前饋反饋復(fù)合控制課程設(shè)計(jì)

1、淮海工學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書 課程名稱： 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：目 錄1引言2前饋反饋復(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P

2、ID參數(shù)整定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，其出口溫度控制的精

3、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 前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)的概述2.1基本概念前饋反饋復(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)那梆伩刂?，又存在?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方式，即前饋、反饋。

4、（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：反饋控制調(diào)節(jié)器，對(duì)被調(diào)量進(jìn)行調(diào)節(jié)

5、 （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)前饋反饋復(fù)合系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-1所示： 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控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與要求3.1案例要求生產(chǎn)實(shí)踐中

6、，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/02.5522.54042.5606567.5t/809

7、0100110120130140150160T/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MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(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和Simulink兩大部分。MATLAB是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)

8、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產(chǎn)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特點(diǎn)：此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算，此開發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問題，數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)

9、、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界面，各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言（如 C、C+、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 80 130 250 260 280 290 297 300 300 300;/輸入溫度的數(shù)據(jù)A=polyfit(x,y,

10、3) /進(jìn)行3階多項(xiàng)式擬合，輸出各項(xiàng)系數(shù)的值z(mì)=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得到 A =0.0005 -0.1356 11.5854 -23.7494，曲線如圖3-1所示：圖3-1擬合曲線從圖中得出：延遲

11、時(shí)間=2.5，k=300,T=17，所以傳遞函數(shù)為：G（s）=exp(-2.5*s)*(300/(17s+1) (3-1)(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 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:

12、100y1=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： 圖3-2擬合曲線從圖中得出：延遲時(shí)間=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

13、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)的比例度稱為臨界比例度，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔稱為臨界振蕩周期。然后查找參數(shù)整定表計(jì)算得到PID的整定參數(shù)。通過(guò)MATLAB仿真得到系統(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所示。 控制器類型比例度積分時(shí)間常數(shù)Ti微分時(shí)間P2Kp0PI2.2Kp0.85Tk0PID1.7Kp0.50Tk0.125Tk表3-1 連續(xù)系統(tǒng)臨界比例度法整定控制器參數(shù)圖3-3 PID控制器的參數(shù)整定方框圖1.畫出系統(tǒng)的simulink模型如圖3-3所示；2.斷開系統(tǒng)微分器的輸出連線、積分器

14、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，臨界振蕩周期Tk。3.根據(jù)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選擇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選擇Kp，Ti，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制整定，記錄Kp，Ti，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，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

15、示：圖3-4等幅振蕩響應(yīng)曲線其中Kp=0.0421，Tk=10 圖3-5 P控制的響應(yīng)曲線其中Kp=0.0215，1/Ki=0,Kd=0圖3-6 PI控制的響應(yīng)曲線其中Kp=0.0186,1/Ki=0.1176,Kd=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

16、。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，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：圖3-8等幅振蕩響應(yīng)曲線其中Kp=0.143，Tk=12.5 圖3-9 P控制的響應(yīng)曲線其中Kp=0.0715,1/Ki=0,1/Kd=0圖3-10 PI控制的響應(yīng)曲線其中Kp=0.065,1/Ki=0.094,Kd=0圖3-11 PID控制的響應(yīng)曲線其中Kp=0.084,1/Ki=0.16,Kd=1.5

17、63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)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作為操縱變量。圖中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（3-3）系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表示為（3-4）式中，是干擾對(duì)被控變量的

18、傳遞函數(shù)；是操縱變量對(duì)被控變量的傳遞函數(shù)；是前饋控制器的傳遞函數(shù)。為使系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償，提出的條件是當(dāng)時(shí)，要求。并代入式（3-3）中可得 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（3-5）令式（3-4）中的s為0，就可以得到靜態(tài)前饋控制算式式中和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)可以得知這里的和分別為75和300，所以可以根據(jù)以上公式計(jì)算得知。使用MATLAB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p

19、id參數(shù)為P=0.0095，I=0.00045，D=0仿真結(jié)果如圖3-15所示圖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，這樣就可以使控制作用補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響。（3-6）根據(jù)式（3-4）得出前饋控制器傳遞函數(shù)為：G（s）=exp（-1*s）

20、（-17s+1）/(82s+1)）利用MATLAB繪制方框圖并進(jìn)行仿真，方框圖如圖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。其仿真如圖3-17所示：圖3-17 動(dòng)態(tài)前饋反饋仿真圖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。此外，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

21、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、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB等編譯器。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

22、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、RS232動(dòng)態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和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)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 uVisio

23、n2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74ls373，訪問外接電路則是通過(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中，80C5

24、1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)其內(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，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等單元工作。若外接晶振為12MHz，機(jī)器周期為1us。

25、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引腳（9）上，即構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)。如圖4-1示： 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，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模塊進(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

26、、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，可以分為兩類，一類是輸入端帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這類可以直接和計(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模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832是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

27、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，放大電路用于電壓信號(hào)的放大。圖4-2 A/D轉(zhuǎn)換接口電路圖4-3 D/A轉(zhuǎn)換接口電路4.5 顯示電路設(shè)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。A/D轉(zhuǎn)換模塊模擬量顯示在顯示器上。顯示器電路如圖4-4示：圖4-4 顯示

28、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 鍵盤電路設(shè)計(jì)用鍵盤進(jìn)行給定設(shè)定值。鍵盤顯示模塊通過(guò)8255A擴(kuò)充并行口，連接矩陣鍵盤。高四位通過(guò)與非門與中斷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)掃描。設(shè)計(jì)鍵盤電路如圖4-6示：圖4-6鍵盤電路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，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,所以添加三極管來(lái)增加通過(guò)蜂鳴器的電流。報(bào)警電路和切換電路如圖4-7和4-8所示：圖4-7報(bào)警電路圖4-8切換電路5 控制系統(tǒng)