維開闊了很多，也使我對大學生活、學習有了新的認識，總之它帶給我們的是知識，是收獲。 在今后的學習與實踐中，我一定要進一步強化自己的理論知識，培養(yǎng)良好的學習習慣，對自己不懂的知識要多專研、多思考! 參考文獻1. 吳勤勤.控制儀表及裝置m.北京：化學工業(yè)出版社，20062. 王再英，陳毅靜等.過程控制系統(tǒng)與儀表m.北京：機械工業(yè)出版社